系统可靠性设计论资料Word文档下载推荐.docx
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在进行可靠度计算时,将系统考虑为串联系统,则系统中每一组成零件失效均会导致整个系统失效,即各组成零件的可靠度的连乘积就是系统的可靠度。
式中,
为系统的可靠度,
为零件
的可靠度。
大功率风电机用变桨距驱动器传动系统属于串联系统，各零件间存在相关性,对各零部件在相互独立的情况下进行可靠度计算。
在系统分析中,关键零部件对传动系统可靠性有较大影响。
系统传动可靠度计算的主要关键部件包括:
电机输入轴轴承、电机输入轴、中间轴轴承、中间轴、输出轴轴承、输出轴、两级转臂轴承、两级减速装置的摆线轮和密闭装置。
可靠性框图如图1所示：
图1大功率风电机用变桨距驱动器减速器系统可靠性框图
3.大功率风电机用变桨驱动器的FMECA分析
对大功率风电机用变桨距驱动器系统进行FMECA分析，就是分析大功率风电机用变桨距驱动器产品中每一潜在的故障模式并确定其对产品产生的影响,以及把每一个潜在的故障模式按它严重程度进行分类。
其最终目的是分析大功率风电机用变桨距驱动器的薄弱环节,找出其潜在弱点,采取相应措施以提高大功率风电机用变桨距驱动器产品的可靠性。
对大功率风电机用变桨距驱动器的FMECA分析要从故障信息出发,从故障的最小单元到上一级单元直至最高单元导致的故障影响。
功率风电机用变桨距驱动器系统上的故障率较高的部件,对摆线轮、转臂轴承、柱销、柱销套、润滑泵、紧固螺栓、传动轴、密封件等进行分析,发现其主要的失效模式有:
失效、磨损、胶合、老化、堵塞、异常磨损等。
3.1故障分析的基本程序
（l）现场调研:
主要收集大功率风电机用变桨距驱动器的背景数据和使用条件;
在现场进行故障收集,如拍照等;
;
研究出现故障件的残骸;
（2）分析并找出出现故障的原因:
对出现故障的零件进行分析;
通过理论计算分析、模拟实验等方法和手段确定出现故障的原因;
（3）分析结论:
对每一个故障零件分析的结果进行总结,然后进一步分析和归纳形成结论。
FMECA的流程图如图2所示：
图2FMECA流程图
3.2大功率风电机用变桨距驱动器FMECA工作表单
为了划分不同故障模式产生最终影响的严重程度,在进行故障影响分析之前,一般需要对最终影响后果等级进行预定义,从而对系统中各故障按其严重程度进行分级。
按严酷度划分为如表1所示,按故障率划分为如表2所示。
表1严酷度等级表
类别
故障程度
描述
I
灾难性
风电机组严重毁坏造成不可估量的经济损失
II
致命性
系统严重损坏不能正常工作,引起重大经济损失
III
临界性
机组需要停机维修,造成一定的经济损失
IV
轻度性
导致非计划性维护或修理和一定的经济损失
表2故障率等级表
发生状态
A
经常发生
某故障模式的发生概率大于总故障概率的20%
B
有时发生
故障模式的发生概率大于总故障概率的10%但小于20%
C
偶然发生
故障模式的发生概率大于总故障概率的1%但小于10%
D
很少发生
故障模式的发生概率大于总故障概率的0.1%但小于1%
E
极少发生
故障模式的发生概率小于产品总故障概率的0.1%
根据严酷度类别和故障模式的概率等级综合考虑,危害度分为4级。
大功率风电机用变桨距减速器系统的FMECA工作表单见表3。
表3大功率风电机用变桨距减速器系统的FMECA工作表单
序号
部件
功
能
故障
模式
原因
故障
局部
影响
对上
一级
最
终
预防
措施
严酷度等级
概率等级
危害度
1
电机支架
固定
电机
连接
减速
器
开裂
强度
不够，
装配
不当
机座
损坏
电机不固定不运转
器停
转
保证支架刚度和强度，防止装配不当
4
2
滚动轴承
支撑输入轴转动
点蚀，
过大
塑性
变形
磨损
胶合
重复
承受
变化
的接
触应
力
轴承
输入
轴不
能转
动
减速器停转
更换滚动轴承
3
电机输入轴
传递运动和动力，支撑回转零件
轴断裂过大的塑性变形
疲劳强度不够，工艺不良
转动
停转
表面强化处理，提高振动稳定性
摆线轮
实现一级减速
断裂变形
疲劳磨损强度不够
传动失效
一级减速不能实现
提高加工精度，改善热处理
5
转臂轴承
支撑摆线轮转动
点蚀
过大的塑性变形
重复承受变化的接触应力
一级减速输出失效
更换轴承
6
连接法兰
连接一二减速装置
裂缝
尺寸超差
加工精度超差压力过大
连接密封失效
提高加工精度，改善加工工艺
7
固架油封
防止漏油固定轴承
变形
折断
尺寸
超差
老化
不够
密封和定位失效
漏油轴承损坏
更换油封
8
中间轴
传递运动和动力支撑回转零件
轴断裂
中间轴不转动
二级减速失效
9
实现二级减速
断裂
二级减速不能实现
10
偏心套
安装转臂轴承形成H机构
传动失
效
转臂轴承损坏不能形成H机构
减速器
选择合适材料，提高加工精度
11
针齿壳
安装针齿
强度不够
针齿损坏
不能与摆线轮啮合
提高加工精度
12
针齿销
与摆线轮啮合
疲劳强度不够
13
法兰式机座
固定减速器
强度不够，装配不当
固定失效
减速器振动严重
保证机座强度和刚度，防止装配不当
14
输出轴
传递运动和动力
输出
减速失效
15
输出端盖
密封减速器固定轴承
裂缝，尺寸超差
压力过大
密封失效
漏油
提高加工精度，改善工艺
3.3大功率风电机用变桨距驱动器危害度矩阵图分析
常用的危害性分析方法包括风险优先数法和危害性矩阵法,选择危害性矩阵法对大功率风电机用变桨距驱动器进行分析。
危害性矩阵法是用来确定和比较每一故障模式的危害程度,进而为确定改进措施的先后顺序提供依据。
具体方式为绘制矩阵图,矩阵图的横坐标用严酷度类别表示,纵坐标用产品危害度或故障模式发生概率等级表示。
从原点开始,所记录的故障模式分布点沿着对角线方向距离原点越远,其危害性越大,越需尽快采取改进措施。
大功率风电机用变桨距驱动器各零件危害度矩阵图如图3所示。
图3大功率风电机用变桨距减速器危害度矩阵
从矩阵图上可以明显看出,危害度最大的零件是:
电机输入轴、转臂轴承、滚动轴承、摆线轮、中间轴、输出轴;
其次是针齿销、偏心套等。
另外,由于各个系统元素具有不同的功能并且对整个系统可靠性起的作用也不尽相同。
所以,没有必要将系统的所有因素同等看待。
因此,有些元素对系统的传动性影响不大。
这里主要考虑传动系统的可靠度计算,因此对影响系统传动性不大的元素在计算时暂不予考虑。
4.大功率风电机用变桨距驱动器的FTA分析
故障树分析以系统所不希望发生的事件（故障事件）作为分析的目标，先找出导致这一事件（顶事件）发生的可能的原因和直接因素，然后，把这些因素和原因作为第二级事件，再接着找出第二级事件发生的因素和可能的原因，按照此顺序，逐级找下去，直到查到最原始的原因，用相应符号代表这些事件，再用事件相应的逻辑门符号把底事件、中间事件和顶事件联系起来成倒立的树形图，成为故障树，用来表示顶事件与下属的子系统或者元器件的逻辑关系。
4.1故障树的建模
根据故障树的分析,我们可以得出影响大功率风电机用变桨距驱动器系统及子系统可靠性的关键零部件,从而提高关键零部件的可靠性,以达到提高系统可靠性的目的。
以“大功率风电机用变桨距减速器不能正常工作”为顶事件建立故障树，如图4所示
图4大功率风电机用变桨距减速器不能正常工作的故障树图
大功率风电机用变桨距减速器不能正常工作故障树各事件的解释如表4所示。
表4故障树各事件说明表
T
减速器不能正常工作
X6
柱销套失效
A1
零部件失效
X7
油品恶劣
A2
润滑失效
X8
润滑油过多
A3
摆线轮失效
X9
润滑油过少
A4
轴承失效
X10
一级摆线轮失效
X1
油质变变
X11
二级摆线轮失效
X2
密闭失效
X12
输入轴承失效
X3
机座开裂
X13
中间轴承失效
X4
针齿壳开裂
X14
输出轴承失效
X5
针齿套失效
X15
转臂轴承失效
4.2故障树的分析
4.2.1定性分析
故障树的定性分析目的是寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集），发现潜在的故障，发现设计的薄弱环节，以便改进设计、指导故障诊断，改进使用和维修方案。
大功率风电机用变桨距减速器不能正常工作故障树的最小割集为{X1}{X2}{X3}……{X15}，当割集中的事件发生时则会导致顶事件即减速器不能正常工作，如果系统某一故障模式发生了，则一定是该系统中与其对应的某一个最小割集中的全部底事件全部发生了。
进行维修时，如果只修复某个故障部件，虽然能够使系统恢复功能，但其可靠性水平还远未恢复。
根据最小割集的概念，只有修复同一最小割集中的所有部件故障，才能恢复系统可靠性、安全性设计水平。
4.2.2定量分析
故障树的定量分析要假设底事件之间相互独立，元、部件和系统只有正常和故障两种状态。
用CAFTA故障树系统分析软件对大功率风电机用变桨距驱动器的故障树进行可靠性模拟分析，通过模拟分析可得到系统顶事件的失效分布情况和底事件在系统中的重要度。
找出影响大功率风电机用变桨距减速器系统及子系统可靠性的关键件,提高系统可靠性分析精度。
大功率风电机用变桨距减速器系统无维修寿命为20年，故可靠性模拟参数设定为:
系统模拟次数为1000次、有效失效时间上限为175200小时、有效失效时间下限为0。
分析处理的结果数据如表5-7所示。
模式编号
失效概率
失效模式
0.064
NO.10
0.080
NO.16
0.078
NO.12
0.072
NO.18
NO.19
0.050
NO.11
0.065
NO.5
NO.15
0.054
NO.6
0.079
NO.14
0.075
NO.13
NO.9
0.077
NO.2
0.059
NO.17
NO.1
16
0.001
NO.11NO.13
表5失效概率模拟结果（底事件）表6失效模式模拟结果
事件标号
事件名称
油质变
针齿销套失效
0.069
表7重要度模拟结果
模式重要度
NO.1
0.000
0.960
0.900
0.959
0.800
0.930
通过失效概率模拟分析报告可以看出转臂轴承、润滑泵原动机故障、油泵故障和密闭失效发生的概率比较大，所以转臂轴承、润滑泵原动机故障、油泵故障和密闭失效为大功率风电机用变桨距驱动器的薄弱环节。
同时润滑泵原动机故障、油泵故障会导致大功率风电机用变桨距驱动器的温度过高；
密闭失效会导致大功率风电机用变桨距驱动器漏油。
5.系统可靠性预计
大功率风电机用变桨距驱动器系统可靠性预计是在方案设计阶段为了评估大功率风电机用变桨距驱动器在给定条件下的可靠性而进行的工作。
它根据大功率风电机用变桨距驱动器系统、部件、零件的功能及其有关资料,推测大功率风电机用变桨距驱动器将具有的可靠度。
其目的主要是为了发现薄弱环节。
大功率风电机用变桨距驱动器可靠性预计的数据也可以用来作为大功率风电机用变桨距驱动器可靠性再分配的依据。
根据FMECA和FTA分析得到的相关故障率数据,采用数学模型法对初步设计阶段时大功率风电机用变桨距驱动器减速器系统的各零件的可靠性指标进行可靠性预计。
具体过程是建立系统的可靠性逻辑框图及可靠性数学模型,跟据己知条件求出大功率风电机用变桨距驱动器系统的可靠度。
由于转臂轴承、滚动轴承和密闭装置是标准化零件在计算中可不考虑。
主要是确定电机输入轴、中间轴、输出轴和两极摆线轮的可靠度。
然后根据串联系统可靠度的计算方法算得传动系统的可靠度。
具体可靠性框图如图5
图5关键零件可靠性框图
组成大功率风电机用变桨距驱动器减速器系统关键零件的可靠度如表8所示。
表8关键零件的可靠度
零件名称
可靠度
93.149%
一级摆线轮
95.235%
二级摆线轮
97.783%
98.321%
99.256%
根据串联系统可靠度的计算方法来计算预计大功率风电机用变桨距驱动器系统的可靠度。
设A表示系统正常工作的事件,
表示第
个分系统正常工作的事件。
假如系统中各分系统是相互独立的,则
预计大功率风电机用变桨距驱动器减速器系统的可靠度为：
=93.149%
99.256%=84.652%
根据串联系统的可靠度计算公式算得大功率风电机用变桨距驱动器传动系统的可靠度为84.652%。
同时通过公式可见,具有串联系统逻辑图的串联系统,其可靠度与功能关系呈串联的单元的数量及单元的可靠度有关。
随着单元数量的增加和单元可靠度减小,串联系统的可靠度将越来减小。
由于没有考虑到传动系统各单元的相关性,所以预计可靠度很可能与真实数据会有一定差距。
6.系统可靠性分配
可靠性分配是为了将大功率风电机用变桨距驱动器系统可靠性的定量要求分配到规定的产品层次。
通过分配使整体和部分的可靠性定量要求协调一致。
它是一个由整体到局部,由上到下的分解过程。
可靠性分配的本质是一个工程决策过程,是一个综合权衡优化的问题。
通过分配,把责任落实到相应层次产品的设计人员身上。
合理的指标分配方案,可以使大功率风电机用变桨距驱动器系统经济有效地达到规定的可靠性目标。
已知串联系统各单元的可靠度预测值为
，
……
则系统的可靠度预测值为：
如果设计出的可靠度不能满足实际要求即
那么就需要按规定的值
进行改进单元的可靠度作再分配计算。
先将各单元的可靠度预测值由小到大的次序排列,则有
令
推导得：
则单元可靠度的再分配可按下式进行：
对于大功率风电机用变桨距减速器的传动系统关键零件的可靠度预测值由小到大的顺序排列见表9。
表9关键零件的可靠度预测值顺序表
93.256%
97.738%
若规定大功率风电机用变桨距减速器的传动系统的可靠度为
90%，根据等最少工作量法进行可靠度再分配。
此时大功率风电机用变桨距减速器的传动系统各关键件的可靠度为
而大于
的
仍然不变。
代入公式求得K值如下表10
表10参数计算表
K值
的大小关系
0.99097
0.95235
>
0.97171
0.9738
<
从表中可以看出当K=2时,
所以通过最少工作量法进行可靠度再分配后得到大功率风电机用变桨距减速器的传动系统各关键件再分配的可靠度值如表11所示。
表11关键零件的可靠度再分配表
97.171%
由此可见,提高一级摆线轮和输入轴的可靠度就可以提高大功率风电机用变桨距减速器整个传动系统的可靠度。
7.结论
通过对大功率风力发电机用变桨距驱动减速器故障原因和典型故障模式分析,列出该减速器的FMECA工作表单并画出危害度矩阵图。
利用故障树分析法,以大功率风力发电机用变桨距驱动减速器不能正常工作作为顶事件建立故障树,并进行分析,找出了减速器的薄弱环节及影响大功率风力发电机用变桨距驱动减速器正常工作的主要因素。
通过模拟分析报告可以得出转臂轴承、一级减速装置的摆线轮、和密闭失效为大功率风电机用变桨距驱动器的薄弱环节。
对大功率风力发电机用变桨距驱动减速器传动系统进行了可靠性预测和可靠性再分配。
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