系统可靠性设计论

1、 课程大作业 20152016 学年学年 第第 2 学期学期题 目 大功率风电机用变桨驱动器的可靠性分析所 在 院 系 机械工程学院 课 程 名 称 系统可靠性设计分析 课 程 编 号 00212744 学 生 姓 名 张峰 学 号 20152173 专 业 班 级 机械工程 1502 班 任 课 教 师 李永华 职 称 教授 卷 面 成 绩 1大功率风电机用变桨驱动器的可靠性分析摘要：大功率风力发电机用变桨距驱动器是风力发电系统的关键部件之一,其承载能力、机械性能及无维修寿命的可靠性是影响整个风力发电机系统正常工作的关键因素。如今可靠性已经成为国内外各研究机构和学者所致力研究的重点和热点。努

2、力提高产品质量的可靠性,不仅能够防止或者减少故障或事故的发生,而且可以节约开发成本、降低维修维护费用和其他由于产品可靠性不高而产生的额外费用。建立了大功率风力发电机用变桨距驱动器系统的可靠性模型，分析了大功率风力发电机用变桨距驱动器故障原因和典型故障模式。以大功率风力发电机用变桨距驱动器不能正常工作作为顶事件建立故障树，并进行分析。对大功率风力发电机用变桨距驱动器的系统进行了可靠性分配和可靠性预计。关键词：FMECA 分析 故障树分析 风电机 可靠性分析2 目录1.1.绪绪论论.32.2. 大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立.33.3. 大

3、功率风大功率风电电机用变桨驱动器的机用变桨驱动器的 FMECAFMECA 分析分析.43.1 故障分析的基本程序 .43.2 大功率风电机用变桨距驱动器 FMECA 工作表单.43.3 大功率风电机用变桨距驱动器危害度矩阵图分析.74.4. 大功率风电机用变桨距驱动器的大功率风电机用变桨距驱动器的 FTAFTA 分析分析.84.1 故障树的建模.84.2 故障树的分析.95.5.系统可靠性预系统可靠性预计计.116.6.系系统可靠性分配统可靠性分配.127.7.结论结论.14参考文献：参考文献： .1431.1.绪论绪论 风力发电机是直接将风能转化为电能的设备,随着风能这一新能源的快速崛起和发

4、展,风力发电机的生产、制造、使用和研发改进也得到了飞速的发展。变桨距驱动器是风力发电系统的关键部件, 是实现叶轮对风控制的核心部件，直接影响整个机组的性能和风能利用效率。当自然界风速有变化时,它可以适当调节安装在风电机轮毂上的叶片的桨距角,既能有效减少风速大幅度急剧变化时对风电机的强力冲击,又能吸收接近额定功率的能量。风电变桨驱动器由于工作环境十分恶劣，且安装在距地面几十米甚至上百米的狭小机舱内，维护不便，对变桨驱动器的可靠性分析，具有十分重要的现实意义。大功率风电机变桨驱动采用二级摆线针轮行星减速器,它主要由电机输入轴、中间轴、输出轴、摆线轮、针轮、柱销、转臂轴承、针齿壳等主要构件组成。2.

5、2. 大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立可靠性模型是指为预计或估算产品的可靠性建立的可靠性框图和数学模型。建立系统可靠性模型的目的是用于定量分配、估算和评估产品的可靠性。在机械传动系统可靠性设计中,整个系统的可靠度一般是先通过综合计算各组成零件的可靠度来实现的。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。nisRR1式中,为系统的可靠度,为零件 的可靠度。sRiRi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

6、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：输入轴轴承电机输入轴一级转臂一级摆线轮输入轴轴承中间轴轴承中间轴二级转臂轴承二级摆线轮中间轴轴承输出轴轴承输出轴输出轴轴承密封装置图 1 大功率风电机用变桨距驱动器减速器系统可靠性框图43.3. 大功率风电机用变桨驱动器的大功率风电机用变桨驱动器的 FMECAFMECA 分析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

7、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

8、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：系统定义故障模式分析故障原因分析故障影响及严酷度故障检测方法分析设计改进措施分析使用补偿措施分析危害性分析FMECA报告故障模式及影响分析图 2 FMECA 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

9、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。5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 故障率等级表类别发生状态描述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

10、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故障原因故障 局部影响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减速器停转保证支架刚度和强度，防止装配不当IIID42滚动轴承支撑输入轴转动点 蚀，过

11、大塑 性变 形磨损胶合重复承受变化的接触应力轴承损坏输入轴不能转动减速器停转更换滚动轴承IB263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，工艺不良轴不转动输入电机停转减速器停转表面强化处理，提高振动稳定性IB24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减速器停转提高加工精度，改善热处理IB25转臂轴承支撑摆线轮转动点蚀过大的塑性变形磨损胶合重复承受变化的接触应力传动失效一级减速输出失效减速器停转更换轴承IB26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传动失效减速器停转提高加工精度，改善加工工艺IVE47固架油

12、封防止漏油固定轴承变形折断尺寸超差磨损老化强度不够密封和定位失效漏油轴承损坏减速器停转更换油封IVE48中间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，工艺不良中间轴不转动二级减速失效减速器停转表面强化处理，提高振动稳定性IB29摆线轮实现二级减速断裂变形疲劳磨损强度不够传动失效二级减速不能实现减速器停转提高加工精度，改善热处理IB210偏 安装断裂疲劳磨传动失转臂减速器选择合适IID47心套转臂轴承形成H 机构变形损强度不够效轴承损坏不能形成H 机构停转材料，提高加工精度11针齿壳安装针齿开裂强度不够针齿损坏不能与摆线轮啮合减速器停转提高加工精度IIIE412针齿销与摆线轮

13、啮合断裂变形疲劳强度不够针齿损坏不能与摆线轮啮合减速器停转提高加工精度IC313法兰式机座固定减速器开裂强度不够，装配不当固定失效减速器振动严重减速器停转保证机座强度和刚度，防止装配不当IIID414输出轴传递运动和动力轴断裂过大的塑性变形疲劳强度不够，工艺不良输出轴不转动减速失效减速器停转表面强化处理，提高振动稳定性IB215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减速器停转提高加工精度，改善工艺IVE43.3 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

14、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8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。ABCDEIIIIIIIV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

15、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。4.4. 大功率风电机用变桨距驱动器的大功率风电机用变桨距驱动器的 FTAFTA 分析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

16、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9TX1X2A1A2A3X3X4A3X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15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

17、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X1X2X3X15，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，1

18、0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

19、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。 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失效概率事件名称NO.10.072油质变NO.20.077密封失效NO.50.065机座开裂NO.60.054针齿壳开裂NO.90.065针齿销套失效NO.100.064柱销套失效NO.110.050油品恶劣NO.120.069润滑油过多NO.130.075润滑油过少NO.140.079一级摆线轮失

20、效NO.150.064二级摆线轮失效NO.160.080输入轴承失效NO.170.059中间轴承失效NO.180.072输出轴承失效NO.190.080转臂轴承失效模式编号失效概率失效模式10.064NO.1020.080NO.1630.078NO.1240.072NO.1850.080NO.1960.050NO.1170.065NO.580.064NO.1590.054NO.6100.079NO.14110.075NO.13120.065NO.9130.077NO.2140.059NO.17150.072NO.1160.001NO.11 NO.1311表 7 重要度模拟结果事件标号失效概率事

21、件名称模式重要度 NO.10.072油质变0.000NO.20.077密封失效0.960NO.50.065机座开裂0.000NO.60.054针齿壳开裂0.000NO.90.065针齿销套失效0.000NO.100.064柱销套失效0.000NO.110.050油品恶劣0.000NO.120.069润滑油过多0.000NO.130.075润滑油过少0.900NO.140.079一级摆线轮失效0.959NO.150.064二级摆线轮失效0.800NO.160.080输入轴承失效0.960NO.170.059中间轴承失效0.000NO.180.072输出轴承失效0.930NO.190.080转臂轴

22、承失效0.960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。5.5.系统可靠性预计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

23、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 512电机输

24、入轴一级摆线轮中间轴二级摆线轮输出轴图 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 关键零件的可靠度序号零件名称可靠度1电机输入轴93.149%2一级摆线轮95.235%3二级摆线轮97.783%4中间轴98.321%5输出轴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。iAi假如系统中各分系统是相互独立的,则niisAR1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% 95.235% 97.783% 98

25、.321% 99.256%=84.652%niisAR1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。6.6.系统可靠性分配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

26、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13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*1R*2R*nR测值为： niisRR1*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*sSRR 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sR的次序排列,则有 *1*2*1nmmRRRRR令 021RRRRm 推导得： *111*0*mmnmiismRRRRR则单元可靠度的再分配可按下式进行

27、： mnmiismRRRRR11*21*11,nnmmRRRR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序号零件名称可靠度*1R电机输入轴93.256%*2R一级摆线轮95.235%*3R二级摆线轮97.738%*4R中间轴98.321%*5R输出轴99.256%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sR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14统各关键件的可靠度为 ,而大于的仍然021RRRRm0R*2*1,nmmRRR不变。代入公式求得 K 值如下表 10表 10 参数计算表K 值0R*1mR，的大小关系0R*1mR10.990970.952350R*1mR20.971710.97380R*1mR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0R*1mR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