基于模糊可靠性故障樹分析船用齒輪箱的失效型式

摘要：船用齒輪箱故障不僅會導(dǎo)致船舶失去動力，且船用齒輪箱作為船舶的傳動裝置，還將會造成難以估計的經(jīng)濟損失，采用故障樹對齒輪箱進行全面的可靠性分析，找出船用齒輪箱的失效型式，正確評價產(chǎn)品的可靠性，才可以提高船用齒輪箱的承載能力。

關(guān)鍵詞：故障樹分析；模糊可靠性；失效型式；船用齒輪箱

中圖分類號：TN215 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0009-02

本文主要針對船用齒輪箱，分析齒輪箱結(jié)構(gòu)型式，建立基于模糊可靠性故障樹分析模型，利用蒙特卡洛算法在傳統(tǒng)故障樹分析基礎(chǔ)上進行封裝，并使用VC++、MAT-LAB混合編程，仿真船用齒輪箱系統(tǒng)，以分析船用齒輪箱的失效型式。

1 基于模糊可靠性故障樹分析的優(yōu)勢

在船用齒輪箱失效型式分析中，應(yīng)用基于模糊可靠性故障樹對其進行分析，較傳統(tǒng)故障樹分析方法中的工作及故障狀態(tài)，深化產(chǎn)品的工作狀態(tài)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品可靠性作出正確的評價。在船用齒輪箱失效型式分析中，應(yīng)用基于模糊可靠性故障樹分析方法，可以降低獲取事件發(fā)生概率準(zhǔn)確值的難度，用精確值表示事件發(fā)生概率，不再是傳統(tǒng)的不二向量分析方法，可以運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，以此來描述船用齒輪箱系統(tǒng)內(nèi)各部件間相互的關(guān)系，并得出系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，驗證模型有效性；還可以運用模糊理論，分析船用齒輪箱可靠性，在給定統(tǒng)一失效概率計算方法的前提下，從而得出齒輪箱的可靠性參數(shù)；同時也能夠采用蒙特卡羅方法來編制一定的計算機程序，統(tǒng)計出可靠性參數(shù)，繪制相關(guān)參數(shù)曲線，提高船用齒輪箱失效分析的效率，提升船用齒輪箱的可靠性。

2 構(gòu)建齒輪箱故障樹

2.1 故障樹中的事件

船用齒輪箱故障樹構(gòu)建中，應(yīng)該以不能正常工作齒輪箱來作為頂事件，然后再通過分析、研究齒輪箱故障原因，找出引起齒輪箱失效各級底事件，之后可以將其簡歸納，形成故障樹。在故障樹中，對于故障樹頂事件中主要可以包括由離合器打滑、潤滑系統(tǒng)失效、關(guān)鍵部件失效組成；故障樹中間事件中主要包括摩擦片失效、工作油孔堵塞、油質(zhì)不合格以及油溫過高、軸承失效、軸斷裂等事件組成；故障樹底事件主要可包括安裝精度低、軸承裝配不好、齒距偏差、機械磨損、疲勞失效、箱體鑄造缺陷、塑性變形、腐蝕、軸加工精度不高等事件組成。

2.2 定性、定量分析故障樹

故障樹分析中，應(yīng)用數(shù)字仿真技術(shù)，對其進行定性及定量分析。在定性分析中，其主要任務(wù)就是找出產(chǎn)生頂事件的所有故障模式，并求故障樹全部最小割集。對故障樹進行定量分析，其目的就是利用故障樹來當(dāng)做計算模型，當(dāng)已知底事件發(fā)生概率時，從而可以計算出頂事件發(fā)生的概率，因此可以對整個船用齒輪箱系統(tǒng)的可靠性及風(fēng)險性作出有效評估，確定船用齒輪箱的失效型式，改進船用齒輪箱制造技術(shù)，提升船用齒輪箱生產(chǎn)質(zhì)量。

3 齒輪箱的可靠性仿真分析

3.1 算法介紹

在基于模糊可靠性故障樹分析船用齒輪箱的可靠性分析中，應(yīng)用統(tǒng)計模擬方法，以概率統(tǒng)計理論作為基礎(chǔ)，引入隨機數(shù)建立模擬模型，通過仿真實現(xiàn)對隨機概率的統(tǒng)計。且仿真次數(shù)越多，則結(jié)果越精確，算法原理就是，針對已知狀態(tài)的變量概率分布，應(yīng)用蒙特卡羅模擬法可以產(chǎn)生符合該狀態(tài)的變量分布隨機數(shù)，從而可以代入狀態(tài)函數(shù)，計算出對于狀態(tài)函數(shù)的隨機數(shù)，之后可以根據(jù)分布函數(shù)抽樣公式，計算函數(shù)抽樣的壽命。

3.2 建立仿真模型

在基于模糊可靠性故障樹的船用齒輪箱仿真模型建立中，可以設(shè)整個系統(tǒng)是S，該事件中包含的n個事件z的集合為S={z1，z2，…，zi…，zn}。對每一個船用齒輪箱事件，其失效發(fā)生概率的分布函數(shù)都應(yīng)該符合一定統(tǒng)計規(guī)律，針對底事件概率密度函數(shù)與特征參數(shù)，可以設(shè)底事件在某時刻的狀態(tài)，可用二項分布來表示其分布規(guī)律，為：

xi（t）=

那么底事件的發(fā)生概率就是隨機事件的期望值。

3.3 仿真實現(xiàn)

應(yīng)用VC++語言開發(fā)計算機仿真程序，實現(xiàn)人機交互界面，處理齒輪箱系統(tǒng)分析的最小割集邏輯，對相關(guān)底事件的失效函數(shù)參數(shù)進行缺省處理；自動更新失效函數(shù)，利用C++中的srand（）函數(shù)獲取隨機數(shù)，得到事件抽樣公式，并將最小壽命值的對應(yīng)事件失效狀態(tài)代入故障樹中，得出失效邏輯關(guān)系式，依次進行，直到仿真結(jié)束。

4 船用齒輪箱失效型式

應(yīng)用基于模糊可靠性故障樹分析之后，針對操作人員、零件材料及試驗數(shù)據(jù)等多方原因，分析船用齒輪箱的失效型式，對于事件的重要度進行分析，得出輪齒折斷、齒面磨損、齒面膠合、齒面點蝕這些事件，引起系統(tǒng)失效次數(shù)比重較大，得出船用齒輪箱發(fā)生失效的視角中主要包括輪齒折斷失效、齒面磨損失效、齒面點蝕失效以及齒面膠合失效這四個方面的因素，因此針對齒輪箱薄弱環(huán)節(jié)可靠度參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用模糊故障樹理論，提升船舶傳動系統(tǒng)的可靠性，必須對這些易失效部件進行重視。故此，在船用齒輪箱設(shè)計中，應(yīng)該提升輪齒性能，避免斷齒產(chǎn)生；并且在齒面設(shè)計中，采用閉式傳動，提高船用齒輪箱齒面的光潔度，并做好對其表面的潤滑、防磨損措施，避免齒面間發(fā)生磨粒性磨損，提高船舶傳動系統(tǒng)質(zhì)量；船用齒輪箱設(shè)計中，還應(yīng)該避免齒面點蝕的發(fā)生，計算出齒面接觸疲勞強度，提高齒面硬度與光潔度；對于在高速重載傳動中的船舶傳動系統(tǒng)，也應(yīng)該做好齒面膠合設(shè)計，避免膠合破壞的產(chǎn)生，降低船用齒輪箱失效事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

綜上所述，在船舶建造行業(yè)中，為提高船舶傳動系統(tǒng)的可靠性及齒輪箱的可靠性，對船用齒輪箱進行失效分析中，可以建立基于模糊可靠性的故障樹，并能夠根據(jù)用戶及工程技術(shù)人員提供的模糊信息，并根據(jù)模糊故障樹理論分析船用齒輪箱的模糊可靠性，以便找到不同置信水平中發(fā)生船用齒輪箱故障的概率區(qū)間，降低船用齒輪箱發(fā)生失效事故的幾率。

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作者簡介：李振男（1978—），男，浙江杭州人，杭州前進馬森船舶傳動有限公司工程師，研究方向：船用齒輪箱、可調(diào)螺旋槳。