可靠性思維在風電橡膠減振部件設計中的運用

劉軍 劉亞慶 劉斐 岳濤 魏川朋

[摘? ? 要] 通過某型風電減振產品的可靠性優(yōu)化設計實例，闡述可靠性設計建模、預計和分配的關系，以及產品設計的可靠性建模、分配和預計的基本方法、步驟以及應該遵循的原則，利用可靠性工具對風電減振產品可靠性指標進行預計和分配，提升產品的可靠性、可用性、可維護性和安全性等性能。

[關鍵詞] 風力發(fā)電;減振部件;可靠性

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 061

[中圖分類號] F273? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）15- 0143- 04

0? ? ? 引? ? 言

可靠性包含可靠性（Reliability）、可用性（Availability），可維護性（Maintainability）和安全性（Safety），簡稱RAMS，起源于20世紀70年代[1]。20世紀從80年代歐洲將其引入軌道交通行業(yè)起，國外在該行業(yè)運用RAMS管理已取得良好成效。風機功率的提升對橡膠減振元件產品使用的全生命周期可靠性要求同步提升。為解決此問題，在風電減振部件設計中系統導入可靠性分析技術，找出產品薄弱環(huán)節(jié)進行改進，以保證系統預定的可靠性要求，降低產品成本及使用風險。

可靠性設計過程通常遵循簡單化、模塊化與標準化、復聯設計、減額定設計、可測試性設計等原則，以某型風電齒輪箱彈性支撐系統為例，展開如下工作。

1? ? ? 風電減振部件RAMS分析

1.1? ?系統、部件分解分級

某型風電齒輪箱彈性支撐系統以組對預壓縮的形式安裝于風電機組齒輪箱兩側，承受齒輪箱扭轉載荷，起減振、緩沖作用。為便于后續(xù)功能、故障分析以及可靠性預計、分配，可靠性設計過程將系統分解為子系統，如表1所示。

1.2? ?構建系統功能框圖

系統功能框圖，是對系統各層次功能進行靜態(tài)分析的基礎，描述系統的功能和各子功能之間的相互關系，以及系統的信息流程[2]。從齒輪箱彈性支撐系統的歷史應用數據分析可知，本次結構改進主要集中在液體復合彈簧子系統中。風電齒輪箱彈性支撐系統功能框圖如圖1所示。

1.3? ?可靠性模型框圖

可靠性框圖給出各單元的故障或他們的組合如何導致產品故障的邏輯關系[2]。根據功能圖分析，風電齒輪箱彈性支撐系統各功能單元與任務有關的主要子系統由上下金屬橡膠復合主簧、橡膠套、底板、堵頭開關、引油帽、高壓軟管和緊固螺栓組成。各功能單元相互不能替代，為串聯模型?？紤]到底板、堵頭開關、引油帽三個部件的功能存在交叉包容，將三個子系統合并為一個子系統整體考慮（如圖2所示）。

經過分析，風電齒輪箱彈性支撐系統的壽命近似服從指數分布。同時，根據歷史設計經驗，我們采用指數分布模型進行可靠性指標分配。串聯模型通過所有子系統故障率的總和計算得到系統的故障率λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5。

1.4? ?故障模式與影響分析

根據 GJB 1391-2006 嚴酷度類別、故障模式概率的定義及等級劃分，以相似產品在過去使用中發(fā)生的故障模式為基礎，依據風電齒輪箱彈性支撐系統的功能框圖、可靠性框圖模型、使用的環(huán)境、結構特點進行分析、預測，分析判斷其可能存在的故障模式，制定、實施相應的風險糾正措施，如表2所示。

2? ? ? 可靠性分配與預計

工程實踐中常用的可靠性分配方法有：評分分配法、比例分配法、拉格朗日分配法、重要復雜度分配法、動態(tài)規(guī)劃法和直接尋査法等[3]?？紤]到此次的風電齒輪箱彈性支撐系統與歷史開發(fā)的齒輪箱彈性支撐系統很相似，且只是對其提出了新的可靠性要求，為此，風電齒輪箱彈性支撐系統的可靠性分配方法采用專家評分法比較符合實際（公式1）。

λi新=Ci*λs新

式中：λs新——新系統的故障率;λi新——分配給新系統中第i個單元的故障率;Ci——分配給新系統中第i個單元的評分系數。

液體復合彈簧的可靠性由產品的失效率λ作為指標，各部件的可靠性分配采用評分分配方法。通過產品質量問題數據平臺的故障數據分析、計算，可得歷史型號液體復合彈簧產品的總失效率為71.34。預留分配安全余量為10%，即可分配的總失效率為64.206 FIT。評分分配考慮的因素通常包括：組成產品的各單元的復雜度、技術成熟度、重要度、工作時間和環(huán)境條件。工程應用中可根據產品特點，增加或減少評分因素。每種因素的分值定義為 1～10 之間。評分分配結果如表3～表7所示。

根據可靠性模型，計算該系統的失效率為

λ=26.291+13.460+18.172+0+0=58.553<71.34

因此，根據可靠性預測，液體復合彈簧能夠滿足要求。

3? ? ? 故障樹分析

將液體復合彈簧故障作為頂層事件，分析所有可能導致產品故障的原因，本例不考慮客戶原因導致的產品故障。

3.1? ?故障樹建立

故障樹及其說明分別如圖3、表9所示。

3.2? ?故障樹分析

由于暫時無法獲得每個基本事件發(fā)生的概率，因此故障樹分析以定性分析為主。根據以上故障樹分析，導致系統故障的最小割集共有7個。從導致頂層事件發(fā)生的可能性來看，七個底層事件重要度相同。但是從導致頂層事件的嚴重度來看，X1、X3、X5、X6的重要度要高于X2、X4、X7 。

根據以上分析結果，7個底層事件任意一個發(fā)生都可能導致液體復合彈簧故障;底層事件X1、X2、X5、X6的重要度要高于X3、X4、X7。在設計校核時已采取措施規(guī)避7個底層事件的發(fā)生。組成液體復合彈簧的5個零部件重要度排序為：主簧>開關底板>橡膠套>高壓軟管>內六角圓柱螺栓。

4? ? ? 可靠性試驗驗證

完成結構設計后進行產品試制，隨機抽取2組產品進行組裝疲勞試驗，疲勞試驗時，旁邊增加軸向載荷，在200萬次強化疲勞試驗后均完好，無產品開裂、液體泄漏情況，滿足壽命和使用要求。同時抽取了2組產品進行了96小時極限加載試驗及偏轉試驗，拆卸24小時后產品橡膠厚度變形量僅為0.05mm，且無產品開裂、液體泄漏情況。

5? ? ? 結? ? 語

通過系統地對風電齒輪箱彈性支撐系統開展可靠性設計，應用失效數據統計表、故障樹分析、可靠性試驗及可靠性預計等RAMS工具，分析、計算客戶所要求的產品可靠性水平，分析產品的失效類型，可以清晰地了解與識別影響產品的安全性與可靠性的故障及關鍵零部件，找岀產品可靠性的瓶頸與薄弱項（點），對結構設計進行優(yōu)化設計及驗證，提升產品的可靠性。

主要參考文獻

[1]CENELEC.EN 50126：1999 Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）[S].1999.

[2]李良巧. 可靠性工程師手冊[M].北京：中國人民大學出版社， 2012.

[3]董錫明. 軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009.