綜合傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速和溫度傳感器FMECA分析

鄭長(zhǎng)松，馮毓慶，汪 宇，何春平，黃靜秋

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湘潭411100)

綜合傳動(dòng)裝置電控系統(tǒng)作為履帶車輛中的高度集成系統(tǒng)，不僅對(duì)車輛的動(dòng)力性和可靠性有直接影響，而且對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上的機(jī)動(dòng)性以及承載人員生命安全都有非常重要的影響[1].傳感器作為電控系統(tǒng)中必不可少的一部分，不僅可以實(shí)時(shí)采集和讀取車輛行駛的相關(guān)信息，同時(shí)也影響著車輛換擋時(shí)刻的選擇，動(dòng)力性的發(fā)揮，是綜合傳動(dòng)裝置的“神經(jīng)”[2].電控系統(tǒng)傳感器發(fā)生故障將直接影響綜合傳動(dòng)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致履帶車輛失去戰(zhàn)場(chǎng)上的主動(dòng)性.因此，對(duì)電控系統(tǒng)中傳感器的可靠性進(jìn)行相關(guān)研究和分析，是保障車輛正常運(yùn)行和進(jìn)行高強(qiáng)度復(fù)雜工況作業(yè)的前提[3].

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)車輛電控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的分析與研究.張偉[4]以機(jī)械式自動(dòng)變速電控系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)為例,系統(tǒng)介紹了自動(dòng)變速電控系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究的內(nèi)容和方法,闡述了汽車故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向.余卓平[5]研究了電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題，表明集成電控是協(xié)調(diào)多個(gè)動(dòng)力學(xué)控制的有效途徑.果大同[6]在俄569A綜合傳動(dòng)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并提出了一套切實(shí)可行的電控改進(jìn)方案.雷煌[7]結(jié)合電控系統(tǒng)中減壓閥輸出特性和發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，研究出適合特種車輛工作環(huán)境的防爆智能電控系統(tǒng)，提高了整車的動(dòng)力性和操作舒適性.本研究以某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置電控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速和溫度傳感器為研究對(duì)象，根據(jù)其在定型試驗(yàn)和樣車使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行全面的FMECA分析，并針對(duì)主要問(wèn)題作出優(yōu)化與改進(jìn).最后，在整個(gè)可靠性鑒定試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速和溫度傳感器未發(fā)生任何故障，有效提升了其可靠性.

1 FMECA分析原理

故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis，簡(jiǎn)稱FMECA)是工程應(yīng)用中最常用的可靠性分析方法之一，它是指分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)所造成的所有可能的影響，并按每一種故障模式發(fā)生的概率、檢測(cè)的難易程度以及其危害程度予以分類的一種歸納分析方法[8].FMECA的目的是通過(guò)系統(tǒng)分析，確定產(chǎn)品、零部件、設(shè)備等在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中所有可能的故障模式及其原因和影響，以便找出潛在的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施.FMECA分析方法由故障模式、影響分析(FMEA)及危害性分析(CA)兩部分組成，F(xiàn)MEA屬于定性分析，而CA是在FMEA的基礎(chǔ)上依靠一定數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析.因FMECA實(shí)用、高效的分析特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、電氣、機(jī)械和汽車等工業(yè)領(lǐng)域[9].

綜合傳動(dòng)裝置電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)承擔(dān)著為履帶裝甲車輛傳遞動(dòng)力和改變速度的重要任務(wù)，要運(yùn)用FMECA方法對(duì)其中的傳感器進(jìn)行可靠性分析，必須首先選擇合理可行的FMECA方法[10].FMECA有硬件分析法、功能分析法,等等.考慮到某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置電控系統(tǒng)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)資料比較完備以及分析的嚴(yán)密性，故選取硬件FMECA方法對(duì)其進(jìn)行分析.對(duì)于CA分析，由于危害性矩陣圖法能將每一種故障模式的危害性程度直接在矩陣圖上表示出來(lái)，更為簡(jiǎn)明直觀，比較適用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的分析，因此本研究選取危害性矩陣圖法進(jìn)行CA分析.

2 轉(zhuǎn)速傳感器FMECA分析

2.1 概要說(shuō)明及任務(wù)剖面

轉(zhuǎn)速傳感器用于采集綜合傳動(dòng)裝置上三軸和變矩器渦輪的轉(zhuǎn)速.三軸轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)CAN總線上傳至駕駛員任務(wù)終端并轉(zhuǎn)換成車速信息.同時(shí)，三軸轉(zhuǎn)速信號(hào)也影響液力變矩器自動(dòng)解/閉鎖功能的控制.因此，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障，則會(huì)引起變矩器異常的解/閉鎖操作，導(dǎo)致?lián)p壞傳動(dòng)鏈上的薄弱環(huán)節(jié).

由于轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)較小，故將機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)整合在一起進(jìn)行分析，其功能框圖如圖1所示.轉(zhuǎn)速傳感器的貯存和工作溫度分別為-43～70 ℃，-43～120 ℃.

圖1 轉(zhuǎn)速傳感器功能框圖

2.2 FMECA分析

FMECA工作量的大小以及分析結(jié)果的有效與否都直接由約定分析層次決定.適當(dāng)?shù)募s定分析層次不僅能減輕FMECA的工作量，更有助于找出系統(tǒng)中的缺陷及薄弱環(huán)節(jié).可靠性框圖用于表示產(chǎn)品各個(gè)單元故障如何導(dǎo)致產(chǎn)品故障的邏輯關(guān)系，即產(chǎn)品中任一單元發(fā)生故障后，導(dǎo)致產(chǎn)品需要進(jìn)行維修或更換的邏輯關(guān)系，故其為串聯(lián)模型.根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器工作原理和各零部件功能，轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)層次和可靠性框圖分別如圖2、圖3所示.

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)層次

圖3 轉(zhuǎn)速傳感器可靠性框圖

2.2.1 故障模式與影響分析(FMEA)

轉(zhuǎn)速傳感器的可靠性指標(biāo)要求為平均無(wú)故障間隔時(shí)間1 000 h.根據(jù)前期轉(zhuǎn)速傳感器在使用中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可靠性增長(zhǎng)分析，確定其可靠性增長(zhǎng)重點(diǎn)子單元為殼體和緊固結(jié)構(gòu).轉(zhuǎn)速傳感器殼體和緊固結(jié)構(gòu)對(duì)變速箱機(jī)構(gòu)影響較大，特別是殼體斷裂和緊固結(jié)構(gòu)松動(dòng)造成的零部件脫落，將嚴(yán)重影響變速機(jī)構(gòu)的可靠性.根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器使用和定型試驗(yàn)過(guò)程中的故障情況，按照統(tǒng)一的故障模式編碼，得到如表1所示的轉(zhuǎn)速傳感器FMEA表.

表1 某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速傳感器FMEA

續(xù)表1

2.2.2 危害性分析(CA)

根據(jù)表1的FMEA分析，得到如圖4所示的轉(zhuǎn)速傳感器危害性矩陣圖，共22種故障模式，其中嚴(yán)酷度III類5種，嚴(yán)酷度Ⅳ類17種，無(wú)嚴(yán)酷度I、Ⅱ類.針對(duì)可能出現(xiàn)的危害性情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，并對(duì)加工質(zhì)量和裝配工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，如加強(qiáng)外殼的檢驗(yàn)，選用高強(qiáng)度的接插件和緊固結(jié)構(gòu)材料并在緊固時(shí)涂覆螺紋緊固劑以防止螺釘松動(dòng)或脫落，這樣可以有效提升轉(zhuǎn)速傳感器的可靠性.

圖4 轉(zhuǎn)速傳感器危害性矩陣圖

3 溫度傳感器FMECA分析

3.1 概要說(shuō)明及任務(wù)剖面

某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置利用金屬鉑自身的溫度特性，通過(guò)鉑電阻溫度傳感器(簡(jiǎn)稱溫度傳感器)來(lái)檢測(cè)變矩器出口油溫，其功能框圖如圖5所示.當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度.溫度傳感器的貯存和工作溫度分別為-43～70 ℃，-43～150 ℃.

圖5 溫度傳感器功能框圖

3.2 FMECA分析

根據(jù)溫度傳感器的工作原理和各零部件功能，可得溫度傳感器的結(jié)構(gòu)層次和可靠性框圖分別如圖6、圖7所示.最低約定層次包括電氣結(jié)構(gòu)中的PT1000鉑電阻和機(jī)械結(jié)構(gòu)中的外殼、壓塞、插座、纖維板墊圈和橡膠墊圈.

圖6 溫度傳感器結(jié)構(gòu)層次

3.2.1 故障模式與影響分析(FMEA)

溫度傳感器的可靠性指標(biāo)要求為平均無(wú)故障間隔時(shí)間1 000 h.根據(jù)溫度傳感器在使用中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可靠性增長(zhǎng)分析，確定其可靠性增長(zhǎng)重點(diǎn)子單元為殼體.溫度傳感器殼體對(duì)變速箱機(jī)構(gòu)影響較大，特別是殼體斷裂造成的零部件脫落，將嚴(yán)重影響變速機(jī)構(gòu)的可靠性.根據(jù)溫度傳感器使用和定型試驗(yàn)過(guò)程中的故障情況，按照統(tǒng)一的故障模式編碼，得到溫度傳感器的FMEA如表2所示.

圖7 溫度傳感器可靠性框圖

表2 某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置溫度傳感器FMEA

3.2.2 危害性分析(CA)

由表2中的FMEA分析，得到如圖8所示的溫度傳感器危害性矩陣圖，共7種故障模式，其中嚴(yán)酷度III類1種，嚴(yán)酷度Ⅳ類6種，無(wú)嚴(yán)酷度I、Ⅱ類.針對(duì)可能出現(xiàn)的危害性情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，如加強(qiáng)外殼和原材料檢驗(yàn)、將外殼接口處退刀槽改為錐形結(jié)構(gòu)等措施，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品的加工質(zhì)量和裝配工藝加強(qiáng)控制與管理.

圖8 溫度傳感器危害性矩陣圖

4 結(jié) 論

針對(duì)某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置電控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速和溫度傳感器，對(duì)其在車輛運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種故障和可能引起的后果進(jìn)行了全面的FMECA分析，并針對(duì)轉(zhuǎn)速和溫度傳感器各自存在的主要問(wèn)題作出了優(yōu)化與改進(jìn).最后，在整個(gè)可靠性鑒定試驗(yàn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速和溫度傳感器未發(fā)生任何故障.