系统可靠性设计论

课程大作业2015～2016学年第2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.绪论..................................................................................................................32.大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立.....................................33.大功率风电机用变桨驱动器的FMECA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.大功率风电机用变桨距驱动器的FTA分析....................................................84.1故障树的建模.....................................................................................................84.2故障树的分析.....................................................................................................95.系统可靠性预计..............................................................................................116.系统可靠性分配..............................................................................................127.结论.................................................................................................................14参考文献：.........................................................................................................1531.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.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,sR为系统的可靠度,iR为零件i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：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.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：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。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8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