潛在失效分析在軸承設計中的應用

苗澍

（哈爾濱軸承集團公司技術中心，黑龍江哈爾濱150036）

1 前言

隨著風電、精密機械、電機、鐵路等行業的發展，與其相配套的軸承的使用壽命、承載、溫度、轉速等性能要求也不斷提高。為了保證軸承滿足系統使用性能要求，在設計過程中根據工況條件對軸承進行潛在失效分析，通過潛在失效模式后果分析和設計風險評估的方式，找出軸承設計中的潛在危險，識別軸承設計的薄弱環節并提出預防措施，使軸承的結構設計同時具有合理性和先進性，滿足軸承的使用性能要求，保證并提高軸承的壽命和可靠性指標。

2 軸承失效模式

根據以往高性能軸承的失效模式，并且對已有研制經驗的高性能軸承的技術狀態進行摸底，對軸承的工況要求和技術特點進行分析，找出軸承研制的薄弱環節，對影響其疲勞壽命的因素進行分析，并通過技術更新和攻關，克服潛在失效隱患，提高軸承的極限性能。并對失效模式進行分析總結，找出軸承應用過程中的共性問題，包括：（a）系統對軸承工作的影響（過載或零載）；（b）工況是否明確、配合邊界狀態是否合理；（c）是否具備自主設計能力，是否將工況與結構結合起來；（d）國內材料轉入批量生產后，質量存在不穩定情況及與國外軸承材料成分及質量的差距；（e）國外最先進的高性能軸承材料，國內是否有生產應用；（f）軸承的性能要求與工作系統的實際狀態是否有差異。針對以上方面的共性問題并結合高性能軸承的自身特點，采取耐高溫抗疲勞材料、采用滲碳處理、優化軸承內部結構參數等切合實際的應對措施，提高軸承可靠性。可在軸承設計過程中采取措施避免或降低失效發生，失效形式見表1。

3 設計潛在失效模式及后果分析

在設計過程中采取潛在失效模式及后果分析的手段，找到能夠避免或降低這些潛在失效發生的措施。通過潛在的失效模式確定嚴重度、發生度、難檢度值，并計算風險順序數，其關系式為

式中：(S)—表示嚴重度，是潛在設計故障模式影響的嚴重程度等級，嚴重程度分1～10級。

（O）—表示發生度，是對于某已知的故障原因在產品設計壽命期內可能引發的故障頻度的估計值或累積值相對應的等級數值，發生度劃分為1～10級。

(D)—表示難檢度，是在零件開始生產之前，通過有計劃的設計控制，可以檢測到某故障模式由某種原因引發的可能性的比率，難檢度劃分為1～10級。

RPN—風險順序數。

當嚴重度大于6，同時RPN值大于100時，在設計過程中應采取措施，必要時采取變更設計的方式。

4 設計風險評估

風險評估包括三個步驟：風險辨識、風險分析及風險排序。

4.1 風險辨識

風險辨識的任務是找出風險事件。要對軸承設計的各方面、各過程的事件進行考察和辨識，將整個軸承產品分成若干個產品單元，并將產品的實現過程按實際情況分為若干個過程單元，依據產品的每項要求包括使用的條件和性能目標、關鍵的參數等，逐個地考察各個產品單元和各過程單元。確定關鍵的風險區和可能出現問題的單元，通過分解細化到適當的層次，確定出可能對系統、分系統或組成部分產生不利影響的事件即風險事件，并編繪風險事件表（略）。

進行風險辨識的途徑是進行類推比較，汲取過去的經驗和教訓，收集有關信息，進行判斷評價，找出關鍵的風險。設計開發過程中的風險要素包含以下幾個方面：

（1）由產品的使用要求轉化為產品的設計要求

a.對顧客提出的產品使用要求未認真評審和溝通，產品要求規定不當、過粗，設計要求模糊。

b.未明確使用環境要求。

c.設計要求提的太高。

d.設計要求不穩定，常變化。

（2）設計方案及技術途徑

a.方案階段未充分考慮各種影響因素。

b.設計方案或人機界面問題不符合用戶的人力和技能水平。

c.依賴于未經考驗的技術且無替代的方案。

d.項目的成功依賴于最新技術進步。

（3）設計的成熟性和可行性

a.設計采用了未成熟技術或“稀有”材料來滿足性能指標要求。

b.技術未在要求的使用環境下得到驗證。

c.設計指標依賴于復雜的硬件、軟件或綜合設計。

d.建模與仿真未經驗證和確認，未足憑信。

e.軟件設計缺陷，硬、軟件之間系統需求分配不合理。

f.系統不能滿足用戶要求。

g.試圖在較高的應力下使用部件器件。

（4）設計過程的控制

a.沒有或未實施適宜的設計準則、規范和程序。

b.松散的、走過場的設計評審過程，達不到評審的目的。

c.沒有采取所需要的設計手段和分析技術（例：CAD技術、故障模式和影響、可靠性預計等分析）。

d.沒有建立和保持強有力的技術狀態管理系統，隨意更改設計。

e.必要的設計輸出文件不全。

4.2 風險分析及風險排序

風險分析是對辨識出來的各重大風險進一步分析，找出風險的致因，判定可能出現的情況，關鍵過程對最佳慣例（或預期的目標），偏離的程度，確定每一個風險事件發生概率和后果，從而評定風險的大小，制定出風險等級判據，將風險事件發生的概率分為a、b、c、d、e五個等級，將風險一旦發生會造成的后果，分為1、2、3、4、5五個等級，通過專家評審確定每一個風險事件的相關等級。綜合風險事件的發生的概率及后果的多種組合，將風險的大小劃分為三個等級：高風險、中風險及低風險。定量的分析可對發生概率及后果作出量化的權重的規定，建立一些明確的衡量準則，如用失效概率（Pf）和失效后果（Cf）以及其它認為合適的因素，進行定量的比較。

5 結束語

通過潛在失效分析在軸承設計中的應用，避免了軸承設計的不完善或缺陷，降低了設計方案本身可能引入的潛在危險，減少或避免了軸承因設計問題造成的人員傷亡、設備損壞或財產損失等事件的發生，提高了軸承可靠性指標和使用壽命。