基于FTA和FMEA的罩極電機可靠性分析

陳俊齊，吳英明，張威，盧葦

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

罩極電機構造簡單、成本低，廣泛用于小家電產品，但由于起動轉矩小，效率低，運轉可靠性受負載、電壓和溫度影響較大。沈琴等[1]對罩極電機常見故障及排除方法進行研究，對罩極電機支架結構選型張顯亮[2]進行相關研究，但由于在滾筒洗干機一體機上工作環境復雜惡劣，容易因其組件故障而引起整機烘干失效，因此對洗烘一體機使用的罩極電機可靠性問題是目前亟需解決的問題。

針對罩極電機可靠性問題，常規方式需要經過多臺樣機耗費長時間壽命試驗提升產品可靠性，賀孝珍[3]對機械零部件可靠性工程技術研究，李良巧[4]等對可靠性設計方法進行詳細論述。通過以上文獻研究，本文提出應用故障樹分析（FTA）和故障模式及影響分析（FMEA），兩者相結合的方法來研究罩極電機可靠性，以“事前預判”手段解決罩極電機在滾筒洗干一體機使用環境可能出現的事故隱患和故障，采取相應的改進設計措施降低罩極電機故障風險，為提高罩極電機可靠性水平提供參考借鑒。

1 罩極電機基本結構

罩極電機以220 V市電為電源，不用外加啟動電容和繼電裝置即可起動，主要分為集中繞組式和分布繞組式兩種，本文以集中繞組式電機作為可靠性研究對象。結構上一般由轉子組成部分、定子組成部分、線包組成部分、支撐組成部分共同構成。轉子組成部分一般由鑄鋁轉子座、軸和阻止轉子前后竄動的止推墊圈，和調整竄動量的墊片組成；定子組一般由短路環與主定子鐵芯構成；線包組一般由線圈、骨架、引接線或熱保護器及相關絕緣包扎材料組成；支架組按照軸伸端和非軸伸端安裝部位不同，分為前支架組成部分和后支撐組成部分

2 罩極電機運行風險分析方法

關于FTA和FMEA兩種問題方法的側重方式，前者針對失效模式的邏輯演化找出事件的所有可能原因，后者重點對問題的失效模式及影響進行分析找出失效情況所有后果。對于罩極電機運行期間潛在問題的分析以及風險因素對于失效模式的重要度，若只取其中一種方法，分析過程不能做到兩者兼顧，只有將FTA和FMEA結合起來，在診斷階段，用FTA分析失效模式演繹過程，然后用FMEA對系統的失效模式及影響分析進行評價，兩者互相補充，構成一個有機整體，對罩極電機可靠性進一步提升。

3 罩極電機FTA

通過試驗方法對罩極電機停機問題進行研究和解決是常用的手段，能有效降低罩極電機因停機失效的質量缺陷，然而試驗法只能對罩極電機可靠性做局部分析，無法全面有效分析導致系統故障的全部原因。借助故障樹分析（fault tree analysis，FTA）可以對電機的停機故障進行預測和診斷，將問題進行倒推找出導致問題的原因[5]。有助于分析電機的薄弱環節找出導致電機故障的原因，提高罩極電機使用可靠性。

3.1 罩極電機故障樹的建立

根據罩極電機結構設計、物料狀態以及組件裝配差異進行分析，對可能造成烘干期間電機停機故障的影響因素進行故障樹分析。

圖1 罩極電機主要結構

排除主繞組接線錯誤或短路問題，罩極電機運轉期間，若定轉子同軸度出現偏差，轉動過程會出現掃膛現象，影響轉子正常轉動，同時伴隨電機噪音增大，直至下一次轉子起動失敗造成罩極電機停機問題，與之相關聯組件為支架組件，主要原因分為滾動軸承活動失效、支架底座裝配失效以及支架結構失效三類，定子以及線包組件對停機無影響，研究方向將集中在支架組件故障。

對滾動軸承活動卡茲進行分析，存在兩種原因：其一，軸承用油脂隨著烘干期間烘干溫度上升，油脂的稠度變小，流動性增加，直至高溫極限達到滴點，油脂變為流體從軸承析出；其二，軸承游隙過大，滾動過程不穩定。

對支架裝配松動進行分析，存在兩種原因：其一，支架定位柱設計外徑尺寸超差，運行過程出現偏位，轉子與定子間有掃膛現象，最終引起電機停機；其二，用于緊固支架的螺釘裝配方式不可靠，長期運行螺釘軸向力減少，出現松動。

對支架結構變形進行分析，存在三種原因：其一，長時間運行熱損耗增加，高溫使得支架出現熱變形，支架材質耐溫性不足；其二，支架來料不良平整度有偏差；其三，支架整體設計強度不足，轉子轉動過程受到的應力過大。

按照上述理論分析，將罩極電機停機作為頂事件（故障樹的結果事件），軸承支架組件故障作為中間事件（位于頂事件以及底事件的結果事件），與轉子停轉事件共同作為電機停機故障發生的必要條件，運用相應的邏輯門符號與頂事件相連接；對軸承支架組件故障深入分析，逐層列出中間事件和底事件（僅導致其他事件的原因事件），建立圖2罩極電機完整的故障樹，圖2中對應的能引起罩極電機停機的底事件代號與底事件的對應關系如表1所示。

表1 故障樹中各代號對應的底事件

圖2 罩極電機故障樹分析圖

3.2 故障樹定性分析

故障樹定性研究的重要目的就是找出由頂事件所產生的各種因素與問題集合,以識別導致頂事件發生各種故障模式，從而有助于判明可能的故障原因，并用以指導故障診斷，為改善系統設計及改增強可靠性。過程中，找出頂事件發生的所有可能的失效模式，即找出能使頂事件發生的原因集合——割集，導致頂事件發生的不可再少的底事件的集合稱為最小割集，針對罩極電機故障樹結構特點，應用下行法對該故障進行分析，求出該故障樹的最小割集[6]。下行法從頂事件開始，逐層向下尋查，找出最小割集。

對罩極電機停機進行故障樹分析，最小割集確認：

最小割集為{X1，X2}，{X1，X3}，{X1，X4}，{X1，X5}，{X1，X6}，{X1，X7}，{X1，X8，X9}，底事件中X1在最小割集中出現頻次為7次，其他各底事件各出現1次，X1為最重要底事件。

底事件X1均為試驗先決條件，且在實際情況中均為不可控條件，故需要從其他底事件中進行篩選，對篩選出的底事件進行改進，以提升其可靠性。

底事件X2-X9中，根據實際運行環境及來料狀態，烘干期間罩極電機運行溫度高，支架溫升偏高不受風機結構功能限制；對于支架來料不合格為極小概率事件，綜合評估改進效果不明顯，故排除X6、X9兩個底事件。

X7（支架強度不足）、X8（鑄鋅合金耐溫不足）與X4(定位柱外徑尺寸偏小)、X5（螺釘緊固失效）以及X2（軸承用油脂析出）、X3（軸承游隙超差）在實際情況中為配合關系，可視為同一因子，按照實際實現優劣程度、成本等綜合評估，取X7、X8、X4、X5作為代表因子。底事件為X4(定位柱外徑尺寸超差)、X5(螺釘緊固失效)、X7（支架結構強度不足）、X8（鑄鋅合金耐溫不足）。

經過對罩極電機進行故障樹分析，得到了罩極電機支架組件故障的主要原因。其中，支架結構強度不足、鑄鋅合金耐不足、定位柱外徑尺寸超差以及螺釘緊固失效為主要影響因素，軸承用油脂析出、軸承游隙超差次之。針對支架結構材料特性以及裝配方式，對罩極電機支架組件進行FMEA分析。

4 罩極電機支架組件的FMEA

故 障 模 式、影 響 分 析（fault modes，effects and analysis)是分析產品中所有潛在的故障模式及對其對產品所造成的所造成的所有可能影響，并提出預防改進措施，從而提高產品的質量與可靠性[7]。通過成立FMEA小組，成員可以由專家、項目管理人員以及有經驗的FMEA專家組成，對產品實施FMEA，發現和評價產品/過程中潛在失效及失效后果，規避或減少產品不良的設計，提高產品質量及可靠性，降低后期產品壽命周期費用。

采取環境試驗方法找出罩極電機所有可能故障數據，在明確故障判據和故障計數原則后，整理分析得到罩極電機支架組件所有故障形式，根據上述數據并結合嚴重度（S）、發生頻度（O）、可探測度（D）的評分等級，得出支架組件FMEA表格如表2所示。

表2 罩極電機支架組件FMEA 表格

表2中，風險優先度（RPN）值等于嚴重度（S）、發生頻度（O）和可探測度（D）三者乘積。風險優先度值越高代表系統發生故障的幾率越高;反之系統中發生故障的幾率就越小。使用RPN針對風險點篩查排序，以便于設計人員通過更合理的設計減少關鍵零部件的影響因素,在合理預防下能應對潛在的系統故障,從而保證了整機的可靠性。

表2中的嚴重度（S）按照支架組件潛在的故障模式對整機影響的后果，將其劃分為4個等級，評分依據細則如表3所示；故障的發生頻度（O）評分依據細則如表4所示；故障的可探測度(D) 評分依據細則如表5所示。

表3 嚴重度（S）評分依據和細則表

表4 發生頻度（O）評分依據和細則表

表5 可探測度（D）評分依據和細則

4.1 罩極電機可靠性提升措施

按照上述對罩極電機FMEA分析結果，針對其潛在的故障模式，建立相應的預防糾正措施，優化結構設計，控制來料狀態，在使用過程中遇到各種故障能夠及時發現并處理，降低因零部件缺陷故障發生引起的整機運行失效概率，提升整機的可靠性，重點從三個方面提出罩極電機可靠性提升措施。

1）罩極電機在滾筒洗干一體機運行環境振動大，長期運行需要對支架組件裝配可靠性有較高要求，普通的螺釘+彈墊緊固方式不滿足設計壽命要求，一段時間后螺釘的彈力減少，容易松動，因此，基于冗余設計，增加平墊可以提高緊固可靠性，同時考慮在洗干機烘干期間，電機周圍溫度高，由于螺釘與被緊固件的熱膨脹系數不同，為了防止螺釘松動，在螺釘位置打上高溫螺紋膠。

2）由于部分地區電力不穩，洗干機又需要在連續的高電流環境工作中，考慮到風機葉輪運轉較長時間之后毛屑的堆積偏心力加大，罩極電機軸承支撐結構需要受到的合力也很大，所以寬厚的支撐結構設計將擁有更良好的工作可靠性，可以防止在一段時間運轉過后支架結構出現變化，從而直接影響轉子和定子之間的氣隙大小，而如果氣隙不均則將加重空氣力學振動，最終定轉子同軸度偏位造成掃膛停機問題。

3）與在其它小家電上使用的罩極電機不同，由于在洗干機烘烤階段中是一種持續性過程，在交集電壓不穩或長時間高壓影響下，罩極電機軸承的支撐附近溫升維持在較高水平，而支架使用材質主要有壓鑄鋁合金、壓鑄鋅合金、鋼材、鋁板等。為適應高溫電機的工作剖面，采用壓鑄鋁合金不但熔煉溫度較高，熱變形較小，適宜在H級高溫罩極電機中使用，提升高溫使用環境的可靠性，避免因為支架熱變形導致電機停機問題。

5 結論

1）通過建立罩極電機的故障樹圖，分析罩極電機停機故障的主要原因由于支架組件失效引起，進一步對故障樹定性分析，確定支架結構強度不足、鑄鋅合金耐不足、定位柱外徑尺寸超差以及螺釘緊固失效是引起支架組件失效的主要因素。

2）運用FMEA對罩極電機支架組件進行失效模式及影響分析，對支架組件主要失效模式提出相應預防解決措施，并通過風險優先級對相關故障進行排列，以更合理預防措施進行可靠性提升。

3）以上基于可靠性理論，通過FTA和FMEA分析為解決罩極電機在滾筒洗干一體機可靠性問題、縮短產品研發周期、提高產品可靠性提供理論依據。