大型掘進機主驅動軸承系統失效風險評估

靳東亮,王高峰,程永龍,狄正賢,魏世忠

(1.河南科技大學 材料學院,河南 洛陽 471023; 2.金屬材料磨損控制與成型技術國家地方聯合工程研究中心,河南 洛陽 471023; 3.龍門實驗室,河南 洛陽 471023;4.洛陽軸研科技有限公司,河南 洛陽 471039;5.中鐵工程裝備集團有限公司,鄭州 450016;6.中國科學院 蘭州化學物理研究所,蘭州 730000;7.鄭州輕工業大學,鄭州 450000)

1 概述

大型掘進機是隧道施工機械,利用主驅動軸承支承回轉刀具破碎軟土地層或地層圍巖,從而掘進并形成隧道。主驅動軸承運行工況惡劣,可靠性要求高,研制難度大,目前主要依賴進口,每年進口費用達10多億元,其自主化研制與可靠應用已成為我國大型掘進機國產化進程中典型的“卡脖子”問題[1]。歐美等發達國家已形成大型掘進機主驅動軸承設計、制造技術體系:德國RotheErde在主驅動軸承的精密制造技術方面已經實現8米級主驅動軸承的制造;瑞典SKF研制出大型軸承動態性能試驗臺,可實現7米級大型軸承的動態性能測試。國內軸承企業及機構針對掘進機主驅動軸承相關技術進行了研究[2]:洛陽LYC軸承有限公司突破了3米級主驅動軸承制造技術;洛陽軸承研究所有限公司研制了土壓平衡盾構機用主軸承并在長沙地鐵項目中得到應用;中鐵裝備掌握了主驅動軸承的集成應用技術并積累了豐富的工程應用經驗[3]。

國內企業雖然在3米級主驅動軸承設計制造方面取得了一定成果,但在大型掘進機主驅動軸承高承載設計、高精密加工等方面與國外仍存在差距,而且對主驅動軸承應用過程中的失效風險缺乏全面的評估研究,亟需開展相關研究[4]。大型掘進機主驅動軸承一般為三排圓柱滾子轉盤軸承(圖1),尺寸較大,直徑甚至大于6 m,制造周期長且運輸困難。主驅動軸承一旦發生早期失效將導致整套設備停機,而洞內維護處理的難度極大,會嚴重延誤施工工期,造成嚴重的工程損失[5]。因此,全面進行主驅動軸承系統應用的失效風險因素評估,對于建立科學的主驅動軸承維護保養規范、保障主驅動軸承的安全可靠應用具有重要意義。

圖1 三排滾子主軸承截面示意圖

本文結合以往大型掘進機主驅動軸承工程實踐應用中的經驗,通過失效因素和模糊數學方法對主驅動軸承系統的失效風險因素進行評估分析,為大型掘進機主驅動軸承系統的研制與應用維護措施的制訂提供支持。

2 失效與模糊分析

失效評估是系統失效管理的核心階段,對失效因素識別和因素控制起到承上啟下的作用,也為科學的失效風險管理與控制提供可靠的依據與佐證。常用的失效風險評估模型包括:故障樹(FAT)、失效模式及影響分析(FMEA)、模擬仿真法、排隊論方法、概率評估方法(PRA)[7]。對于主驅動軸承,主要針對技術特征失效因素進行建模,利用故障樹研究需要全面掌握主驅動軸承部件、密封結構以及人員和環境信息,分析難度大且成本高；模擬仿真法的初始條件難以確定,仿真精度受諸多因素的制約,較難控制；排隊論方法的預測模型運算過程比較繁瑣，編程以及程序運行耗時較多，且模型中復雜因素較多時易產生與實際情況不符的結果；概率評估方法能較好結合定性與定量分析，但建模難度大,需要投入較多的人力、物力對數據進行統計測評,實際應用的難度較大。

FMEA是對產品開發過程中潛在問題予以分析的方法,直接結果是跨功能小組的集體知識的文件化,其中評估部分最重要的是對潛在失效導致的風險進行討論，與系統風險和安全相關的因素應給予優先闡述以及控制權[8]。因此，本文基于FMEA，結合模糊數學分析與層次分析，建立主驅動軸承系統失效因素風險評估模型，利用改進的FMEA方法對失效因素進行評估，將主驅動軸承系統失效因素以故障類型和故障致因進行排序，找到導致失效的關鍵因素并針對性地管理[8]，為主驅動軸承系統應用的風險管控提供支持。

3 主驅動軸承系統失效風險模糊分析

3.1 機械系統失效風險模糊綜合評估

機械系統失效風險模糊綜合評估步驟如圖2所示[9-10],具體步驟為:

圖2 一般機械系統失效風險模糊綜合評估步驟

1)確定失效風險論域U和失效風險評估等級論域集合V,即

U={u1,u2,u3,…,un},

(1)

V={v1,v2,v3,…,vn}。

(2)

W={w1,w2,w3,…,wn};∑w=1且w>0,

(3)

(4)

采用層次分析法得到系統各因素的權重。

3)確定失效風險因素序數(RPN),可表示為

TRPN=SSSOSD,

(5)

式中:SS為嚴重度;SO為發生頻率;SD為可探測度。SS,SO,SD為正整數,取值范圍為1～10,其值根據行業專家打分調查取平均值確定。

(6)

(7)

(8)

6)確定二級系統失效因素排序論域Fi,即

(9)

對fij進行排序可得第i個二級系統中因素的失效順序。

(10)

(11)

8)確定一級系統失效因素排序論域F,即

(12)

對fi進行排序得到第i個一級系統中因素的失效順序。

3.2 主驅動軸承系統失效因素模糊分析

為在大型掘進機運行過程中對主驅動軸承進行合理的風險評估,針對評估結果制定科學有效的軸承保養維護計劃。根據以往經驗,對主驅動軸承系統出現的失效因素進行模糊數學分析并建立失效因素層次結構圖,如圖3所示。

圖3 主驅動軸承系統失效因素的層次結構

首先,建立失效風險論域U={u1,u2,u3},其中u1,u2,u3分別為因素失效的概率,失效后被檢測的難易程度以及失效后導致的主驅動軸承系統危害性;建立失效風險評估等級論域集合V={0.1,0.4,0.7,1.0}T,分別對應于很難失效、較易失效、容易失效、極易失效。

其次,通過層次分析法[11]確定一級系統和二級系統因素的權重集,即W={0.350 7,0.474 5,0.174 6},W1={0.152 4,0.096 7,0.477 1,0.273 9},W2={0.285 6,0.074 3,0.639 9},W3={0.175 4,0.313 1,0.216 8,0.295 4};選取大型掘進機主驅動軸承制造與應用行業的10名專家,進行問卷調查并對調查數據取平均值確定S的數值,從而得出失效風險因素序數表,見表1。

表1 主驅動軸承系統失效風險因素序數表

然后,根據隸屬度函數定義,對連續單因素,采用隨機區間F函數四項分布形式描述其通用隸屬度函數[12],即

(13)

式中:Γ(x)為失效因素的隸屬度函數;ε為根據SS,SO,SD的期望值確定的參數,ε1<ε2<ε3;μ為根據SS,SO,SD的標準差確定的參數。

表2 失效因素隸屬度函數參數表

表3 失效因素隸屬度

則二級系統中失效因素排序論域Fi為

F2={0.514 8,0.327 0,0.436 8}T,

F3={0.301 2,0.298 5,0.406 0,0.325 2}T,

對Fi中的評估數值按照大小排序可得各二級系統中因素從大到小的失效風險,如軸承部件失效因素排序為滾道面、滾子、內齒圈、保持架;油脂密封系統失效因素排序為密封圈、螺栓、潤滑油脂;機電系統失效因素排序為機械備件、電氣設備、殼體、螺栓孔。

C1={0.365 0,0.158 9,0.218 8,0.246 1}T,

F={0.499 3,0.450 8,0.330 1}T,

對F論域中的評估數值按照大小排序可得一級系統中3個因素的失效風險順序,即軸承部件、油脂密封系統、機電系統。因此,基于FEMA和模糊分析方法對主驅動軸承進行系統失效風險評估的結果表明,軸承部件的失效風險最大,應給予更多的注意與管控。

4 主驅動軸承系統部件失效統計

為更加準確地評估主驅動軸承系統的失效風險,統計了國內外大型掘進機主驅動軸承失效案例[13-27]并調研了相關制造、應用企業,主驅動軸承系統的失效因素分布以及失效形式的概率分布如圖4所示:滾道表面的銹蝕、磨損和壓痕損傷在主驅動軸承失效形式中占比最高;其次是密封結構老化或損傷,密封失效極易使硬質顆粒進入潤滑油脂,導致潤滑油脂劣化并使軸承部件出現壓痕與磨損失效;滾道和滾子表面的剝落與劃傷失效占比較小,其與密封結構失效和運行工況有密切關系;滾子、滾道和齒面的裂紋在主驅動軸承故障失效中的占比很小,但其危害卻最嚴重,裂紋進一步發展會導致大面積剝落甚至齒面斷裂,嚴重影響主驅動軸承的正常運行。

(a) 失效因素分布

統計分析結果與主驅動軸承系統的FMEA結果基本一致,驗證了FMEA方法的有效性,也進一步說明,在主驅動軸承應用過程中應該對軸承部件給予更多的重視,制定嚴格的維護保養規范,而且也應加強對密封圈的檢查維護,保證密封系統的正常運行。

5 結束語

本文通過失效因素和模糊數學方法對大型掘進機主驅動軸承系統的失效風險因素進行評估分析,將失效風險按從大到小進行排序,軸承部件失效因素排序為滾道面、滾子、內齒圈、保持架,油脂密封系統失效因素排序為密封圈、螺栓、潤滑油脂,機電系統失效因素排序為機械備件、電氣設備、殼體、螺栓孔。

失效與模糊分析的結果與工程應用中失效的主驅動軸承案例統計結果基本一致,軸承部件的失效風險更高,其中滾道面的失效概率最高。因此,在大型掘進機主驅動軸承的工程應用中,需要對軸承部件和密封進行重點關注與防護,采取針對性的維保措施以防止其早期失效,從而提高主驅動軸承的服役性能和壽命。