牽引電機的失效模式、影響與危害度分析

□ 姚文怡 □ 余建波

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 上海201804

隨著我國城市軌道交通的快速建設(shè)，國內(nèi)市場對軌道交通設(shè)備的需求量也呈現(xiàn)顯著增長。由于軌道交通設(shè)備與乘客接觸較多，一旦出現(xiàn)事故不僅會影響地鐵公司的運營效率，還將危及乘客的生命安全?？煽啃愿叩臓恳姍C［1］在使用中不僅能保證實現(xiàn)其性能，而且故障不易發(fā)生，安全性能夠得到很好的提高，同時，昂貴的維修費用也會隨之大幅下降。

可靠性［2-3］是指牽引電機在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的概率?？煽啃缘陌l(fā)展史，就是不可靠的教訓(xùn)史。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對牽引電機的可靠性提出越來越高的要求，可靠性的發(fā)展已到觀念更新、新的可靠性設(shè)計技術(shù)不斷產(chǎn)生的階段。因此，不斷更新對可靠性的認(rèn)識，研究積累可靠性的分析方法是非常必要的。

1 FMEA/FMECA方法簡介

FMEA/FMECA（失效模式與影響分析/失效模式、影響與危害度分析）［4-5］是一種可靠性分析技術(shù)，用來分析產(chǎn)品可能和潛在的失效模式，確定故障的相對嚴(yán)酷度和發(fā)生概率，以及產(chǎn)品在交付使用前發(fā)現(xiàn)故障的可能性。應(yīng)用FMEA/FMECA方法，可判斷對產(chǎn)品性能有重大影響的失效模式，并針對發(fā)現(xiàn)的問題提出改進的措施，再通過最后改進設(shè)計來消除或減少那些潛在的設(shè)計缺陷。通常FMECA應(yīng)與產(chǎn)品的設(shè)計過程同時進行，并應(yīng)盡可能早地進行。隨著新信息的增加，在設(shè)計、樣機研制和驗證中重復(fù)進行和不斷改進。FMECA是在FMEA的基礎(chǔ)上再增加一層判斷故障模式影響的危害程度等級，使分析量化。因此FMECA可以看成是FMEA的一種擴展與深化。FMEA和FMECA均致力于在實際使用中找出對系統(tǒng)性能有顯著影響的各種故障及相關(guān)因素，通常FMEA只用于定性分析，而FMECA中的危害度分析可以進行定量分析。

筆者針對某電機公司的ABC系列牽引電機在設(shè)計、生產(chǎn)、售后過程中的一些關(guān)鍵點，采用FMECA方法找出其中重要的故障模式，對危害度比較高的部分提出改進建議和措施，并在整個設(shè)計生產(chǎn)中不斷優(yōu)化改進。

2 結(jié)構(gòu)分析

電機是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。筆者研究對象是一款剛剛進入批量試生產(chǎn)的ABC系列牽引電機產(chǎn)品，其設(shè)計的可行性、生產(chǎn)地穩(wěn)定性等不是很成熟，因此在批量試生產(chǎn)階段，詳細地分析和解決潛在問題是必不可少的。

ABC系列牽引電機的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。ABC系列電機主要功能如下：①以軸承和殼體端蓋為主的支撐功能結(jié)構(gòu)保證電機系統(tǒng)的可靠運行；②以定子和轉(zhuǎn)子為核心的旋轉(zhuǎn)磁場結(jié)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)換為機械能；③ 連接功能、密封功能、冷卻功能和監(jiān)測功能等一系列其它輔助功能。

但剛剛進入批量試生產(chǎn)的ABC系列牽引電機不斷出現(xiàn)的功能失效使客戶投訴，甚至退貨率不斷升高，導(dǎo)致公司的運營和售后服務(wù)成本大大高于預(yù)算。企業(yè)高層管理已經(jīng)深刻意識到，企業(yè)生存不僅僅需要創(chuàng)新，還需要科學(xué)的可靠性設(shè)計。

3 失效分析

ABC系列牽引電機在設(shè)計和生產(chǎn)過程中發(fā)生了許多失效，如傳遞扭矩不足、支撐部件斷裂、連接失效等。

在部件間（或單元組成）由于各種原因，連接失效的比例高達50%以上，因此，對這部分的可靠性分析顯得非常重要。

ABC系列牽引電機連接形式主要有三種：①焊接連接；②過盈配合（或類似）連接；③螺紋連接。在連接失效中，焊接連接的失效超過40%，因此著重對焊接連接的失效進行分析。

焊接［6］是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其它熱塑性材料的技術(shù)。

由于焊接方法、焊接設(shè)備和焊接材料的不同，因此焊接設(shè)計和工藝流程會有很大的不同［7］。 然而，不同工藝流程會大大影響失效的發(fā)生概率，所以，提高焊接質(zhì)量和安全可靠性，嚴(yán)格把控生產(chǎn)過程，減少焊接工藝問題導(dǎo)致的故障是當(dāng)務(wù)之急。同時，要不斷提高焊接機械化和自動化水平，進一步提高焊接生產(chǎn)水平，改善焊接衛(wèi)生安全條件。這樣便從源頭上改善了焊接生產(chǎn)工藝環(huán)境，大大降低了故障的發(fā)生概率。

▲圖1 ABC系列牽引電機外觀結(jié)構(gòu)

▲圖2 ABC系列牽引電機功能結(jié)構(gòu)圖

4 FMEA/FMECA方法分析

4.1 FMEA分析

在鐵路行業(yè)，無論是焊接設(shè)計還是焊接工人的實際操作，都需要獲得相應(yīng)的資格認(rèn)證。與此同時，每個生產(chǎn)單位或是研發(fā)基地都必須參加每年一次的強制認(rèn)證。因此“驗證，改善，再驗證，再改善”的循環(huán)過程不但適用于一條焊縫，也適用于一個焊接部件，甚至是整個項目。

運用FMEA分析方法，對ABC系列電機的不同位置焊縫的故障模式、故障原因、故障影響及其對應(yīng)的影響級別進行統(tǒng)計，分析焊接連接失效情況，具體見表1。

焊接連接失效影響級別可分為四個級別。

（1）重大故障：列車停止，不能再移動。

（2）主要故障：火車可以開車到下一站，而后乘客離開火車前往安全地點。

（2）次要故障：列車可正常維修。

（3）可忽略故障：列車可正常運行，以備報告。

可見，不同的故障模式和原因會產(chǎn)生不同級別的故障影響級別。一般對擁有四臺以上牽引電機驅(qū)動的列車，一些失效在一定情況下是可以被接受的。但是，這并不是設(shè)計和生產(chǎn)交付的初衷，更不是能讓客戶接受的解釋。

對表1中影響級別為主要和重大項目的相應(yīng)故障原因和模式做進一步分析，而對于次要項目，由設(shè)計人員自定或者根據(jù)項目合同規(guī)定做進一步的分析。

表1 焊接連接失效分析

4.2 嚴(yán)酷度分析

為了劃分不同故障模式產(chǎn)生最終影響的嚴(yán)酷度［8］，在進行故障影響分析之前，一般需要對最終影響的后果等級進行預(yù)定義，從而對系統(tǒng)中各故障模式按其嚴(yán)酷度進行分析。嚴(yán)酷度等級（嚴(yán)酷度類別）定義應(yīng)考慮到故障所造成的最壞的潛在后果，并根據(jù)最終可能出現(xiàn)的人員傷亡、系統(tǒng)損壞或經(jīng)濟損失的程度來確定。表2給出了ABC系列牽引電機根據(jù)項目要求所規(guī)定的嚴(yán)酷度等級。

發(fā)生的概率等級用于評定某一特定故障原因?qū)е履彻收夏Ｊ綄嶋H發(fā)生的可能性，ABC系列牽引電機項目要求所規(guī)定的發(fā)生概率等級的評分準(zhǔn)則見表3。

4.3 危害度分析

4.3.1 危害性矩陣

危害性矩陣是在某一特定嚴(yán)酷度等級下，根據(jù)不同發(fā)生概率定義的分析方法［9］，這種方法的優(yōu)點是快速、直觀。經(jīng)過客戶審核過的ABC系列牽引電機項目的危害性矩陣見表4。

表2 ABC系列牽引電機嚴(yán)酷度等級

表3 ABC系列牽引電機發(fā)生概率等級

表4 ABC系列牽引電機危害性矩陣

表4中的危害性等級如下。

（1）不可容忍的風(fēng)險：一定要排除的風(fēng)險。

（2）不可接受的風(fēng)險：若采取風(fēng)險減小措施達不到要求，必須與客戶達成一致，才能接受此風(fēng)險。

（3）可被容忍的風(fēng)險：能足以控制風(fēng)險并被客戶同意時，可被接受。

（4）可被忽略的風(fēng)險：在沒有達成一致的情況下就可以被接受的風(fēng)險。

對于危害性矩陣的分析，可根據(jù)數(shù)據(jù)的累計、研發(fā)設(shè)計人員和工廠實際操作人員的頭腦風(fēng)暴，在項目初期就大致確定出危險故障模式。

選取表1中影響級別重大和主要的故障模式進行分析，得到ABC系列電機危害性矩陣判定表，見表5。

表5 ABC系列牽引電機危害性矩陣判定表

根據(jù)表5的判定，對不可接受的兩個故障模式進行可靠性計算和分析。

4.3.2 可靠性計算

ABC系列牽引電機目前正處在批量試生產(chǎn)階段，據(jù)統(tǒng)計，大約70%的失效問題可在這個階段被發(fā)現(xiàn)。

筆者根據(jù)故障模式、故障原因、故障影響及危害度分析，選取了100臺試驗電機作為項目樣本進行計算。試驗過程共進行了1年多，實際計算時記為10 000 h，具體分析計算如下。

（1）故障模式。故障模式指故障的表現(xiàn)形式，即對產(chǎn)品所發(fā)生的、能被觀察或測量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范描述［10-11］。

（2）故障模式頻數(shù)比αj。對于某種故障模式j(luò)，故障模式頻數(shù)比αj表示某一故障模式數(shù)量nj在部件全部故障模式數(shù)量n中所占的比例，則αj為：

（3）故障影響概率βj。故障影響概率βj表示部件某種故障模式的發(fā)生造成該部件損傷的概率。當(dāng)βj=1時，表示肯定發(fā)生；當(dāng)βj=0.5時，表示可能發(fā)生；當(dāng)βj=0.1時，表示很少發(fā)生；當(dāng)βj=0時，表示無影響。

（4）基本故障率λp。基本故障率λp表示某一故障部件的故障率，用平均故障率λ表示基本故障率λp，平均故障率為：

式中：∑t為故障部件累計工作時間；N為故障部件在累積工作時間內(nèi)的故障次數(shù)。

（5）故障模式危害度Cj。故障模式危害度是產(chǎn)品危害度的一部分，對于給定的任務(wù)階段而言，此產(chǎn)品第j個故障模式的危害度Cj為：

通過表6不可接受故障模式的FMECA分析可以看到，故障模式的危害度計算值已經(jīng)超過了20×10-6/h。根據(jù)某電機公司的內(nèi)部管控標(biāo)準(zhǔn)，這個數(shù)值必須小于5×10-6/h，因此，對不可接受的兩個故障模式進行改進是必不可少的。

根據(jù)表1中故障原因的分析，這個故障模式有以下幾種可能的故障原因：①焊接焊縫過??；② 生產(chǎn)工藝未滿足焊接要求；③ 腐蝕；④ 外部負載過大，超預(yù)期；⑤焊縫破損過大，影響到其它部件。

對于原因③，最終電機及焊接部分仍然未被腐蝕，可以排除腐蝕的可能。

對于壓板與支撐板之間的焊縫，其在電機的內(nèi)部，受外部的影響較小。因此，故障原因應(yīng)該是焊接焊縫過小或焊接過程產(chǎn)生的焊接缺陷。對于機座支架與機座之間的焊縫，由于失效的幾臺電機都是在臨時（非設(shè)計原因）物理加速度過載的時候產(chǎn)生失效，因此基本可以肯定故障原因是外部負載過大，超預(yù)期。

再分析壓板與支撐板之間的焊縫，焊縫本身并沒有破損，在焊接過程中，以及在上焊接設(shè)備前的這段時間里，都由專門的兩個焊接工藝工程師互為監(jiān)督，嚴(yán)格按照制訂的時間、運用合格的工具和材料進行生產(chǎn)的，因此基本可以確定故障原因是焊接焊縫過小，屬于設(shè)計缺陷。

表6 不可接受故障模式的FMECA分析

經(jīng)過FMECA分析，改進的方案分別為：更改焊縫設(shè)計，增加焊縫長度20%；嚴(yán)格按照制訂方案試驗，按相關(guān)的工藝流程操作。

5 結(jié)束語

本次案例，經(jīng)過第二次100臺電機的測試，已經(jīng)將相關(guān)焊接部分的危害度減小到10-7/h等級，相比原先＞20×10-6/h的數(shù)據(jù)，提高了一個可靠性級別，及時滿足了客戶和安全因素上的要求。與此同時，改善了分析案例的瓶頸問題，最終將平均故障間隔時間大大提高了，從而降低了產(chǎn)品在整個生命周期中的失效可能。

ABC系列牽引電機中的各個部件和特征，都利用了FMECA方法分析，不僅僅是將文中需要調(diào)整的最危險部分進行了改善，其它一些文中沒有提到的故障模式和原因也得到了改善或者消除，大大提高了產(chǎn)品和流程的可靠性。更重要的是，如同運用的其它可靠性數(shù)據(jù)一樣，這次的改善也會被記錄在案，會被反復(fù)地使用，這樣，不但減少了相關(guān)人員的犯錯概率，也幫助該公司在提高設(shè)計效率的同時，減少了前期研發(fā)的成本。