針對(duì)液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置的FMECA方法

陳富軍，米潔，張勝倫，陳嘉慧，桂鵬，戈紅霞

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

0 引言

液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置作為坦克裝甲車輛中的高度集成裝置，其功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳遞給主動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)車輛在越野、訓(xùn)練等復(fù)雜路況下的加速、減速、制動(dòng)等。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)坦克裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置的性能取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，能夠?qū)崿F(xiàn)集變速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)與操縱等功能于一體，匯聚機(jī)械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)與自動(dòng)控制等于一身，其技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[1]。綜合傳動(dòng)裝置是坦克裝甲車輛的核心部件，隨著對(duì)坦克裝甲車輛可靠性的要求進(jìn)一步提高，對(duì)綜合傳動(dòng)裝置的可靠性進(jìn)行相關(guān)研究和分析，是保證車輛正常運(yùn)行和進(jìn)行高強(qiáng)度復(fù)雜工況作業(yè)的前提[2]。

國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，提高產(chǎn)品可靠性，關(guān)鍵在于做好產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)和可靠性分析工作，其中可靠性分析工作主要是從故障處理的角度對(duì)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)加以分析和說(shuō)明。應(yīng)用最廣泛的分析方法是故障模式、影響及危害性分析(failure mode,effect and criticality analysis，F(xiàn)MECA)，根據(jù)產(chǎn)品的歷史故障數(shù)據(jù)對(duì)可能出現(xiàn)的故障模式、故障原因進(jìn)行全面、細(xì)致的分析，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，提出改進(jìn)措施，對(duì)關(guān)鍵的故障模式進(jìn)行消減，降低故障影響，避免不必要的損失，提高其整體可靠性[3]。

FMECA作為可靠性分析的一項(xiàng)重要工作，對(duì)保證產(chǎn)品的可靠性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。鄭長(zhǎng)松等[4]對(duì)綜合傳動(dòng)裝置中的轉(zhuǎn)速和溫度傳感器在定型試驗(yàn)和樣車使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行全面FMECA，并針對(duì)主要問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，有效提升了其可靠性。然而隨著產(chǎn)品可靠性水平的提高，傳統(tǒng)的FMECA方法已經(jīng)不能滿足需求，研究人員也正在尋求從不同的角度、采用不同的方法對(duì)FMECA進(jìn)行改進(jìn)和豐富。吳澤豫等[5]在傳統(tǒng)FMECA方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合閘閥產(chǎn)品的特點(diǎn)，提出了一種基于模糊危害性矩陣的FMECA方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法難以衡量分析人員主觀不確定性的問(wèn)題；宋獎(jiǎng)利[6]提出了針對(duì)電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)的不同階段分別開(kāi)展功能FMECA和硬件FMECA的分析方法，通過(guò)故障信息的反饋與對(duì)比，逐步完善FMECA分析信息，并通過(guò)進(jìn)一步的糾正措施實(shí)現(xiàn)可靠性的提升；鄒安南等[7]提出了一種按照致因因素對(duì)故障進(jìn)行劃分的FMECA方法，通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的實(shí)際故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定不同故障對(duì)機(jī)床可靠性的影響大小，有針對(duì)性地提升機(jī)床的運(yùn)行可靠性；La Fata C.M.等[8]考慮了FMECA評(píng)估過(guò)程中的模糊性和不確定性，提出了一種基于區(qū)間值評(píng)級(jí)的多標(biāo)準(zhǔn)決策方法，將失效模式劃分風(fēng)險(xiǎn)類別，由專家小組對(duì)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)以區(qū)間形式進(jìn)行評(píng)級(jí)，并加以綜合以提供群體共識(shí)，提高了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此之外，其他學(xué)者也對(duì)FMECA方法進(jìn)行了不同程度的理論和應(yīng)用研究[9-16]，并取得了一定成果。

通過(guò)分析以上學(xué)者的研究成果可知，現(xiàn)階段對(duì)FMECA方法的改進(jìn)主要體現(xiàn)在故障模式的危害度評(píng)估方面，即通過(guò)采用不同的方法，使對(duì)故障模式的危害度評(píng)估更加準(zhǔn)確。這些改進(jìn)方法雖然在一定程度上有利于產(chǎn)品可靠性水平的提升，但是依然存在著流程分析不規(guī)范、故障原因分析不徹底、FMECA表格利用率低等問(wèn)題。尤其是對(duì)綜合傳動(dòng)裝置這類設(shè)計(jì)研制周期較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多的復(fù)雜系統(tǒng)，仍然缺乏一種更具針對(duì)性，可以更好指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等工作的行之有效的FMECA方法。

本文通過(guò)分析現(xiàn)階段FMECA方法的不足，強(qiáng)化FMECA表格的作用，同時(shí)結(jié)合綜合傳動(dòng)裝置產(chǎn)品特點(diǎn)，采用了分階段、分層次的FMECA分析流程和“四類五維”的故障原因分析方法，進(jìn)行綜合傳動(dòng)裝置的故障模式、影響及危害性分析。

1 分階段、分層次的FMECA流程

分階段、分層次的分析流程是為了更好地適應(yīng)綜合傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)研發(fā)周期較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)而提出的一種FMECA流程，指將綜合傳動(dòng)裝置按照實(shí)際研發(fā)流程分為概念設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段、工程研制階段和定型試驗(yàn)階段；按照功能和硬件分為系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)和元件級(jí)，如圖1所示。

圖1 分階段、分層次FMECA流程

按照該分析流程對(duì)綜合傳動(dòng)裝置不同階段、不同層次分別開(kāi)展故障模式及影響分析，如圖2所示，階段不斷深入，層次不斷細(xì)化，不斷反饋，及時(shí)修正。

圖2 綜合傳動(dòng)裝置分階段、分層次FMECA流程

在概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)綜合傳動(dòng)裝置系統(tǒng)級(jí)開(kāi)展早期FMECA，識(shí)別定位綜合傳動(dòng)裝置早期系統(tǒng)級(jí)故障，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)系統(tǒng)級(jí)故障進(jìn)行糾正，形成概念設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)優(yōu)化論證報(bào)告，作為方案設(shè)計(jì)階段的前置輸入。

方案設(shè)計(jì)階段主要針對(duì)綜合傳動(dòng)裝置功能分系統(tǒng)開(kāi)展早期功能FMECA，針對(duì)部件開(kāi)展硬件FMECA，對(duì)分系統(tǒng)級(jí)故障、部件級(jí)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，糾正方案設(shè)計(jì)階段分系統(tǒng)級(jí)故障、部件級(jí)故障，并形成方案設(shè)計(jì)階段完善報(bào)告，作為工程研制階段的前置輸入。

工程研制階段在方案設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)元件開(kāi)展硬件FMECA，同時(shí)采用“四類五維”的故障原因分析法，對(duì)不同類型的元件進(jìn)行分類處理，從多維度開(kāi)展全面、細(xì)致的故障模式統(tǒng)計(jì)與故障原因分析，形成關(guān)鍵故障信息，出具維修方案報(bào)告和設(shè)計(jì)糾正與補(bǔ)償報(bào)告。

定型試驗(yàn)階段主要對(duì)綜合傳動(dòng)裝置在產(chǎn)品試驗(yàn)和定型過(guò)程中發(fā)生的新的故障模式進(jìn)行信息反饋，豐富FMECA表格，及時(shí)發(fā)現(xiàn)綜合傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，識(shí)別定位機(jī)理層面的故障原因，完成FMECA報(bào)告的迭代完善，最終形成綜合傳動(dòng)裝置可靠性增長(zhǎng)報(bào)告。

2 “四類五維”故障原因分析法

“四類五維”故障原因分析法是主要針對(duì)現(xiàn)階段故障原因分析不徹底、不全面、定位不準(zhǔn)確、針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題而提出的一種FMECA方法。該方法通過(guò)對(duì)綜合傳動(dòng)裝置元件進(jìn)行分類處理，將其分為機(jī)械類、液壓類、電氣類和機(jī)電類4個(gè)類別，針對(duì)不同類型元件的特點(diǎn)，分別展開(kāi)故障原因分析；同時(shí)為了強(qiáng)化FMECA表格的作用，綜合考慮元件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、裝配、使用和維護(hù)的全壽命周期，將故障原因細(xì)化為5個(gè)維度，分別為工作應(yīng)力及頻次，設(shè)計(jì)與仿真，制造與工藝，試驗(yàn)與檢測(cè)，裝配、使用和維護(hù)，結(jié)合典型失效模式，從不同維度分析故障原因，并分別提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為設(shè)計(jì)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。該方法可以針對(duì)不同類型的元件進(jìn)行精準(zhǔn)定位、精確分析；可以更大限度發(fā)揮FMECA表格的作用，將故障原因細(xì)化到失效機(jī)理層面，分析更加全面細(xì)致；同時(shí)使FMECA表格成為指導(dǎo)綜合傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、裝配、使用和維護(hù)等一系列工作的知識(shí)庫(kù)。

為更好地說(shuō)明“四類五維”故障原因分析法在FMECA表格中的應(yīng)用，本文以綜合傳動(dòng)裝置行星變速機(jī)構(gòu)機(jī)械類元件——主軸為例進(jìn)行分析說(shuō)明，其三維模型如圖3所示。

圖3 行星變速機(jī)構(gòu)主軸模型

行星變速機(jī)構(gòu)主軸作為綜合傳動(dòng)裝置的重要組成部分，通過(guò)將來(lái)自前傳動(dòng)的動(dòng)力傳遞給左右兩側(cè)匯流排，從而實(shí)現(xiàn)坦克裝甲車輛直行、轉(zhuǎn)向等功能。其主要由3個(gè)花鍵組成，中間的輸入花鍵和兩側(cè)的輸出花鍵，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)改變花鍵間的輸入輸出關(guān)系實(shí)現(xiàn)坦克裝甲車輛的不同功能。

在某特殊任務(wù)下，行星變速機(jī)構(gòu)主軸右側(cè)花鍵相繼發(fā)生斷裂，導(dǎo)致任務(wù)中斷，嚴(yán)重影響坦克裝甲車輛的運(yùn)行可靠性。為了更好地分析主軸斷裂的原因，對(duì)該任務(wù)下的主軸進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析，將故障原因按照5個(gè)維度進(jìn)行細(xì)化，分析結(jié)果如表1所示；并分別從5個(gè)維度提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，分析結(jié)果如表2所示。

表1 主軸斷裂故障原因分析

表2 主軸斷裂改進(jìn)措施分析

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以綜合傳動(dòng)裝置為研究對(duì)象，以傳統(tǒng)FMECA方法為基礎(chǔ)，采用分階段、分層次的分析流程，并創(chuàng)新性地提出了“四類五維”的故障原因分析方法。分階段、分層次的流程充分考慮了綜合傳動(dòng)裝置的實(shí)際研制特點(diǎn)，階段不斷深入，層次不斷細(xì)化，其所具有的反饋性、修正性的特點(diǎn)可以極大地提高FMECA效率，顯著縮短綜合傳動(dòng)裝置的研發(fā)周期。“四類五維”的故障原因分析通過(guò)對(duì)元件進(jìn)行分類處理和多維度分析，提高了FMECA的精度，強(qiáng)化了FMECA表格的作用，提升了表格的可執(zhí)行性。該方法的使用使得FMECA成為可以真正指導(dǎo)綜合傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、裝配、使用和維護(hù)等工作的知識(shí)庫(kù)。本文方法為綜合傳動(dòng)裝置的可靠性提升提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為相似的、復(fù)雜產(chǎn)品的FMECA提供了參考。