苗澍

（哈爾濱軸承集團(tuán)公司技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150036）

1 前言

隨著風(fēng)電、精密機(jī)械、電機(jī)、鐵路等行業(yè)的發(fā)展，與其相配套的軸承的使用壽命、承載、溫度、轉(zhuǎn)速等性能要求也不斷提高。為了保證軸承滿足系統(tǒng)使用性能要求，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)工況條件對(duì)軸承進(jìn)行潛在失效分析，通過潛在失效模式后果分析和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方式，找出軸承設(shè)計(jì)中的潛在危險(xiǎn)，識(shí)別軸承設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)并提出預(yù)防措施，使軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)具有合理性和先進(jìn)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(biāo)。

2 軸承失效模式

根據(jù)以往高性能軸承的失效模式，并且對(duì)已有研制經(jīng)驗(yàn)的高性能軸承的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行摸底，對(duì)軸承的工況要求和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，找出軸承研制的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)影響其疲勞壽命的因素進(jìn)行分析，并通過技術(shù)更新和攻關(guān)，克服潛在失效隱患，提高軸承的極限性能。并對(duì)失效模式進(jìn)行分析總結(jié)，找出軸承應(yīng)用過程中的共性問題，包括：（a）系統(tǒng)對(duì)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(tài)是否合理；（c）是否具備自主設(shè)計(jì)能力，是否將工況與結(jié)構(gòu)結(jié)合起來；（d）國內(nèi)材料轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)后，質(zhì)量存在不穩(wěn)定情況及與國外軸承材料成分及質(zhì)量的差距；（e）國外最先進(jìn)的高性能軸承材料，國內(nèi)是否有生產(chǎn)應(yīng)用；（f）軸承的性能要求與工作系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)是否有差異。針對(duì)以上方面的共性問題并結(jié)合高性能軸承的自身特點(diǎn)，采取耐高溫抗疲勞材料、采用滲碳處理、優(yōu)化軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)等切合實(shí)際的應(yīng)對(duì)措施，提高軸承可靠性?？稍谳S承設(shè)計(jì)過程中采取措施避免或降低失效發(fā)生，失效形式見表1。

3 設(shè)計(jì)潛在失效模式及后果分析

在設(shè)計(jì)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(fā)生的措施。通過潛在的失效模式確定嚴(yán)重度、發(fā)生度、難檢度值，并計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)，其關(guān)系式為

式中：(S)—表示嚴(yán)重度，是潛在設(shè)計(jì)故障模式影響的嚴(yán)重程度等級(jí)，嚴(yán)重程度分1～10級(jí)。

（O）—表示發(fā)生度，是對(duì)于某已知的故障原因在產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)可能引發(fā)的故障頻度的估計(jì)值或累積值相對(duì)應(yīng)的等級(jí)數(shù)值，發(fā)生度劃分為1～10級(jí)。

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

RPN—風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)。

當(dāng)嚴(yán)重度大于6，同時(shí)RPN值大于100時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)采取措施，必要時(shí)采取變更設(shè)計(jì)的方式。

4 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括三個(gè)步驟：風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)排序。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的任務(wù)是找出風(fēng)險(xiǎn)事件。要對(duì)軸承設(shè)計(jì)的各方面、各過程的事件進(jìn)行考察和辨識(shí)，將整個(gè)軸承產(chǎn)品分成若干個(gè)產(chǎn)品單元，并將產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程按實(shí)際情況分為若干個(gè)過程單元，依據(jù)產(chǎn)品的每項(xiàng)要求包括使用的條件和性能目標(biāo)、關(guān)鍵的參數(shù)等，逐個(gè)地考察各個(gè)產(chǎn)品單元和各過程單元。確定關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和可能出現(xiàn)問題的單元，通過分解細(xì)化到適當(dāng)?shù)膶哟?，確定出可能對(duì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)或組成部分產(chǎn)生不利影響的事件即風(fēng)險(xiǎn)事件，并編繪風(fēng)險(xiǎn)事件表（略）。

進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的途徑是進(jìn)行類推比較，汲取過去的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，收集有關(guān)信息，進(jìn)行判斷評(píng)價(jià)，找出關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的風(fēng)險(xiǎn)要素包含以下幾個(gè)方面：

（1）由產(chǎn)品的使用要求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求

a.對(duì)顧客提出的產(chǎn)品使用要求未認(rèn)真評(píng)審和溝通，產(chǎn)品要求規(guī)定不當(dāng)、過粗，設(shè)計(jì)要求模糊。

b.未明確使用環(huán)境要求。

c.設(shè)計(jì)要求提的太高。

d.設(shè)計(jì)要求不穩(wěn)定，常變化。

（2）設(shè)計(jì)方案及技術(shù)途徑

a.方案階段未充分考慮各種影響因素。

b.設(shè)計(jì)方案或人機(jī)界面問題不符合用戶的人力和技能水平。

c.依賴于未經(jīng)考驗(yàn)的技術(shù)且無替代的方案。

d.項(xiàng)目的成功依賴于最新技術(shù)進(jìn)步。

（3）設(shè)計(jì)的成熟性和可行性

a.設(shè)計(jì)采用了未成熟技術(shù)或“稀有”材料來滿足性能指標(biāo)要求。

b.技術(shù)未在要求的使用環(huán)境下得到驗(yàn)證。

c.設(shè)計(jì)指標(biāo)依賴于復(fù)雜的硬件、軟件或綜合設(shè)計(jì)。

d.建模與仿真未經(jīng)驗(yàn)證和確認(rèn)，未足憑信。

e.軟件設(shè)計(jì)缺陷，硬、軟件之間系統(tǒng)需求分配不合理。

f.系統(tǒng)不能滿足用戶要求。

g.試圖在較高的應(yīng)力下使用部件器件。

（4）設(shè)計(jì)過程的控制

a.沒有或未實(shí)施適宜的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范和程序。

b.松散的、走過場的設(shè)計(jì)評(píng)審過程，達(dá)不到評(píng)審的目的。

c.沒有采取所需要的設(shè)計(jì)手段和分析技術(shù)（例：CAD技術(shù)、故障模式和影響、可靠性預(yù)計(jì)等分析）。

d.沒有建立和保持強(qiáng)有力的技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)，隨意更改設(shè)計(jì)。

e.必要的設(shè)計(jì)輸出文件不全。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)排序

風(fēng)險(xiǎn)分析是對(duì)辨識(shí)出來的各重大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步分析，找出風(fēng)險(xiǎn)的致因，判定可能出現(xiàn)的情況，關(guān)鍵過程對(duì)最佳慣例（或預(yù)期的目標(biāo)），偏離的程度，確定每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率和后果，從而評(píng)定風(fēng)險(xiǎn)的大小，制定出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判據(jù)，將風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率分為a、b、c、d、e五個(gè)等級(jí)，將風(fēng)險(xiǎn)一旦發(fā)生會(huì)造成的后果，分為1、2、3、4、5五個(gè)等級(jí)，通過專家評(píng)審確定每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的相關(guān)等級(jí)。綜合風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生的概率及后果的多種組合，將風(fēng)險(xiǎn)的大小劃分為三個(gè)等級(jí)：高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)及低風(fēng)險(xiǎn)。定量的分析可對(duì)發(fā)生概率及后果作出量化的權(quán)重的規(guī)定，建立一些明確的衡量準(zhǔn)則，如用失效概率（Pf）和失效后果（Cf）以及其它認(rèn)為合適的因素，進(jìn)行定量的比較。

5 結(jié)束語

通過潛在失效分析在軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，避免了軸承設(shè)計(jì)的不完善或缺陷，降低了設(shè)計(jì)方案本身可能引入的潛在危險(xiǎn)，減少或避免了軸承因設(shè)計(jì)問題造成的人員傷亡、設(shè)備損壞或財(cái)產(chǎn)損失等事件的發(fā)生，提高了軸承可靠性指標(biāo)和使用壽命。