陳俊齊，吳英明，張威，盧葦

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

罩極電機(jī)構(gòu)造簡單、成本低，廣泛用于小家電產(chǎn)品，但由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，效率低，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性受負(fù)載、電壓和溫度影響較大。沈琴等[1]對(duì)罩極電機(jī)常見故障及排除方法進(jìn)行研究，對(duì)罩極電機(jī)支架結(jié)構(gòu)選型張顯亮[2]進(jìn)行相關(guān)研究，但由于在滾筒洗干機(jī)一體機(jī)上工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，容易因其組件故障而引起整機(jī)烘干失效，因此對(duì)洗烘一體機(jī)使用的罩極電機(jī)可靠性問題是目前亟需解決的問題。

針對(duì)罩極電機(jī)可靠性問題，常規(guī)方式需要經(jīng)過多臺(tái)樣機(jī)耗費(fèi)長時(shí)間壽命試驗(yàn)提升產(chǎn)品可靠性，賀孝珍[3]對(duì)機(jī)械零部件可靠性工程技術(shù)研究，李良巧[4]等對(duì)可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)論述。通過以上文獻(xiàn)研究，本文提出應(yīng)用故障樹分析（FTA）和故障模式及影響分析（FMEA），兩者相結(jié)合的方法來研究罩極電機(jī)可靠性，以“事前預(yù)判”手段解決罩極電機(jī)在滾筒洗干一體機(jī)使用環(huán)境可能出現(xiàn)的事故隱患和故障，采取相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施降低罩極電機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)，為提高罩極電機(jī)可靠性水平提供參考借鑒。

1 罩極電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

罩極電機(jī)以220 V市電為電源，不用外加啟動(dòng)電容和繼電裝置即可起動(dòng)，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(jī)作為可靠性研究對(duì)象。結(jié)構(gòu)上一般由轉(zhuǎn)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(gòu)成。轉(zhuǎn)子組成部分一般由鑄鋁轉(zhuǎn)子座、軸和阻止轉(zhuǎn)子前后竄動(dòng)的止推墊圈，和調(diào)整竄動(dòng)量的墊片組成；定子組一般由短路環(huán)與主定子鐵芯構(gòu)成；線包組一般由線圈、骨架、引接線或熱保護(hù)器及相關(guān)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(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析方法

關(guān)于FTA和FMEA兩種問題方法的側(cè)重方式，前者針對(duì)失效模式的邏輯演化找出事件的所有可能原因，后者重點(diǎn)對(duì)問題的失效模式及影響進(jìn)行分析找出失效情況所有后果。對(duì)于罩極電機(jī)運(yùn)行期間潛在問題的分析以及風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)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(jié)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(duì)系統(tǒng)的失效模式及影響分析進(jìn)行評(píng)價(jià)，兩者互相補(bǔ)充，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)罩極電機(jī)可靠性進(jìn)一步提升。

3 罩極電機(jī)FTA

通過試驗(yàn)方法對(duì)罩極電機(jī)停機(jī)問題進(jìn)行研究和解決是常用的手段，能有效降低罩極電機(jī)因停機(jī)失效的質(zhì)量缺陷，然而試驗(yàn)法只能對(duì)罩極電機(jī)可靠性做局部分析，無法全面有效分析導(dǎo)致系統(tǒng)故障的全部原因。借助故障樹分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）可以對(duì)電機(jī)的停機(jī)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷，將問題進(jìn)行倒推找出導(dǎo)致問題的原因[5]。有助于分析電機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)找出導(dǎo)致電機(jī)故障的原因，提高罩極電機(jī)使用可靠性。

3.1 罩極電機(jī)故障樹的建立

根據(jù)罩極電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物料狀態(tài)以及組件裝配差異進(jìn)行分析，對(duì)可能造成烘干期間電機(jī)停機(jī)故障的影響因素進(jìn)行故障樹分析。

圖1 罩極電機(jī)主要結(jié)構(gòu)

排除主繞組接線錯(cuò)誤或短路問題，罩極電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，若定轉(zhuǎn)子同軸度出現(xiàn)偏差，轉(zhuǎn)動(dòng)過程會(huì)出現(xiàn)掃膛現(xiàn)象，影響轉(zhuǎn)子正常轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)伴隨電機(jī)噪音增大，直至下一次轉(zhuǎn)子起動(dòng)失敗造成罩極電機(jī)停機(jī)問題，與之相關(guān)聯(lián)組件為支架組件，主要原因分為滾動(dòng)軸承活動(dòng)失效、支架底座裝配失效以及支架結(jié)構(gòu)失效三類，定子以及線包組件對(duì)停機(jī)無影響，研究方向?qū)⒓性谥Ъ芙M件故障。

對(duì)滾動(dòng)軸承活動(dòng)卡茲進(jìn)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(dòng)性增加，直至高溫極限達(dá)到滴點(diǎn)，油脂變?yōu)榱黧w從軸承析出；其二，軸承游隙過大，滾動(dòng)過程不穩(wěn)定。

對(duì)支架裝配松動(dòng)進(jìn)行分析，存在兩種原因：其一，支架定位柱設(shè)計(jì)外徑尺寸超差，運(yùn)行過程出現(xiàn)偏位，轉(zhuǎn)子與定子間有掃膛現(xiàn)象，最終引起電機(jī)停機(jī)；其二，用于緊固支架的螺釘裝配方式不可靠，長期運(yùn)行螺釘軸向力減少，出現(xiàn)松動(dòng)。

對(duì)支架結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，存在三種原因：其一，長時(shí)間運(yùn)行熱損耗增加，高溫使得支架出現(xiàn)熱變形，支架材質(zhì)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(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的應(yīng)力過大。

按照上述理論分析，將罩極電機(jī)停機(jī)作為頂事件（故障樹的結(jié)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(jié)果事件），與轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)事件共同作為電機(jī)停機(jī)故障發(fā)生的必要條件，運(yùn)用相應(yīng)的邏輯門符號(hào)與頂事件相連接；對(duì)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(dǎo)致其他事件的原因事件），建立圖2罩極電機(jī)完整的故障樹，圖2中對(duì)應(yīng)的能引起罩極電機(jī)停機(jī)的底事件代號(hào)與底事件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 故障樹中各代號(hào)對(duì)應(yīng)的底事件

圖2 罩極電機(jī)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(chǎn)生的各種因素與問題集合,以識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)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(dǎo)故障診斷，為改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改增強(qiáng)可靠性。過程中，找出頂事件發(fā)生的所有可能的失效模式，即找出能使頂事件發(fā)生的原因集合——割集，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的不可再少的底事件的集合稱為最小割集，針對(duì)罩極電機(jī)故障樹結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用下行法對(duì)該故障進(jìn)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(duì)罩極電機(jī)停機(jī)進(jìn)行故障樹分析，最小割集確認(rèn)：

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(xiàn)頻次為7次，其他各底事件各出現(xiàn)1次，X1為最重要底事件。

底事件X1均為試驗(yàn)先決條件，且在實(shí)際情況中均為不可控條件，故需要從其他底事件中進(jìn)行篩選，對(duì)篩選出的底事件進(jìn)行改進(jìn)，以提升其可靠性。

底事件X2-X9中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境及來料狀態(tài)，烘干期間罩極電機(jī)運(yùn)行溫度高，支架溫升偏高不受風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)功能限制；對(duì)于支架來料不合格為極小概率事件，綜合評(píng)估改進(jìn)效果不明顯，故排除X6、X9兩個(gè)底事件。

X7（支架強(qiáng)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(shí)際情況中為配合關(guān)系，可視為同一因子，按照實(shí)際實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣程度、成本等綜合評(píng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足）、X8（鑄鋅合金耐溫不足）。

經(jīng)過對(duì)罩極電機(jī)進(jìn)行故障樹分析，得到了罩極電機(jī)支架組件故障的主要原因。其中，支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)支架結(jié)構(gòu)材料特性以及裝配方式，對(duì)罩極電機(jī)支架組件進(jìn)行FMEA分析。

4 罩極電機(jī)支架組件的FMEA

故 障 模 式、影 響 分 析（fault modes，effects and analysis)是分析產(chǎn)品中所有潛在的故障模式及對(duì)其對(duì)產(chǎn)品所造成的所造成的所有可能影響，并提出預(yù)防改進(jìn)措施，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性[7]。通過成立FMEA小組，成員可以由專家、項(xiàng)目管理人員以及有經(jīng)驗(yàn)的FMEA專家組成，對(duì)產(chǎn)品實(shí)施FMEA，發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品/過程中潛在失效及失效后果，規(guī)避或減少產(chǎn)品不良的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性，降低后期產(chǎn)品壽命周期費(fèi)用。

采取環(huán)境試驗(yàn)方法找出罩極電機(jī)所有可能故障數(shù)據(jù)，在明確故障判據(jù)和故障計(jì)數(shù)原則后，整理分析得到罩極電機(jī)支架組件所有故障形式，根據(jù)上述數(shù)據(jù)并結(jié)合嚴(yán)重度（S）、發(fā)生頻度（O）、可探測(cè)度（D）的評(píng)分等級(jí)，得出支架組件FMEA表格如表2所示。

表2 罩極電機(jī)支架組件FMEA 表格

表2中，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度（RPN）值等于嚴(yán)重度（S）、發(fā)生頻度（O）和可探測(cè)度（D）三者乘積。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度值越高代表系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率越高;反之系統(tǒng)中發(fā)生故障的幾率就越小。使用RPN針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)篩查排序，以便于設(shè)計(jì)人員通過更合理的設(shè)計(jì)減少關(guān)鍵零部件的影響因素,在合理預(yù)防下能應(yīng)對(duì)潛在的系統(tǒng)故障,從而保證了整機(jī)的可靠性。

表2中的嚴(yán)重度（S）按照支架組件潛在的故障模式對(duì)整機(jī)影響的后果，將其劃分為4個(gè)等級(jí)，評(píng)分依據(jù)細(xì)則如表3所示；故障的發(fā)生頻度（O）評(píng)分依據(jù)細(xì)則如表4所示；故障的可探測(cè)度(D) 評(píng)分依據(jù)細(xì)則如表5所示。

表3 嚴(yán)重度（S）評(píng)分依據(jù)和細(xì)則表

表4 發(fā)生頻度（O）評(píng)分依據(jù)和細(xì)則表

表5 可探測(cè)度（D）評(píng)分依據(jù)和細(xì)則

4.1 罩極電機(jī)可靠性提升措施

按照上述對(duì)罩極電機(jī)FMEA分析結(jié)果，針對(duì)其潛在的故障模式，建立相應(yīng)的預(yù)防糾正措施，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制來料狀態(tài)，在使用過程中遇到各種故障能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，降低因零部件缺陷故障發(fā)生引起的整機(jī)運(yùn)行失效概率，提升整機(jī)的可靠性，重點(diǎn)從三個(gè)方面提出罩極電機(jī)可靠性提升措施。

1）罩極電機(jī)在滾筒洗干一體機(jī)運(yùn)行環(huán)境振動(dòng)大，長期運(yùn)行需要對(duì)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(shè)計(jì)壽命要求，一段時(shí)間后螺釘?shù)膹椓p少，容易松動(dòng)，因此，基于冗余設(shè)計(jì)，增加平墊可以提高緊固可靠性，同時(shí)考慮在洗干機(jī)烘干期間，電機(jī)周圍溫度高，由于螺釘與被緊固件的熱膨脹系數(shù)不同，為了防止螺釘松動(dòng)，在螺釘位置打上高溫螺紋膠。

2）由于部分地區(qū)電力不穩(wěn)，洗干機(jī)又需要在連續(xù)的高電流環(huán)境工作中，考慮到風(fēng)機(jī)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)較長時(shí)間之后毛屑的堆積偏心力加大，罩極電機(jī)軸承支撐結(jié)構(gòu)需要受到的合力也很大，所以寬厚的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將擁有更良好的工作可靠性，可以防止在一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過后支架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，從而直接影響轉(zhuǎn)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(xué)振動(dòng)，最終定轉(zhuǎn)子同軸度偏位造成掃膛停機(jī)問題。

3）與在其它小家電上使用的罩極電機(jī)不同，由于在洗干機(jī)烘烤階段中是一種持續(xù)性過程，在交集電壓不穩(wěn)或長時(shí)間高壓影響下，罩極電機(jī)軸承的支撐附近溫升維持在較高水平，而支架使用材質(zhì)主要有壓鑄鋁合金、壓鑄鋅合金、鋼材、鋁板等。為適應(yīng)高溫電機(jī)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(jí)高溫罩極電機(jī)中使用，提升高溫使用環(huán)境的可靠性，避免因?yàn)橹Ъ軣嶙冃螌?dǎo)致電機(jī)停機(jī)問題。

5 結(jié)論

1）通過建立罩極電機(jī)的故障樹圖，分析罩極電機(jī)停機(jī)故障的主要原因由于支架組件失效引起，進(jìn)一步對(duì)故障樹定性分析，確定支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yùn)用FMEA對(duì)罩極電機(jī)支架組件進(jìn)行失效模式及影響分析，對(duì)支架組件主要失效模式提出相應(yīng)預(yù)防解決措施，并通過風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行排列，以更合理預(yù)防措施進(jìn)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(jī)在滾筒洗干一體機(jī)可靠性問題、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品可靠性提供理論依據(jù)。