邱俊柱, 賀志斌, 郭文會(huì)

(群建精密機(jī)械有限公司,貴州 遵義 563000)

諧波減速器是一種區(qū)別于傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)的特殊減速器,具有高精度、高效率的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)床、精密半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器人關(guān)節(jié)、林業(yè)智能裝備等領(lǐng)域。但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為特殊且復(fù)雜,使用過程中受到諸多因素的影響,如轉(zhuǎn)矩彎矩過載、振動(dòng)、高低溫等,因此諧波減速器的可靠性問題備受關(guān)注。目前,諧波減速器的可靠性問題主要包括可靠性評(píng)估、故障診斷和故障預(yù)測(cè)等方面。此外還存在諸多有關(guān)可靠性評(píng)估因素,如柔輪齒輪損傷、柔輪撕裂、柔性軸承損壞等。諸多故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)維修,尤其航天產(chǎn)業(yè)具有不可維修性,造成的損失也是不可估量。因此,研究諧波減速器的可靠性評(píng)估問題具有重要意義。

1 諧波減速器可靠性評(píng)估方法

諧波減速器是一種常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置,用于實(shí)現(xiàn)高精度、高轉(zhuǎn)矩和高效率的運(yùn)動(dòng)控制。根據(jù)可靠性評(píng)估方法建立對(duì)應(yīng)的可靠性模型,可直接快速找到減速器故障源,并可結(jié)合諧波減速器的實(shí)際使用條件和環(huán)境評(píng)估諧波減速器的可靠性。

1.1 壽命試驗(yàn)法

諧波減速器壽命試驗(yàn)法是在進(jìn)行諧波減速器壽命試驗(yàn)時(shí),通常會(huì)通過模擬實(shí)際使用環(huán)境下的負(fù)載和工作條件,對(duì)諧波減速器進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果使我們更好地了解諧波減速器的壽命和可靠性,避免系統(tǒng)設(shè)備故障率。壽命試驗(yàn)法的內(nèi)容分析如下。

(1)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作:在進(jìn)行試驗(yàn)之前,需要對(duì)諧波減速器進(jìn)行充分的檢查和維護(hù),以確保其運(yùn)行狀態(tài)良好。還需要選擇合適的測(cè)試臺(tái)和測(cè)試條件,以模擬實(shí)際使用環(huán)境下的負(fù)載和工作條件。

(2)試驗(yàn)過程的控制:在試驗(yàn)過程中,需要對(duì)測(cè)試臺(tái)和測(cè)試條件進(jìn)行嚴(yán)格的控制,以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在試驗(yàn)過程中需要對(duì)諧波減速器的溫度、振動(dòng)、噪聲等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。

(3)數(shù)據(jù)分析和處理:在試驗(yàn)結(jié)束后,需要對(duì)試驗(yàn)過程中所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,以得出諧波減速器的壽命和可靠性評(píng)估結(jié)果。這個(gè)過程需要考慮多種因素,如試驗(yàn)條件、負(fù)載、工作時(shí)間等等。

(4)結(jié)果的解釋和應(yīng)用:最后需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行解釋和應(yīng)用。制造商可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果來改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。用戶可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果來選擇合適的維護(hù)和保養(yǎng)方法,延長(zhǎng)諧波減速器的使用壽命。

1.2 故障樹分析法

諧波減速器故障樹分析法是通過將諧波減速器故障的可能原因以邏輯圖形式表示出來,根據(jù)直觀效果更好地了解和解決諧波減速器故障問題。通過故障樹分析,可以更好地理解諧波減速器的運(yùn)行機(jī)理和故障原因,并提出相應(yīng)的控制措施,從而提高諧波減速器的可靠性和使用壽命。故障樹分析法內(nèi)容分析如下。

(1)確定系統(tǒng)邊界和目標(biāo):首先需要確定諧波減速器的系統(tǒng)邊界和目標(biāo),包括系統(tǒng)所處的環(huán)境、操作要求、故障定義等。

(2)識(shí)別故障:在確定系統(tǒng)邊界和目標(biāo)后,需要識(shí)別可能導(dǎo)致諧波減速器故障的原因,例如潤滑不良、過載、磨損等等。將這些原因以邏輯圖的形式呈現(xiàn)出來,形成故障樹。

(3)確定故障樹的邏輯關(guān)系:在故障樹中,需要確定各個(gè)原因之間的邏輯關(guān)系,例如某個(gè)原因是否是其他原因的前提條件或后果,或者某個(gè)原因是否需要多個(gè)因素的共同作用才能導(dǎo)致故障。

(4)評(píng)估故障樹:對(duì)于構(gòu)建好的故障樹,需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)估,以確定最終導(dǎo)致諧波減速器故障的原因。這一過程需要考慮每個(gè)原因的概率和重要性,從而確定哪些原因是最有可能導(dǎo)致故障的。

(5)確定控制措施:在確定最終導(dǎo)致諧波減速器故障的原因后,需要確定相應(yīng)的控制措施。這些措施可以包括提高潤滑、加強(qiáng)維護(hù)、改進(jìn)設(shè)計(jì)等,以預(yù)防或減少諧波減速器故障的發(fā)生。

1.3 可靠性指標(biāo)法

諧波減速器的可靠性指標(biāo)是通過對(duì)各種可靠性指標(biāo)的分析,可以全面評(píng)估諧波減速器的性能和使用壽命,進(jìn)而制定相應(yīng)的維護(hù)和保養(yǎng)計(jì)劃,以保障諧波減速器的穩(wěn)定運(yùn)行。諧波減速器的可靠性指標(biāo)是評(píng)估其穩(wěn)定性和可靠性的一種方法,可靠性指標(biāo)法內(nèi)容分析如下。

(1)故障率:故障率是指在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。對(duì)于諧波減速器來說,故障率越低,說明其越穩(wěn)定可靠。故障率可以根據(jù)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,也可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行確定。

(2)MTBF:MTBF是指平均無故障時(shí)間,即在單位時(shí)間內(nèi)諧波減速器平均工作時(shí)間。MTBF越長(zhǎng),說明諧波減速器的穩(wěn)定性和可靠性越高。MTBF可以通過歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,也可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行確定。

(3)可靠性指標(biāo):可靠性指標(biāo)是根據(jù)諧波減速器的設(shè)計(jì)和使用條件計(jì)算出來的指標(biāo),包括可靠性、失效率、失效概率等。可靠性指標(biāo)可以幫助評(píng)估諧波減速器在實(shí)際使用中的可靠性表現(xiàn)。

(4)壽命分布:壽命分布是指諧波減速器在使用過程中出現(xiàn)故障的時(shí)間分布情況。通過分析壽命分布,可以確定諧波減速器的使用壽命和故障發(fā)生規(guī)律。

(5)容錯(cuò)能力:容錯(cuò)能力是指諧波減速器在發(fā)生故障后,能夠保持一定的運(yùn)行能力和性能。對(duì)于諧波減速器來說,容錯(cuò)能力越強(qiáng),說明其越具備自我保護(hù)能力和穩(wěn)定性。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

諧波減速器可靠性統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是通過綜合運(yùn)用各種可靠性統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,更準(zhǔn)確地評(píng)估諧波減速器的可靠性表現(xiàn),進(jìn)而制定相應(yīng)的維護(hù)和保養(yǎng)計(jì)劃,以保障諧波減速器的穩(wěn)定運(yùn)行?？煽啃越y(tǒng)計(jì)學(xué)方法內(nèi)容分析如下。

(1)故障率分析:通過對(duì)諧波減速器歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算出故障率指標(biāo),用于評(píng)估諧波減速器的可靠性和穩(wěn)定性。

(2)生存分析:生存分析是一種用于分析設(shè)備壽命的統(tǒng)計(jì)方法。通過對(duì)諧波減速器歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行生存分析,可以確定其使用壽命和故障規(guī)律,為諧波減速器的維護(hù)和保養(yǎng)提供依據(jù)。

(3)可靠性指標(biāo)分析:可靠性指標(biāo)是根據(jù)諧波減速器的設(shè)計(jì)和使用條件計(jì)算出來的指標(biāo),包括可靠性、失效率、失效概率等。通過對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析,可以評(píng)估諧波減速器的可靠性和穩(wěn)定性表現(xiàn)。

(4)貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法:貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法是一種用于更新概率估計(jì)的方法。在諧波減速器的可靠性分析中,可以利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法來更新對(duì)其可靠性的概率估計(jì),以更準(zhǔn)確地評(píng)估其可靠性和穩(wěn)定性。

(5)可靠性增長(zhǎng)曲線分析:可靠性增長(zhǎng)曲線是指隨著諧波減速器使用時(shí)間的增長(zhǎng),其可靠性指標(biāo)的變化趨勢(shì)。通過對(duì)可靠性增長(zhǎng)曲線進(jìn)行分析,可以評(píng)估諧波減速器的使用壽命和穩(wěn)定性表現(xiàn)。

1.5 系統(tǒng)安全性評(píng)估法

諧波減速器可靠性系統(tǒng)安全性評(píng)估法是通過對(duì)諧波減速器的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)過程中可能涉及到的安全問題進(jìn)行全面分析,評(píng)估諧波減速器系統(tǒng)的安全性能。可靠性系統(tǒng)安全性評(píng)估方法分析如下。

(1)風(fēng)險(xiǎn)分析:風(fēng)險(xiǎn)分析是一種通過對(duì)諧波減速器使用環(huán)境和可能存在的安全問題進(jìn)行評(píng)估,確定潛在風(fēng)險(xiǎn)并采取相應(yīng)措施的方法。風(fēng)險(xiǎn)分析包括識(shí)別危險(xiǎn)、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)和確定風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

(2)失效模式和影響分析(FMEA):失效模式和影響分析是一種用于評(píng)估諧波減速器各種可能的失效模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響的方法。通過FMEA分析,可以確定諧波減速器存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。

(3)可靠性、可用性和維修性分析(RAM分析):RAM分析是一種綜合考慮諧波減速器可靠性、可用性和維修性的評(píng)估方法。通過RAM分析,可以評(píng)估諧波減速器在設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)過程中可能涉及到的安全問題,并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。

(4)故障模式和效應(yīng)分析(FMECA):故障模式和效應(yīng)分析是一種評(píng)估諧波減速器各種可能的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響的方法。通過FMECA分析,可以確定諧波減速器存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。

(5)可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(RAMS)分析:RAMS分析是一種綜合考慮諧波減速器可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性的評(píng)估方法。通過RAMS分析,可以綜合考慮諧波減速器的各種性能指標(biāo),確定諧波減速器的系統(tǒng)安全性能,以及采取相應(yīng)的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。

2 諧波減速器可靠性評(píng)估模型分析

諧波減速器可靠性評(píng)估模型是用于評(píng)估諧波減速器可靠性水平的數(shù)學(xué)模型。以下是一些常見的諧波減速器可靠性評(píng)估模型。

2.1 Weibull分布模型法

可靠性Weibull分布模型是描述諧波減速器失效的概率密度函數(shù)和生存函數(shù),進(jìn)而計(jì)算諧波減速器的平均失效時(shí)間、可靠性指標(biāo)等。

Weibull分布模型的概率密度函數(shù):

f(t)=(β/η)×(t/η)∧(β-1)×e∧(-(t/η)∧β)

(1)

式(1)中:T為時(shí)間;η為尺度參數(shù);β為形狀參數(shù)。

Weibull分布模型的生存函數(shù):

S(t)=e∧(-(t/η)∧β)

(2)

式(2)中:t為時(shí)間;η為尺度參數(shù);β為形狀參數(shù)。

利用諧波減速器的失效數(shù)據(jù),通過最小二乘法等方法求得Weibull分布模型的參數(shù),從而計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等。通過諧波減速器的可靠性Weibull分布模型,可以為諧波減速器的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供依據(jù),提高諧波減速器的可靠性和安全性。

2.2 Monte Carlo模擬模型法

諧波減速器的可靠性Monte Carlo模擬模型是通過對(duì)諧波減速器壽命分布進(jìn)行隨機(jī)抽樣,模擬大量樣本,從而計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等。模型實(shí)現(xiàn)內(nèi)容分析。

(1)確定諧波減速器的壽命分布模型,如Weibull分布模型等;

(2)通過隨機(jī)數(shù)生成器,隨機(jī)生成大量符合諧波減速器壽命分布模型的樣本數(shù)據(jù);

(3)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等;

(4)重復(fù)進(jìn)行大量模擬實(shí)驗(yàn),得到一系列的可靠性指標(biāo)和失效率等,計(jì)算其平均值、方差等統(tǒng)計(jì)量;

(5)通過對(duì)一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,確定諧波減速器的可靠性水平;

(6)模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠模擬諧波減速器失效的真實(shí)情況,能夠考慮多種因素的影響,如工作條件、負(fù)載變化等,因此能夠更為準(zhǔn)確地評(píng)估諧波減速器的可靠性水平。缺點(diǎn)是需要進(jìn)行大量的模擬實(shí)驗(yàn),計(jì)算量較大,需要較強(qiáng)的計(jì)算能力支持。

2.3 Markov模型法

Markov模型可以計(jì)算諧波減速器在不同狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)和過渡概率,為諧波減速器的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供重要參考。模型的基本思想是將諧波減速器的壽命分布離散化為一系列狀態(tài),如正常、維修、故障等狀態(tài),然后建立狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率,通過Markov鏈理論,計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等。該模型的具體內(nèi)容分析如下。

(1)確定諧波減速器的狀態(tài)抽象和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率;

(2)建立諧波減速器狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,計(jì)算諧波減速器的穩(wěn)態(tài)概率分布;

(3)根據(jù)諧波減速器的穩(wěn)態(tài)概率分布,計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等。

模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率,描述諧波減速器的狀態(tài)變化過程,從而更為準(zhǔn)確地評(píng)估諧波減速器的可靠性水平。缺點(diǎn)是對(duì)諧波減速器的狀態(tài)抽象和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的確定有一定要求,需要較為嚴(yán)格的模型設(shè)計(jì)和計(jì)算。

2.4 可靠性塊圖模型法

可靠性塊圖模型是將諧波減速器劃分為若干個(gè)可靠性塊,通過分析各可靠性塊之間的相互關(guān)系和作用,計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等。模型的基本思想是將諧波減速器分解為若干個(gè)可靠性塊,每個(gè)可靠性塊代表一個(gè)具有獨(dú)立功能的部分,如齒輪、軸承等,然后建立可靠性塊之間的相互關(guān)系和作用,通過組合各可靠性塊的可靠性指標(biāo),計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等?？煽啃詨K圖模型內(nèi)容分析如下。

(1)確定諧波減速器的各個(gè)可靠性塊,并分析各可靠性塊的失效模式和失效率等;

(2)建立可靠性塊之間的相互關(guān)系和作用,如重要性、相互影響等;

(3)計(jì)算各可靠性塊的可靠性指標(biāo),如可靠度、失效率等,可以采用可靠性統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、理論模型等方法;

(4)組合各可靠性塊的可靠性指標(biāo),計(jì)算諧波減速器的可靠性指標(biāo)和失效率等;

(5)根據(jù)諧波減速器各可靠性塊的失效率,可以進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)和維護(hù)規(guī)劃等。

模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮諧波減速器各可靠性塊之間的相互關(guān)系和作用,更能反映諧波減速器的實(shí)際運(yùn)行情況,能夠?yàn)橹C波減速器的維護(hù)提供有針對(duì)性的建議。缺點(diǎn)是分解可靠性塊需要較高的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),同時(shí)可靠性塊之間的相互關(guān)系和作用可能存在不確定性。

3 結(jié)束語

諧波減速器的可靠性評(píng)估和提高是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要綜合考慮各種因素。對(duì)諧波減速器的可靠性進(jìn)行評(píng)估和提高,可以提高其穩(wěn)定性和可靠性,還有一些常用的方法可以提高諧波減速器的可靠性,如維護(hù)管理、優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)材料等。通過這些方法,可以降低諧波減速器的失效率,提高其可靠性,保證其穩(wěn)定運(yùn)行,為諧波減速器研究和生產(chǎn)提供有效的力量支撐。