靳東亮,王高峰,程永龍,狄正賢,魏世忠

(1.河南科技大學(xué) 材料學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023; 2.金屬材料磨損控制與成型技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,河南 洛陽(yáng) 471023; 3.龍門實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471023;4.洛陽(yáng)軸研科技有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039;5.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,鄭州 450016;6.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所,蘭州 730000;7.鄭州輕工業(yè)大學(xué),鄭州 450000)

1 概述

大型掘進(jìn)機(jī)是隧道施工機(jī)械,利用主驅(qū)動(dòng)軸承支承回轉(zhuǎn)刀具破碎軟土地層或地層圍巖,從而掘進(jìn)并形成隧道。主驅(qū)動(dòng)軸承運(yùn)行工況惡劣,可靠性要求高,研制難度大,目前主要依賴進(jìn)口,每年進(jìn)口費(fèi)用達(dá)10多億元,其自主化研制與可靠應(yīng)用已成為我國(guó)大型掘進(jìn)機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中典型的“卡脖子”問(wèn)題[1]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已形成大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承設(shè)計(jì)、制造技術(shù)體系:德國(guó)RotheErde在主驅(qū)動(dòng)軸承的精密制造技術(shù)方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)8米級(jí)主驅(qū)動(dòng)軸承的制造;瑞典SKF研制出大型軸承動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái),可實(shí)現(xiàn)7米級(jí)大型軸承的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)及機(jī)構(gòu)針對(duì)掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究[2]:洛陽(yáng)LYC軸承有限公司突破了3米級(jí)主驅(qū)動(dòng)軸承制造技術(shù);洛陽(yáng)軸承研究所有限公司研制了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)用主軸承并在長(zhǎng)沙地鐵項(xiàng)目中得到應(yīng)用;中鐵裝備掌握了主驅(qū)動(dòng)軸承的集成應(yīng)用技術(shù)并積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[3]。

國(guó)內(nèi)企業(yè)雖然在3米級(jí)主驅(qū)動(dòng)軸承設(shè)計(jì)制造方面取得了一定成果,但在大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承高承載設(shè)計(jì)、高精密加工等方面與國(guó)外仍存在差距,而且對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承應(yīng)用過(guò)程中的失效風(fēng)險(xiǎn)缺乏全面的評(píng)估研究,亟需開(kāi)展相關(guān)研究[4]。大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承一般為三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承(圖1),尺寸較大,直徑甚至大于6 m,制造周期長(zhǎng)且運(yùn)輸困難。主驅(qū)動(dòng)軸承一旦發(fā)生早期失效將導(dǎo)致整套設(shè)備停機(jī),而洞內(nèi)維護(hù)處理的難度極大,會(huì)嚴(yán)重延誤施工工期,造成嚴(yán)重的工程損失[5]。因此,全面進(jìn)行主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)應(yīng)用的失效風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估,對(duì)于建立科學(xué)的主驅(qū)動(dòng)軸承維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范、保障主驅(qū)動(dòng)軸承的安全可靠應(yīng)用具有重要意義。

圖1 三排滾子主軸承截面示意圖

本文結(jié)合以往大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承工程實(shí)踐應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn),通過(guò)失效因素和模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)估分析,為大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)的研制與應(yīng)用維護(hù)措施的制訂提供支持。

2 失效與模糊分析

失效評(píng)估是系統(tǒng)失效管理的核心階段,對(duì)失效因素識(shí)別和因素控制起到承上啟下的作用,也為科學(xué)的失效風(fēng)險(xiǎn)管理與控制提供可靠的依據(jù)與佐證。常用的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型包括:故障樹(shù)(FAT)、失效模式及影響分析(FMEA)、模擬仿真法、排隊(duì)論方法、概率評(píng)估方法(PRA)[7]。對(duì)于主驅(qū)動(dòng)軸承,主要針對(duì)技術(shù)特征失效因素進(jìn)行建模,利用故障樹(shù)研究需要全面掌握主驅(qū)動(dòng)軸承部件、密封結(jié)構(gòu)以及人員和環(huán)境信息,分析難度大且成本高；模擬仿真法的初始條件難以確定,仿真精度受諸多因素的制約,較難控制；排隊(duì)論方法的預(yù)測(cè)模型運(yùn)算過(guò)程比較繁瑣，編程以及程序運(yùn)行耗時(shí)較多，且模型中復(fù)雜因素較多時(shí)易產(chǎn)生與實(shí)際情況不符的結(jié)果；概率評(píng)估方法能較好結(jié)合定性與定量分析，但建模難度大,需要投入較多的人力、物力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)評(píng),實(shí)際應(yīng)用的難度較大。

FMEA是對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中潛在問(wèn)題予以分析的方法,直接結(jié)果是跨功能小組的集體知識(shí)的文件化,其中評(píng)估部分最重要的是對(duì)潛在失效導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行討論，與系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和安全相關(guān)的因素應(yīng)給予優(yōu)先闡述以及控制權(quán)[8]。因此，本文基于FMEA，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)分析與層次分析，建立主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)失效因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，利用改進(jìn)的FMEA方法對(duì)失效因素進(jìn)行評(píng)估，將主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)失效因素以故障類型和故障致因進(jìn)行排序，找到導(dǎo)致失效的關(guān)鍵因素并針對(duì)性地管理[8]，為主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)管控提供支持。

3 主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)模糊分析

3.1 機(jī)械系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估

機(jī)械系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估步驟如圖2所示[9-10],具體步驟為:

圖2 一般機(jī)械系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估步驟

1)確定失效風(fēng)險(xiǎn)論域U和失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)論域集合V,即

U={u1,u2,u3,…,un},

(1)

V={v1,v2,v3,…,vn}。

(2)

W={w1,w2,w3,…,wn};∑w=1且w>0,

(3)

(4)

采用層次分析法得到系統(tǒng)各因素的權(quán)重。

3)確定失效風(fēng)險(xiǎn)因素序數(shù)(RPN),可表示為

TRPN=SSSOSD,

(5)

式中:SS為嚴(yán)重度;SO為發(fā)生頻率;SD為可探測(cè)度。SS,SO,SD為正整數(shù),取值范圍為1～10,其值根據(jù)行業(yè)專家打分調(diào)查取平均值確定。

(6)

(7)

(8)

6)確定二級(jí)系統(tǒng)失效因素排序論域Fi,即

(9)

對(duì)fij進(jìn)行排序可得第i個(gè)二級(jí)系統(tǒng)中因素的失效順序。

(10)

(11)

8)確定一級(jí)系統(tǒng)失效因素排序論域F,即

(12)

對(duì)fi進(jìn)行排序得到第i個(gè)一級(jí)系統(tǒng)中因素的失效順序。

3.2 主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)失效因素模糊分析

為在大型掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承進(jìn)行合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,針對(duì)評(píng)估結(jié)果制定科學(xué)有效的軸承保養(yǎng)維護(hù)計(jì)劃。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)出現(xiàn)的失效因素進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)分析并建立失效因素層次結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。

圖3 主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)失效因素的層次結(jié)構(gòu)

首先,建立失效風(fēng)險(xiǎn)論域U={u1,u2,u3},其中u1,u2,u3分別為因素失效的概率,失效后被檢測(cè)的難易程度以及失效后導(dǎo)致的主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)危害性;建立失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)論域集合V={0.1,0.4,0.7,1.0}T,分別對(duì)應(yīng)于很難失效、較易失效、容易失效、極易失效。

其次,通過(guò)層次分析法[11]確定一級(jí)系統(tǒng)和二級(jí)系統(tǒng)因素的權(quán)重集,即W={0.350 7,0.474 5,0.174 6},W1={0.152 4,0.096 7,0.477 1,0.273 9},W2={0.285 6,0.074 3,0.639 9},W3={0.175 4,0.313 1,0.216 8,0.295 4};選取大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承制造與應(yīng)用行業(yè)的10名專家,進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查并對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)取平均值確定S的數(shù)值,從而得出失效風(fēng)險(xiǎn)因素序數(shù)表,見(jiàn)表1。

表1 主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)因素序數(shù)表

然后,根據(jù)隸屬度函數(shù)定義,對(duì)連續(xù)單因素,采用隨機(jī)區(qū)間F函數(shù)四項(xiàng)分布形式描述其通用隸屬度函數(shù)[12],即

(13)

式中:Γ(x)為失效因素的隸屬度函數(shù);ε為根據(jù)SS,SO,SD的期望值確定的參數(shù),ε1<ε2<ε3;μ為根據(jù)SS,SO,SD的標(biāo)準(zhǔn)差確定的參數(shù)。

表2 失效因素隸屬度函數(shù)參數(shù)表

表3 失效因素隸屬度

則二級(jí)系統(tǒng)中失效因素排序論域Fi為

F2={0.514 8,0.327 0,0.436 8}T,

F3={0.301 2,0.298 5,0.406 0,0.325 2}T,

對(duì)Fi中的評(píng)估數(shù)值按照大小排序可得各二級(jí)系統(tǒng)中因素從大到小的失效風(fēng)險(xiǎn),如軸承部件失效因素排序?yàn)闈L道面、滾子、內(nèi)齒圈、保持架;油脂密封系統(tǒng)失效因素排序?yàn)槊芊馊?、螺栓、?rùn)滑油脂;機(jī)電系統(tǒng)失效因素排序?yàn)闄C(jī)械備件、電氣設(shè)備、殼體、螺栓孔。

C1={0.365 0,0.158 9,0.218 8,0.246 1}T,

F={0.499 3,0.450 8,0.330 1}T,

對(duì)F論域中的評(píng)估數(shù)值按照大小排序可得一級(jí)系統(tǒng)中3個(gè)因素的失效風(fēng)險(xiǎn)順序,即軸承部件、油脂密封系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)。因此,基于FEMA和模糊分析方法對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承進(jìn)行系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果表明,軸承部件的失效風(fēng)險(xiǎn)最大,應(yīng)給予更多的注意與管控。

4 主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)部件失效統(tǒng)計(jì)

為更加準(zhǔn)確地評(píng)估主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn),統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承失效案例[13-27]并調(diào)研了相關(guān)制造、應(yīng)用企業(yè),主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)的失效因素分布以及失效形式的概率分布如圖4所示:滾道表面的銹蝕、磨損和壓痕損傷在主驅(qū)動(dòng)軸承失效形式中占比最高;其次是密封結(jié)構(gòu)老化或損傷,密封失效極易使硬質(zhì)顆粒進(jìn)入潤(rùn)滑油脂,導(dǎo)致潤(rùn)滑油脂劣化并使軸承部件出現(xiàn)壓痕與磨損失效;滾道和滾子表面的剝落與劃傷失效占比較小,其與密封結(jié)構(gòu)失效和運(yùn)行工況有密切關(guān)系;滾子、滾道和齒面的裂紋在主驅(qū)動(dòng)軸承故障失效中的占比很小,但其危害卻最嚴(yán)重,裂紋進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致大面積剝落甚至齒面斷裂,嚴(yán)重影響主驅(qū)動(dòng)軸承的正常運(yùn)行。

(a) 失效因素分布

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)的FMEA結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了FMEA方法的有效性,也進(jìn)一步說(shuō)明,在主驅(qū)動(dòng)軸承應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該對(duì)軸承部件給予更多的重視,制定嚴(yán)格的維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范,而且也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)密封圈的檢查維護(hù),保證密封系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)失效因素和模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)估分析,將失效風(fēng)險(xiǎn)按從大到小進(jìn)行排序,軸承部件失效因素排序?yàn)闈L道面、滾子、內(nèi)齒圈、保持架,油脂密封系統(tǒng)失效因素排序?yàn)槊芊馊Α⒙菟?、?rùn)滑油脂,機(jī)電系統(tǒng)失效因素排序?yàn)闄C(jī)械備件、電氣設(shè)備、殼體、螺栓孔。

失效與模糊分析的結(jié)果與工程應(yīng)用中失效的主驅(qū)動(dòng)軸承案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致,軸承部件的失效風(fēng)險(xiǎn)更高,其中滾道面的失效概率最高。因此,在大型掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承的工程應(yīng)用中,需要對(duì)軸承部件和密封進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注與防護(hù),采取針對(duì)性的維保措施以防止其早期失效,從而提高主驅(qū)動(dòng)軸承的服役性能和壽命。