孫英時,杜 強(qiáng),馬千惠,臧德光,夏常青

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116028; 2.長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春130062)

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工裝裝備失效的分析評價

孫英時1,杜 強(qiáng)1,馬千惠1,臧德光1,夏常青2

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116028; 2.長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春130062)

以工藝裝備失效的相關(guān)理論為基礎(chǔ),根據(jù)生產(chǎn)線工藝裝備的使用情況進(jìn)行工況的分析.以ANSYS靜強(qiáng)度理論為基礎(chǔ),對工藝裝備進(jìn)行靜強(qiáng)度的分析,找出裝備的強(qiáng)度薄弱點(diǎn).對薄弱點(diǎn)及系統(tǒng)進(jìn)行可靠度和壽命的預(yù)估,并建立可靠性系統(tǒng)平臺,以指導(dǎo)工藝裝備及工裝的安全性監(jiān)控,為工裝及設(shè)備運(yùn)用的可靠性提供科學(xué)依據(jù).

工藝失效; 靜強(qiáng)度; 可靠性; 壽命

機(jī)械失效是指機(jī)械裝備或機(jī)械部件在使用過程中由于受到載荷、溫度及介質(zhì)環(huán)境三者的共同作用而喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象[1],它的主要形式包括斷裂、變型、腐蝕和磨損,其中斷裂失效對生產(chǎn)造成的危害最大[2].現(xiàn)有的工裝在使用過程中需要定期進(jìn)行檢查,找到薄弱環(huán)節(jié),這對于工裝設(shè)備的使用和管理意義重大.

1 工裝設(shè)備的失效分析

1.1 工裝設(shè)備的應(yīng)力分析

有限元法可以對各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理問題進(jìn)行分析,并且可以對復(fù)雜的工程機(jī)械問題進(jìn)行求解.本文工裝設(shè)備應(yīng)用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析,其基本流程如圖1所示.

圖1 ANSYS計算的基本方法Fig.1 Basic method of ANSYS calculation

ANSYAS在工裝設(shè)備求解的過程中,把位移作為一個未知量,利用微分方程離散為代數(shù)方程,并利用ANSYS中強(qiáng)大的求解器來進(jìn)行求解.彈性體在載荷作用下,體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可由6個應(yīng)力分量來表示.因此,把位移當(dāng)求解器中的基本解,然后利用幾何方程可計算出應(yīng)變,再根據(jù)本構(gòu)方程可以求得應(yīng)力分量.得到這些應(yīng)力分量后再利用等效應(yīng)力和主應(yīng)力的計算公式,即可得到其等效應(yīng)力、主應(yīng)力和各方向應(yīng)力,這些計算結(jié)果可作為校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的依據(jù).

1.2 工藝裝備可靠性評價

工裝設(shè)備可靠性的概念可以從廣義和狹義兩個角度去分別理解.通常認(rèn)為一個工裝設(shè)備在某段規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生失效的難易程度就是產(chǎn)品的狹義可靠性;而把工裝設(shè)備在全壽命的周期內(nèi)完成規(guī)定功能的能力作為廣義可靠性[3].

機(jī)械可靠性的分析方法主要包括:定量分析法(概率設(shè)計法、蒙特卡洛法和一次二階矩法等)和定性分析方法(Failure Mode Effect and Criticality Analysis,FMECA)故障模式、影響及致命度分析和故障樹分析法(Fault Tree Analysis,FTA)等[4].本文采用故障樹分析法進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械可靠性分析.1.2.1 故障樹分析方法

故障樹分析法FTA[5-6],該法通過將系統(tǒng)故障形式的原因由總體至部分按樹狀逐級進(jìn)行細(xì)化,以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計、工廠試驗(yàn)或現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的失效形式進(jìn)行可靠性分析.運(yùn)用該方法可以判明基本故障并確定故障產(chǎn)生的原因、造成的影響和發(fā)生的概率[7].故障樹分析法的順序,如圖2所示.根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),把容易發(fā)生故障的部位定義為觀測點(diǎn),設(shè)備的每個觀測點(diǎn)之間均為串聯(lián),每一個觀測點(diǎn)的失效都會導(dǎo)致整個設(shè)備的失效,因此每個觀測點(diǎn)都是本文所考慮失效的重點(diǎn).

圖2 故障樹分析法的順序Fig.2 Order of fault tree analysis

1.2.2 可靠性中的幾種常用概率分布

隨機(jī)變量的性質(zhì)可以用概率分布能夠很好地描述.主要的概率分布包括伯努利試驗(yàn)和二項分布、泊松分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布等[9].本文設(shè)定工裝設(shè)備應(yīng)力與施加的疲勞應(yīng)力都是服從正態(tài)分布的.

設(shè)備應(yīng)力:

(1)

疲勞應(yīng)力:

(2)

1.2.3 可靠性評價及壽命預(yù)估

根據(jù)每個觀測點(diǎn)的應(yīng)力值的級數(shù)與次數(shù)的關(guān)系對設(shè)備進(jìn)行權(quán)值的統(tǒng)計.隨機(jī)變量 ,并查正態(tài)分布表,可得每個觀測點(diǎn)的可靠性Ri.聯(lián)系應(yīng)力分布,疲勞應(yīng)力分布和代表可靠度的關(guān)系一般可通過式3進(jìn)行計算.由于本文中應(yīng)力為隨機(jī)變量,因此可根據(jù)可靠度反推出可靠壽命Ne.

(3)

根據(jù)每個觀測點(diǎn)的壽命,可得出觀測點(diǎn)和壽命的折線圖,可以很明顯看出壽命的最低點(diǎn).由于設(shè)備的每個觀測點(diǎn)是串聯(lián)連接,若其中一個觀測點(diǎn)失效,則設(shè)備失效,因此系統(tǒng)的故障壽命即為觀測點(diǎn)的最小年限.在以后的設(shè)備維護(hù)中,應(yīng)該根據(jù)預(yù)測結(jié)果,重點(diǎn)監(jiān)測失效點(diǎn)的影響,采取措施,消除安全隱患.

2 某工裝設(shè)備實(shí)例分析

企業(yè)某工裝設(shè)備用作為車體升降平臺,設(shè)備主要由托架、絲杠、底座軸承以及立柱導(dǎo)軌等部件構(gòu)成,一般是4臺設(shè)備同時使用,由操縱臺統(tǒng)一控制.需要拆卸、裝配以及維修的車體重量一般為60t,4臺相同設(shè)備分布于車體的四角,每角20t.根據(jù)工作狀態(tài)的不同,設(shè)備相同位置受力不一樣,在同一工作狀態(tài)下,不同位置受力也不同.

2.1 載荷工況分析

由于此設(shè)備屬于升降平臺,所以當(dāng)升至最高位置和升至中間位置時,應(yīng)該著重考慮此時工作狀態(tài)下的受力情況,因此根據(jù)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特征以及不同工作狀態(tài)下的受力情況,將其載荷工況分為4個,邊界條件的詳細(xì)描述見表1.

表1 設(shè)備載荷工況明細(xì)表

2.2 對設(shè)備三維建模

圖3 設(shè)備三維整體模型圖Fig.3 Quipment 3d model as a whole

利用三維軟件Pro/E對該設(shè)備進(jìn)行建模,如圖4所示.為了計算的準(zhǔn)確性,設(shè)備有限元模型主要以六面體實(shí)體單元構(gòu)成.將設(shè)備的三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,建立有限元模型,如圖5所示.

圖4 設(shè)備有限元模型Fig.4 Equipment of ANSYS model

2.3 設(shè)備ANSYS仿真結(jié)果

通過ANSYS的后處理功能,分別獲得各工況的變形云圖和應(yīng)力云圖,根據(jù)計算結(jié)果確定設(shè)備危險點(diǎn).為了盡可能多地找到可能發(fā)生危險的位置,對每個工況依次選取5個應(yīng)力點(diǎn).統(tǒng)計上述的計算結(jié)果,如表2所示.

根據(jù)設(shè)備的靜強(qiáng)度計算結(jié)果,可以得到設(shè)備失效的位置.該設(shè)備失效一般發(fā)生在7個位置,這7個位置可作為該設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)測的位置,即危險點(diǎn)發(fā)生的位置.對于這些位置,應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注并及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題,防止危險事故的發(fā)生.圖5為某工裝機(jī)械部分的故障樹圖.

2.4 設(shè)備可靠性計算與壽命預(yù)估

系統(tǒng)的壽命與每個觀測點(diǎn)的壽命計算相同.由系統(tǒng)的可靠性,查正態(tài)分布表,可得系統(tǒng)的隨機(jī)分布Z=-1.13,得到系統(tǒng)壽命為N=24年.根據(jù)結(jié)果得出觀測點(diǎn)3的壽命是最短的.由于設(shè)備的每個觀測點(diǎn)是串聯(lián)連接,若其中一個觀測點(diǎn)失效,則設(shè)備失效.因此系統(tǒng)的故障壽命即為觀測點(diǎn)的最小年限,Nx=1.21年.因此在對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時,應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)三位置對設(shè)備失效的影響.

表2 設(shè)備靜強(qiáng)度計算結(jié)果匯總

圖5 某工裝機(jī)械部分故障樹分析圖Fig.5 Equipment part of the fault tree analysis diagram表3 觀測點(diǎn)計算值表Tab.3 Observation point Calculated value table

觀測點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)/次應(yīng)力均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPaZRiRiNRNe/次Ni/年14563.666785.4101-0.6170.72911.0318324696007.8324517.6667118.4211-0.8340.81.0435141765352.9434416.1667149.9693-1.1340.90821.071467726381.2144368.000060.9426-3.9920.99991.249375128086621.3552123.666720.4179-20.2450.99999999------61164.500088.5000-5.0560.999991.33833239474139.971385.0000385.0000-0.6020.72911.031348253613.7841.00001.0000-46.1850.99999999------

3 工裝設(shè)備可靠性平臺

建立工裝設(shè)備可靠性平臺,根據(jù)工裝設(shè)備應(yīng)力分析數(shù)據(jù),對工裝設(shè)備進(jìn)行可靠度以及壽命的預(yù)估,具體流程如圖6所示.

圖6 可靠性分析流程圖Fig.6 Reliability Analysis Flowchart

輸入設(shè)備或工裝的基本信息,包括工裝或設(shè)備的名稱、觀測點(diǎn)名稱以及觀測點(diǎn)的應(yīng)力值.然后進(jìn)行“分析數(shù)據(jù)”,對系統(tǒng)的應(yīng)力均值以及標(biāo)準(zhǔn)差、分權(quán)進(jìn)行計算.對工裝設(shè)備進(jìn)行可靠性及壽命的預(yù)估,填入極限應(yīng)力值的標(biāo)準(zhǔn)差以及均值,可對觀測點(diǎn)以及系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行計算.可靠度和壽命的計算界面如圖7和圖8所示.

對每個觀測點(diǎn)的壽命、系統(tǒng)可靠性壽命以及系統(tǒng)故障壽命進(jìn)行計算,從壽命曲線可以非常清楚地看到觀測點(diǎn)的最短使用壽命.這樣對設(shè)備及工裝的失效進(jìn)行了更為直觀的檢測,有利于設(shè)備在之后進(jìn)行統(tǒng)一的管理與調(diào)用.

圖8 壽命計算界面Fig.8 Life forecast interface

4 結(jié)論

本文以工藝失效理論為基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)際工作中的需要以及企業(yè)所提供的圖紙進(jìn)行三維建模,并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分.依據(jù)生產(chǎn)線上的實(shí)際使用情況進(jìn)行工況的分析,然后進(jìn)行設(shè)備的有限元靜強(qiáng)度分析.根據(jù)靜強(qiáng)度分析的結(jié)果,找出每一個工況發(fā)生應(yīng)力危險點(diǎn)的位置.找出薄弱環(huán)節(jié),對每個觀測點(diǎn)及系統(tǒng)的可靠性以及壽命進(jìn)行預(yù)測.建立可靠性系統(tǒng)平臺,有利于對工裝設(shè)備的失效進(jìn)行監(jiān)測,提高工裝及設(shè)備的安全性能,為以后的工裝及設(shè)備的設(shè)計運(yùn)用提供了科學(xué)依據(jù).

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Failure analysis and evaluation on fixtures

SUN Ying-shi1,DU Qiang1,MA Qian-hui1,ZANG De-guang1,XIA Chang-qing2

(1.Institute of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Changchun Railway Vehicles Corporation Limited,Changchun 130062,China)

Based on the theory of fixtures,the working conditions of production lines are first analyzed.By applying the static strength theory via ANSSYSTM,the static strength is then attained to detect the strength weakness.Next,the reliability and life-cycle prediction are conducted on weakness and system.Upon completion of reliability system platform,the safety monitoring is postulated on reliability of fixture and equipment operations.

fixture failure; static strength; reliability; life cycle

遼寧省教育廳科研項目(20132191)

孫英時(1965-),男,副教授.E-mail:dlsys2006@163.com

TH 166

A

1672-5581(2016)02-0119-06