邱俊柱, 賀志斌, 郭文會

(群建精密機械有限公司,貴州 遵義 563000)

諧波減速器是一種區(qū)別于傳統(tǒng)齒輪傳動的特殊減速器,具有高精度、高效率的特點,結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機床、精密半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備、機器人關(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、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估、故障診斷和故障預(yù)測等方面。此外還存在諸多有關(guān)可靠性評估因素,如柔輪齒輪損傷、柔輪撕裂、柔性軸承損壞等。諸多故障會導(dǎo)致設(shè)備停機維修,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估問題具有重要意義。

1 諧波減速器可靠性評估方法

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

1.1 壽命試驗法

諧波減速器壽命試驗法是在進行諧波減速器壽命試驗時,通常會通過模擬實際使用環(huán)境下的負載和工作條件,對諧波減速器進行的長時間運行測試。測試結(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。壽命試驗法的內(nèi)容分析如下。

(1)試驗前的準備工作:在進行試驗之前,需要對諧波減速器進行充分的檢查和維護,以確保其運行狀態(tài)良好。還需要選擇合適的測試臺和測試條件,以模擬實際使用環(huán)境下的負載和工作條件。

(2)試驗過程的控制:在試驗過程中,需要對測試臺和測試條件進行嚴格的控制,以確保測試結(jié)果的準確性和可靠性。在試驗過程中需要對諧波減速器的溫度、振動、噪聲等參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄。

(3)數(shù)據(jù)分析和處理:在試驗結(jié)束后,需要對試驗過程中所記錄的數(shù)據(jù)進行分析和處理,以得出諧波減速器的壽命和可靠性評估結(jié)果。這個過程需要考慮多種因素,如試驗條件、負載、工作時間等等。

(4)結(jié)果的解釋和應(yīng)用:最后需要對測試結(jié)果進行解釋和應(yīng)用。制造商可以根據(jù)測試結(jié)果來改進產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。用戶可以根據(jù)測試結(jié)果來選擇合適的維護和保養(yǎng)方法,延長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行機理和故障原因,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:首先需要確定諧波減速器的系統(tǒng)邊界和目標,包括系統(tǒng)所處的環(huán)境、操作要求、故障定義等。

(2)識別故障:在確定系統(tǒng)邊界和目標后,需要識別可能導(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,需要確定各個原因之間的邏輯關(guān)系,例如某個原因是否是其他原因的前提條件或后果,或者某個原因是否需要多個因素的共同作用才能導(dǎo)致故障。

(4)評估故障樹:對于構(gòu)建好的故障樹,需要對其進行評估,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、加強維護、改進設(shè)計等,以預(yù)防或減少諧波減速器故障的發(fā)生。

1.3 可靠性指標法

諧波減速器的可靠性指標是通過對各種可靠性指標的分析,可以全面評估諧波減速器的性能和使用壽命,進而制定相應(yīng)的維護和保養(yǎng)計劃,以保障諧波減速器的穩(wěn)定運行。諧波減速器的可靠性指標是評估其穩(wěn)定性和可靠性的一種方法,可靠性指標法內(nèi)容分析如下。

(1)故障率:故障率是指在單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。對于諧波減速器來說,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)進行統(tǒng)計分析,也可以通過實驗測試進行確定。

(2)MTBF:MTBF是指平均無故障時間,即在單位時間內(nèi)諧波減速器平均工作時間。MTBF越長,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)進行統(tǒng)計分析,也可以通過實驗測試進行確定。

(3)可靠性指標:可靠性指標是根據(jù)諧波減速器的設(shè)計和使用條件計算出來的指標,包括可靠性、失效率、失效概率等?？煽啃灾笜丝梢詭椭u估諧波減速器在實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)容錯能力:容錯能力是指諧波減速器在發(fā)生故障后,能夠保持一定的運行能力和性能。對于諧波減速器來說,容錯能力越強,說明其越具備自我保護能力和穩(wěn)定性。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

諧波減速器可靠性統(tǒng)計學(xué)方法是通過綜合運用各種可靠性統(tǒng)計學(xué)方法,更準確地評估諧波減速器的可靠性表現(xiàn),進而制定相應(yīng)的維護和保養(yǎng)計劃,以保障諧波減速器的穩(wěn)定運行?？煽啃越y(tǒng)計學(xué)方法內(nèi)容分析如下。

(1)故障率分析:通過對諧波減速器歷史故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,計算出故障率指標,用于評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)計方法。通過對諧波減速器歷史故障數(shù)據(jù)進行生存分析,可以確定其使用壽命和故障規(guī)律,為諧波減速器的維護和保養(yǎng)提供依據(jù)。

(3)可靠性指標分析:可靠性指標是根據(jù)諧波減速器的設(shè)計和使用條件計算出來的指標,包括可靠性、失效率、失效概率等。通過對這些指標進行分析,可以評估諧波減速器的可靠性和穩(wěn)定性表現(xiàn)。

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

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

1.5 系統(tǒng)安全性評估法

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

(1)風(fēng)險分析:風(fēng)險分析是一種通過對諧波減速器使用環(huán)境和可能存在的安全問題進行評估,確定潛在風(fēng)險并采取相應(yīng)措施的方法。風(fēng)險分析包括識別危險、評估風(fēng)險和確定風(fēng)險控制措施。

(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估諧波減速器各種可能的失效模式及其對系統(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,并采取相應(yīng)的措施進行風(fēng)險控制。

(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估方法。通過RAM分析,可以評估諧波減速器在設(shè)計、制造、使用和維護過程中可能涉及到的安全問題,并采取相應(yīng)的措施進行風(fēng)險控制。

(4)故障模式和效應(yīng)分析(FMECA):故障模式和效應(yīng)分析是一種評估諧波減速器各種可能的故障模式及其對系統(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,并采取相應(yīng)的措施進行風(fēng)險控制。

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

2 諧波減速器可靠性評估模型分析

諧波減速器可靠性評估模型是用于評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),進而計算諧波減速器的平均失效時間、可靠性指標等。

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),從而計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等。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)計和維護提供依據(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模擬模型是通過對諧波減速器壽命分布進行隨機抽樣,模擬大量樣本,從而計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等。模型實現(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)通過隨機數(shù)生成器,隨機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)對樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等;

(4)重復(fù)進行大量模擬實驗,得到一系列的可靠性指標和失效率等,計算其平均值、方差等統(tǒng)計量;

(5)通過對一系列實驗結(jié)果的分析,確定諧波減速器的可靠性水平;

(6)模型的優(yōu)點是能夠模擬諧波減速器失效的真實情況,能夠考慮多種因素的影響,如工作條件、負載變化等,因此能夠更為準確地評估諧波減速器的可靠性水平。缺點是需要進行大量的模擬實驗,計算量較大,需要較強的計算能力支持。

2.3 Markov模型法

Markov模型可以計算諧波減速器在不同狀態(tài)下的可靠性指標和過渡概率,為諧波減速器的設(shè)計和維護提供重要參考。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,計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等。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,計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等。

模型的優(yōu)點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,從而更為準確地評估諧波減速器的可靠性水平。缺點是對諧波減速器的狀態(tài)抽象和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的確定有一定要求,需要較為嚴格的模型設(shè)計和計算。

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,計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等。模型的基本思想是將諧波減速器分解為若干個可靠性塊,每個可靠性塊代表一個具有獨立功能的部分,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,計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等。可靠性塊圖模型內(nèi)容分析如下。

(1)確定諧波減速器的各個可靠性塊,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)計算各可靠性塊的可靠性指標,如可靠度、失效率等,可以采用可靠性統(tǒng)計學(xué)方法、理論模型等方法;

(4)組合各可靠性塊的可靠性指標,計算諧波減速器的可靠性指標和失效率等;

(5)根據(jù)諧波減速器各可靠性塊的失效率,可以進行可靠性預(yù)測和維護規(guī)劃等。

模型的優(yōu)點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際運行情況,能夠為諧波減速器的維護提供有針對性的建議。缺點是分解可靠性塊需要較高的專業(yè)知識和經(jīng)驗,同時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估和提高是一個系統(tǒng)工程,需要綜合考慮各種因素。對諧波減速器的可靠性進行評估和提高,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,如維護管理、優(yōu)化設(shè)計、改進材料等。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)定運行,為諧波減速器研究和生產(chǎn)提供有效的力量支撐。