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课程大作业 20152016 学年学年 第第 2 学期学期 题 目 大功率风电机用变桨驱动器的可靠性分析 所 在 院 系 机械工程学院 课 程 名 称 系统可靠性设计分析 课 程 编 号 00212744 学 生 姓 名 张峰 学 号 20152173 专 业 班 级 机械工程 1502 班 任 课 教 师 李永华 职 称 教授 卷 面 成 绩 1 大功率风电机用变桨驱动器的可靠性分析 摘要:大功率风力发电机用变桨距驱动器是风力发电系统的关键部件之一,其承载能力、机 械性能及无维修寿命的可靠性是影响整个风力发电机系统正常工作的关键因素。如今可靠 性已经成为国内外各研究机构和学者所致力研究的重点和热点。努力提高产品质量的可靠 性,不仅能够防止或者减少故障或事故的发生,而且可以节约开发成本、降低维修维护费用 和其他由于产品可靠性不高而产生的额外费用。建立了大功率风力发电机用变桨距驱动器 系统的可靠性模型,分析了大功率风力发电机用变桨距驱动器故障原因和典型故障模式。 以大功率风力发电机用变桨距驱动器不能正常工作作为顶事件建立故障树,并进行分析。 对大功率风力发电机用变桨距驱动器的系统进行了可靠性分配和可靠性预计。 关键词:FMECA 分析 故障树分析 风电机 可靠性分析 2 目录 1.1.绪绪论论3 2.2. 大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立.3 3.3. 大功率风大功率风电电机用变桨驱动器的机用变桨驱动器的 FMECAFMECA 分析分析4 3.1 故障分析的基本程序 4 3.2 大功率风电机用变桨距驱动器 FMECA 工作表单.4 3.3 大功率风电机用变桨距驱动器危害度矩阵图分析.7 4.4. 大功率风电机用变桨距驱动器的大功率风电机用变桨距驱动器的 FTAFTA 分析分析8 4.1 故障树的建模8 4.2 故障树的分析9 5.5.系统可靠性预系统可靠性预计计.11 6.6.系系统可靠性分配统可靠性分配.12 7.7.结论结论14 参考文献:参考文献: 14 3 1.1.绪论绪论 风力发电机是直接将风能转化为电能的设备,随着风能这一新能源的快速崛 起和发展,风力发电机的生产、制造、使用和研发改进也得到了飞速的发展。变 桨距驱动器是风力发电系统的关键部件, 是实现叶轮对风控制的核心部件,直 接影响整个机组的性能和风能利用效率。当自然界风速有变化时,它可以适当调 节安装在风电机轮毂上的叶片的桨距角,既能有效减少风速大幅度急剧变化时对 风电机的强力冲击,又能吸收接近额定功率的能量。风电变桨驱动器由于工作环 境十分恶劣,且安装在距地面几十米甚至上百米的狭小机舱内,维护不便,对 变桨驱动器的可靠性分析,具有十分重要的现实意义。 大功率风电机变桨驱动采用二级摆线针轮行星减速器,它主要由电机输入轴、 中间轴、输出轴、摆线轮、针轮、柱销、转臂轴承、针齿壳等主要构件组成。 2.2. 大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立大功率风电机用变桨驱动器系统可靠性模型的建立 可靠性模型是指为预计或估算产品的可靠性建立的可靠性框图和数学模型。 建立系统可靠性模型的目的是用于定量分配、估算和评估产品的可靠性。 在机械传动系统可靠性设计中,整个系统的可靠度一般是先通过综合计算各 组成零件的可靠度来实现的。在进行可靠度计算时,将系统考虑为串联系统,则 系统中每一组成零件失效均会导致整个系统失效,即各组成零件的可靠度的连乘 积就是系统的可靠度。 n is RR 1 式中,为系统的可靠度,为零件 的可靠度。 s R i Ri 大功率风电机用变桨距驱动器传动系统属于串联系统,各零件间存在相关 性,对各零部件在相互独立的情况下进行可靠度计算。在系统分析中,关键零部 件对传动系统可靠性有较大影响。系统传动可靠度计算的主要关键部件包括:电 机输入轴轴承、电机输入轴、中间轴轴承、中间轴、输出轴轴承、输出轴、两 级转臂轴承、两级减速装置的摆线轮和密闭装置。可靠性框图如图 1 所示: 输 入 轴 轴 承 电 机 输 入 轴 一 级 转 臂 一 级 摆 线 轮 输 入 轴 轴 承 中 间 轴 轴 承 中 间 轴 二 级 转 臂 轴 承 二 级 摆 线 轮 中 间 轴 轴 承 输 出 轴 轴 承 输 出 轴 输 出 轴 轴 承 密 封 装 置 图 1 大功率风电机用变桨距驱动器减速器系统可靠性框图 4 3.3. 大功率风电机用变桨驱动器的大功率风电机用变桨驱动器的 FMECAFMECA 分析分析 对大功率风电机用变桨距驱动器系统进行 FMECA 分析,就是分析大功率风 电机用变桨距驱动器产品中每一潜在的故障模式并确定其对产品产生的影响,以 及把每一个潜在的故障模式按它严重程度进行分类。其最终目的是分析大功率 风电机用变桨距驱动器的薄弱环节,找出其潜在弱点,采取相应措施以提高大功 率风电机用变桨距驱动器产品的可靠性。 对大功率风电机用变桨距驱动器的 FMECA 分析要从故障信息出发,从故障的 最小单元到上一级单元直至最高单元导致的故障影响。功率风电机用变桨距驱 动器系统上的故障率较高的部件,对摆线轮、转臂轴承、柱销、柱销套、润滑泵、 紧固螺栓、传动轴、密封件等进行分析,发现其主要的失效模式有:失效、磨损、 胶合、老化、堵塞、异常磨损等。 3.1 故障分析的基本程序 (l)现场调研:主要收集大功率风电机用变桨距驱动器的背景数据和使用条件;在 现场进行故障收集,如拍照等;研究出现故障件的残骸; (2)分析并找出出现故障的原因:对出现故障的零件进行分析;通过理论计算分析、 模拟实验等方法和手段确定出现故障的原因; (3)分析结论:对每一个故障零件分析的结果进行总结,然后进一步分析和归纳形 成结论。 FMECA 的流程图如图 2 所示: 系 统 定 义 故 障 模 式 分 析 故 障 原 因 分 析 故 障 影 响 及 严 酷 度 故 障 检 测 方 法 分 析 设 计 改 进 措 施 分 析 使 用 补 偿 措 施 分 析 危 害 性 分 析 FMECA报告 故障模式及影响分析 图 2 FMECA 流程图 3.2 大功率风电机用变桨距驱动器 FMECA 工作表单 为了划分不同故障模式产生最终影响的严重程度,在进行故障影响分析之前,一 般需要对最终影响后果等级进行预定义,从而对系统中各故障按其严重程度进行 分级。按严酷度划分为如表 1 所示,按故障率划分为如表 2 所示。 5 表 1 严酷度等级表 类别故障程度描述 I 灾难性风电机组严重毁坏造成不可估量的经济损失 II 致命性 系统严重损坏不能正常工作,引起重大经济损失 III 临界性机组需要停机维修,造成一定的经济损失 IV 轻度性导致非计划性维护或修理和一定的经济损失 表 2 故障率等级表 类别发生状态描述 A 经常发生 某故障模式的发生概率大于总故障概率的 20% B 有时发生 故障模式的发生概率大于总故障概率的 10%但小于 20% C 偶然发生 故障模式的发生概率大于总故障概率的 1%但小于 10% D 很少发生 故障模式的发生概率大于总故障概率的 0.1%但小 于 1% E 极少发生故障模式的发生概率小于产品总故障概率的 0.1% 根据严酷度类别和故障模式的概率等级综合考虑,危害度分为 4 级。大功率 风电机用变桨距减速器系统的 FMECA 工作表单见表 3。 表 3 大功率风电机用变桨距减速器系统的 FMECA 工作表单 序 号 部 件 功 能 故障 模式 故障 原因 故障 局部 影响 影响 对 上 一 级 最 终 预防 措施 严 酷 度 等 级 概 率 等 级 危 害 度 1 电 机 支 架 固定 电机 连接 减速 器 开裂 强度 不够, 装配 不当 机座 损坏 电机 不固 定不 运转 减速 器停 转 保证支架 刚度和强 度,防止 装配不当 IIID4 2 滚 动 轴 承 支撑 输入 轴转 动 点 蚀, 过 大 塑 性 变 形 磨损 胶合 重复 承受 变化 的接 触应 力 轴承 损坏 输入 轴不 能转 动 减速器 停转 更换滚动 轴承 IB2 6 3 电 机 输 入 轴 传递 运动 和动 力, 支撑 回转 零件 轴断裂 过大的 塑性变 形 疲劳强 度不够, 工艺不 良 轴不 转动 输入 电机 停转 减速器 停转 表面强化 处理,提 高振动稳 定性 IB2 4 摆 线 轮 实现 一级 减速 断裂变 形 疲劳磨 损强度 不够 传动失 效 一级 减速 不能 实现 减速器 停转 提高加工 精度,改 善热处理 IB2 5 转 臂 轴 承 支撑 摆线 轮转 动 点蚀 过大的 塑性变 形 磨损 胶合 重复承 受变化 的接触 应力 传动失 效 一级 减速 输出 失效 减速器 停转 更换轴承 IB2 6 连 接 法 兰 连接 一二 减速 装置 裂缝 尺寸超 差 加工精 度超差 压力过 大 连接密 封失效 传动 失效 减速器 停转 提高加工 精度,改 善加工工 艺 IVE4 7 固 架 油 封 防止 漏油 固定 轴承 变形 折断 尺寸 超差 磨损 老化 强度 不够 密封和 定位失 效 漏油 轴承 损坏 减速器 停转 更换油封 IVE4 8 中 间 轴 传递 运动 和动 力支 撑回 转零 件 轴断裂 过大的 塑性变 形 疲劳强 度不够, 工艺不 良 中间轴 不转动 二级 减速 失效 减速器 停转 表面强化 处理,提 高振动稳 定性 IB2 9 摆 线 轮 实现 二级 减速 断裂 变形 疲劳磨 损强度 不够 传动失 效 二级 减速 不能 实现 减速器 停转 提高加工 精度,改 善热处理 IB2 10 偏 安装断裂疲劳磨传动失转臂减速器选择合适 IID4 7 心 套 转臂 轴承 形成 H 机 构 变形损强度 不够 效轴承 损坏 不能 形成 H 机 构 停转材料,提 高加工精 度 11 针 齿 壳 安装 针齿 开裂强度不 够 针齿损 坏 不能 与摆 线轮 啮合 减速器 停转 提高加工 精度 IIIE4 12 针 齿 销 与摆 线轮 啮合 断裂变 形 疲劳强 度不够 针齿损 坏 不能 与摆 线轮 啮合 减速器 停转 提高加工 精度 IC3 13 法 兰 式 机 座 固定 减速 器 开裂强度不 够,装 配不当 固定失 效 减速 器振 动严 重 减速器 停转 保证机座 强度和刚 度,防止 装配不当 IIID4 14 输 出 轴 传递 运动 和动 力 轴断裂 过大的 塑性变 形 疲劳强 度不够, 工艺不 良 输出 轴不 转动 减速 失效 减速器 停转 表面强化 处理,提 高振动稳 定性 IB2 15 输 出 端 盖 密封 减速 器固 定轴 承 裂缝, 尺寸超 差 压力过 大 密封失 效 漏油减速器 停转 提高加工 精度,改 善工艺 IVE4 3.3 大功率风电机用变桨距驱动器危害度矩阵图分析 常用的危害性分析方法包括风险优先数法和危害性矩阵法, 选择危害性矩 阵法对大功率风电机用变桨距驱动器进行分析。 危害性矩阵法是用来确定和比较每一故障模式的危害程度,进而为确定改进 措施的先后顺序提供依据。具体方式为绘制矩阵图,矩阵图的横坐标用严酷度类 别表示,纵坐标用产品危害度或故障模式发生概率等级表示。从原点开始,所记 录的故障模式分布点沿着对角线方向距离原点越远,其危害性越大,越需尽快采 8 取改进措施。大功率风电机用变桨距驱动器各零件危害度矩阵图如图 3 所示。 A B C D E III III IV 图 3 大功率风电机用变桨距减速器危害度矩阵 从矩阵图上可以明显看出,危害度最大的零件是:电机输入轴、转臂轴承、 滚动轴承、摆线轮、中间轴、输出轴;其次是针齿销、偏心套等。另外,由于各 个系统元素具有不同的功能并且对整个系统可靠性起的作用也不尽相同。所以, 没有必要将系统的所有因素同等看待。因此,有些元素对系统的传动性影响不大。 这里主要考虑传动系统的可靠度
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