潜在失效分析在轴承设计中的应用

苗澍

（哈尔滨轴承集团公司技术中心，黑龙江哈尔滨150036）

1 前言

随着风电、精密机械、电机、铁路等行业的发展，与其相配套的轴承的使用寿命、承载、温度、转速等性能要求也不断提高。为了保证轴承满足系统使用性能要求，在设计过程中根据工况条件对轴承进行潜在失效分析，通过潜在失效模式后果分析和设计风险评估的方式，找出轴承设计中的潜在危险，识别轴承设计的薄弱环节并提出预防措施，使轴承的结构设计同时具有合理性和先进性，满足轴承的使用性能要求，保证并提高轴承的寿命和可靠性指标。

2 轴承失效模式

根据以往高性能轴承的失效模式，并且对已有研制经验的高性能轴承的技术状态进行摸底，对轴承的工况要求和技术特点进行分析，找出轴承研制的薄弱环节，对影响其疲劳寿命的因素进行分析，并通过技术更新和攻关，克服潜在失效隐患，提高轴承的极限性能。并对失效模式进行分析总结，找出轴承应用过程中的共性问题，包括：（a）系统对轴承工作的影响（过载或零载）；（b）工况是否明确、配合边界状态是否合理；（c）是否具备自主设计能力，是否将工况与结构结合起来；（d）国内材料转入批量生产后，质量存在不稳定情况及与国外轴承材料成分及质量的差距；（e）国外最先进的高性能轴承材料，国内是否有生产应用；（f）轴承的性能要求与工作系统的实际状态是否有差异。针对以上方面的共性问题并结合高性能轴承的自身特点，采取耐高温抗疲劳材料、采用渗碳处理、优化轴承内部结构参数等切合实际的应对措施，提高轴承可靠性。可在轴承设计过程中采取措施避免或降低失效发生，失效形式见表1。

3 设计潜在失效模式及后果分析

在设计过程中采取潜在失效模式及后果分析的手段，找到能够避免或降低这些潜在失效发生的措施。通过潜在的失效模式确定严重度、发生度、难检度值，并计算风险顺序数，其关系式为

式中：(S)—表示严重度，是潜在设计故障模式影响的严重程度等级，严重程度分1～10级。

（O）—表示发生度，是对于某已知的故障原因在产品设计寿命期内可能引发的故障频度的估计值或累积值相对应的等级数值，发生度划分为1～10级。

(D)—表示难检度，是在零件开始生产之前，通过有计划的设计控制，可以检测到某故障模式由某种原因引发的可能性的比率，难检度划分为1～10级。

RPN—风险顺序数。

当严重度大于6，同时RPN值大于100时，在设计过程中应采取措施，必要时采取变更设计的方式。

4 设计风险评估

风险评估包括三个步骤：风险辨识、风险分析及风险排序。

4.1 风险辨识

风险辨识的任务是找出风险事件。要对轴承设计的各方面、各过程的事件进行考察和辨识，将整个轴承产品分成若干个产品单元，并将产品的实现过程按实际情况分为若干个过程单元，依据产品的每项要求包括使用的条件和性能目标、关键的参数等，逐个地考察各个产品单元和各过程单元。确定关键的风险区和可能出现问题的单元，通过分解细化到适当的层次，确定出可能对系统、分系统或组成部分产生不利影响的事件即风险事件，并编绘风险事件表（略）。

进行风险辨识的途径是进行类推比较，汲取过去的经验和教训，收集有关信息，进行判断评价，找出关键的风险。设计开发过程中的风险要素包含以下几个方面：

（1）由产品的使用要求转化为产品的设计要求

a.对顾客提出的产品使用要求未认真评审和沟通，产品要求规定不当、过粗，设计要求模糊。

b.未明确使用环境要求。

c.设计要求提的太高。

d.设计要求不稳定，常变化。

（2）设计方案及技术途径

a.方案阶段未充分考虑各种影响因素。

b.设计方案或人机界面问题不符合用户的人力和技能水平。

c.依赖于未经考验的技术且无替代的方案。

d.项目的成功依赖于最新技术进步。

（3）设计的成熟性和可行性

a.设计采用了未成熟技术或“稀有”材料来满足性能指标要求。

b.技术未在要求的使用环境下得到验证。

c.设计指标依赖于复杂的硬件、软件或综合设计。

d.建模与仿真未经验证和确认，未足凭信。

e.软件设计缺陷，硬、软件之间系统需求分配不合理。

f.系统不能满足用户要求。

g.试图在较高的应力下使用部件器件。

（4）设计过程的控制

a.没有或未实施适宜的设计准则、规范和程序。

b.松散的、走过场的设计评审过程，达不到评审的目的。

c.没有采取所需要的设计手段和分析技术（例：CAD技术、故障模式和影响、可靠性预计等分析）。

d.没有建立和保持强有力的技术状态管理系统，随意更改设计。

e.必要的设计输出文件不全。

4.2 风险分析及风险排序

风险分析是对辨识出来的各重大风险进一步分析，找出风险的致因，判定可能出现的情况，关键过程对最佳惯例（或预期的目标），偏离的程度，确定每一个风险事件发生概率和后果，从而评定风险的大小，制定出风险等级判据，将风险事件发生的概率分为a、b、c、d、e五个等级，将风险一旦发生会造成的后果，分为1、2、3、4、5五个等级，通过专家评审确定每一个风险事件的相关等级。综合风险事件的发生的概率及后果的多种组合，将风险的大小划分为三个等级：高风险、中风险及低风险。定量的分析可对发生概率及后果作出量化的权重的规定，建立一些明确的衡量准则，如用失效概率（Pf）和失效后果（Cf）以及其它认为合适的因素，进行定量的比较。

5 结束语

通过潜在失效分析在轴承设计中的应用，避免了轴承设计的不完善或缺陷，降低了设计方案本身可能引入的潜在危险，减少或避免了轴承因设计问题造成的人员伤亡、设备损坏或财产损失等事件的发生，提高了轴承可靠性指标和使用寿命。