机械产品可靠性设计分析-案例

北京航空航天大学工程系统工程系2019/8/51案例教学机械产品可靠性设计分析2019/8/52某锁机构可靠性设计分析某锁机构产品说明某锁机构FMEA分析某锁机构FTA分析了解强度分析仿真了解动力学分析仿真了解可靠性分析仿真2019/8/53锥杆式概述2019/8/54概述锥杆式2019/8/55概述锥杆式2019/8/56概述周边外翻式2019/8/57概述周边内翻式2019/8/58产品说明某锁结构示意图2019/8/59单锁运动仿真2019/8/510锁系运动仿真2019/8/511某锁机构FMEA分析某锁机构FMEA实施对接锁系功能分析故障判据对接锁系故障模式分析严酷度定义危害性定性分析FMECA输出I、II类故障模式(零件)清单危害性矩阵2019/8/512某锁机构FMEA分析图1主动钩组件结构功能图主动钩组件主动锁销68,66火工品工作后使锁钩绕其旋转,和限位板65一起限定锁钩轨迹主动锁钩43和目标航天器被动锁钩相互作用，实现锁合,解锁等限位板65限制主动锁销68的运动轨迹螺钉组合16,17,22固定限位板65到壳体上;固定拉簧21的另一端到偏心套上偏心套41承受锁紧拉力，传动拉簧21通过拉簧支架对偏心套施加拉力拉簧支架55拉住拉簧21的另一端螺钉49为主动钩定位棒提供压紧力固定拉簧支架55到壳体上螺钉组合7,8,9固定簧片簧片96火工品工作后，定位主动钩主动钩定位棒104偏心转动，产生锁钩行程偏心轴33减小摩擦力；支撑偏心轴滚针轴承73,78承受轴向力，定位轴承73、78；减小摩擦力轴承70,83紧固轴承座67到壳体上;紧固轴承端盖69到偏心套上螺钉63,76固定和定位滚针轴承78端盖74,77定位轴承70外圈轴承端盖69定位轴承70内圈挡圈71定位滚针轴承83内外圈端盖62,82安装定位轴承78、83轴承座67异常情况下强制解锁脱开对接锁火工品紧固绳轮与偏心轴33之间的花键配合螺钉80防止螺钉松动垫圈79主动绳轮72连接电机，将电机的动力通过绳索传出完成主动运动，和被动钩实现对接，锁紧，保持和解锁等动作2019/8/513某锁机构FMEA分析某锁机构（正常）对接阶段功能流程图驱动组合主动锁绳轮力矩钢丝绳1从动锁绳轮1力矩角度位移传感器从动锁(5个)控制系统航天器给出对接锁工作信号被动航天器从动锁力主动锁钩偏心轴偏心套主动锁钩电源开/关信号被动航天器主动锁钢丝绳3从动锁绳轮2钢丝绳9从动锁绳轮5力矩主动锁钩力矩主动锁钩……力力力锁合传感器锁合传感器锁合传感器锁合传感器钢丝绳11……主动锁触点信号4/6(G)故障时向地面传送遥感信号偏心轴偏心套偏心轴偏心套偏心轴偏心套2019/8/514某锁机构FMEA分析故障判据在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系统故障。寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障）均计为影响系统基本可靠性的关联故障；在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障计为影响任务的关联故障。零件级产品故障判据组件级产品故障判据部件级产品故障判据2019/8/515某锁机构FMEA分析表14对接锁系故障严酷度的定义严酷度类别严重程度定Ⅰ类(灾难的)这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤亡的故障。Ⅱ类(致命的)这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本功能或影响航天员健康的故障。Ⅲ类(临界的)这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康有些影响。Ⅳ类(轻度的)这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影响产品有效使用和操作。严酷度定义2019/8/516某锁机构FMEA分析对接锁系故障模式发生概率等级定义等级定义故障模式发生概率的特征故障模式发生概率（在产品使用时间内）A经常发生高概率某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的20%B有时发生中等概率某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%，小于20%C偶然发生不常发生某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%，小于10%D很少发生不大可能发生某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1%，小于1%E极少发生近乎为零某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.1%危害性定性分析2019/8/517某锁机构FMEA分析FMEA输出I、II类故障模式(零件)清单2019/8/518某锁机构FTA分析顶事件的选择和描述故障树的建造故障树的定性分析故障树分析的结果和建议2019/8/519某锁机构FTA分析某锁机构顶事件的选择和描述序号顶事件定义说明1不同步是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性要求2锁紧失败是指在主、被动航天器对接过程中，锁系正常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里对控制系统、转换装置的可靠性不进行展开分析）3锁紧保持失败是指在主、被动航天器在联合飞行期间，主、被动锁系结构无法保持结构完整性。2019/8/520某锁机构FTA分析故障树的建造壳体失效5个……主动钩组件故障主动锁钩断裂被动钩组件2结构破坏被动锁钩断裂被动锁销断裂偏心轴失效偏心轴异常变形偏心轴断裂主动钩不动作主动锁销断裂锁销与限位板卡死火工品断裂火工品断裂3/66个……锁紧不到位对接锁故障不能锁紧驱动组合故障绳轮断裂B意外中止火工品意外运行火工品意外运行锁紧失败第Ⅱ组对接锁锁紧失败第Ⅰ组对接锁锁紧失败主动航天器第Ⅱ组对接锁锁紧失败备份失效被动航天器第Ⅱ组对接锁被动钩锁紧失败螺钉固定失效不工作卡死螺栓固定失效锁合传感器无信号锁合传感器无信号主动锁2不能锁紧从动锁4不能锁紧从动锁12不能锁紧钢丝绳断裂被动钩组件12结构破坏6个……主动航天器第Ⅰ组对接锁锁紧失败被动航天器第Ⅰ组对接锁被动钩锁紧失败壳体异常变形23344555滑轮摩擦力过大滑轮轴异常变形圆头滚针过量磨损润滑不良滑轮支架结构破坏滑轮支架异常变形滑轮轴异常变形圆头滚针碎裂2正常锁紧失败备份第Ⅱ组对接锁锁紧失败备份第Ⅰ组对接锁锁紧失败被动航天器第Ⅱ组对接锁锁紧失败主动航天器第Ⅱ组对接锁被动钩锁紧失败3被动航天器第Ⅰ组对接锁锁紧失败2主动航天器第Ⅰ组对接锁被动钩锁紧失败32锁紧失败故障树2019/8/521某锁机构FTA分析故障树定性分析锁紧失败故障树的最小割集2019/8/522某锁机构FTA分析故障树定性分析底事件清单2019/8/523某锁机构FTA分析故障树分析的结果和建议2019/8/524强度分析仿真输入条件功能分析材料属性工作环境载荷分析计算输出结果零件静强度分析计算组合件整体分析计算零件、组件对比分析2019/8/525强度分析仿真材料属性2019/8/526载荷分析计算某锁载荷、约束示意图主、被动锁钩钩面分别施加40KN纵向拉力（正常情况下仅主动钩承力）1948N1948N1827N1585N1827N1706N1706N2069N将钢丝绳的极限拉力简化作用在滑轮支架的8个滑轮安装处壳体下表面三个螺栓安装孔施加固定约束壳体上表面四个螺栓安装孔施加固定载荷壳体上表面施加纵向约束2019/8/527传力路线分析主动锁钩火工品偏心套偏心轴壳体主动锁销对接框滚针轴承主动钩组件传力路线2019/8/528锁系静强度分析计算零件的应力变形云图零件承载能力分析组件的应力变形云图零件、组件计算结果对比分析2019/8/529零件计算示例主动锁钩常温下的应力变形云图2019/8/530零件计算结果2019/8/531动力学分析仿真由于多柔体动力学分析仿真计算量要远远高于刚性体动力学分析，为了仿真效率，采用了双Xeon核心处理器的工作站进行计算，仿真计算环境如下：（1）软件环境操作系统：windows2000serversp4仿真软件：MSC.adams2005r2（2）硬件环境处理器：双XeonP42.8GHz处理器物理内存：KingstonEccReg奇偶校验工作站专用内存4×1G储存介质：双SataII80G×2组raid0磁盘阵列为了充分利用系统资源，采用了多线程处理技术来提高仿真速度，利用外部单独的adamssolver求解模块进行多线程计算。仿真时间：16916.78cpuseconds（约4.7小时）2019/8/532动力学分析仿真单组锁动力学模型（含柔性绳索，显示了全部的约束和碰撞关系）2019/8/533动力学分析仿真绳轮驱动力矩vs偏心轴转角2019/8/534动力学分析仿真锁系锁紧前期的绳轮转角vs时间2019/8/535动力学分析仿真被动锁碟簧力vs偏心轴转角性能试验数据低温-50℃2019/8/536动力学分析仿真滑轮、绳轮与钢丝绳索之间的空间摩擦特性对同步性影响较大；钢丝绳索和碟簧的预紧力对锁系同步性影响较大；碟簧的阻尼系数对锁系动力学响应的稳定性影响较大；电机驱动力矩曲线对锁系同步性较大；按照理论模型优化结果，设置递增预紧力，滞后最严重的不一定是最后一把单锁，锁系各单锁之间存在一个动态平衡过程，该过程受多种因素影响，主要有摩擦系数以及刚性阻尼系数等。2019/8/537动力学分析仿真动力学仿真分析总结：通过仿真模拟了对接、拉紧保持和解锁三个运动阶段，得到的结果和试验数据比较吻合。建立了空间三维载荷环境，给出了对接锁中各重要零部件的运动参数及受力情况，并且充分考虑了碰撞摩擦力、运动副摩擦力、碰撞作用力等对运动过程影响较大的关键参数。实现了离散化多柔体动力学仿真，解决了柔性绳索动力学仿真的难点，建立了一套比较通用的柔性绳索建模仿真思路和方法。通过参数化建模，搭建了空间对接锁系虚拟样机动力学模型，为运动可靠性分析仿真奠定了良好的基础。2019/8/538可靠性分析仿真2019/8/539可靠性分析仿真2019/8/540谢谢