随着海洋经济的大力开发和水下潜航器电气化程度的提高,作为潜航器的动力部分,电力推进器已成为未来水下动力的发展趋势。相较于传统燃油推进器,电力推进器有以下优势:1)电力推进器的效率高;2)电力推进器可省去变速器的中间环节,使得结构更加简单;3)电力推进器更容易控制;4)电力推进器的振动噪声更小;5)电力推进器对环境更加友好等[1]。
而水下轮缘推进器因其结构简单、运行稳定、下潜海域深等特点,并且作为电力推进器的重要组成部分,越来越被受到重视。水下轮缘推进器在结构上由壳体、定子、转子、导流罩、螺旋桨、水润滑轴承、水密接插件、密封圈、推力轴承等零部件组成。当三相正弦电流通入定子后,定子会产生一个交变的旋转磁场,与转子上的磁场产生旋转吸力,从而带动转子通过水润滑轴承做出旋转运动,最终实现螺旋桨旋转,旋转的螺旋桨将海水产生局部的压力差,进而产生推力给潜航器提供动力[2]。
在水下或深海的极端环境下,水下轮缘推进器将会承受来自高压力、高腐蚀以及绝缘等方面的考验,那么水下轮缘推进器的可靠性也是科研人员的工作重点[3]。为了能计算出水下轮缘推进器的可靠性,本文提出了基于FMECA与RPN的融合策略,将其结果作为加权因子再复合到水下轮缘推进器的可靠性计算中,最终得出水下轮缘推进器的复合可靠性计算值,为工程设计人员提供具有实际意义的可靠性帮助。
1 水下轮缘推进器的FMECA分析 1.1 水下轮缘推进器FMECA方法FMECA是对于产品失效的全面分析,可确定每种故障对于产品失效影响的程度。通过逐一分析每种故障对于系统的影响程度,可定量给出产品可靠性评价的影响和危害性。由于水下轮缘推进器工作在极端的环境下,需对其进行严格的FMECA分析。
使水下轮缘推进器失效的因素非常复杂,大体可分为内部因素和外部因素。内部因素是指水下轮缘推进器设计生产时就导入的影响因素,包括材料、设计、结构以及生产工艺等。外部因素则是指水下轮缘推进器在运行时的人为因素、关机存放的环境因素以及运行环境因素等。水下轮缘推进器长期运行在水下或深海环境下,长时间高负荷运行会对轴承造成损害;密封部件也会在高压力下减小寿命;绝缘损坏会导致定子绕组故障,轻者会导致推进器输出转矩和平均输出功率下降,严重会造成接地失效,烧毁推进器。所以水下轮缘推进器的绝缘、水润滑轴承、永磁体、密封等因素会成为产生故障的主要原因,这些零部件将会是可靠性分析的重点。
本文采用风险优先数法进行产品故障模式的评价,评价指标主要包括严重度、频度以及检测度,计算公式如下[5]:
$ RPN = S \times O \times D。$ | (1) |
式中:S为严重度,表示该失效发生对引起水下轮缘推进器影响的严重程度;O为频度,表示水下轮缘推进器在规定时间内该种失效发生的频率;D为探测度,表示水下轮缘推进器在该失效发生时的检测难度,制定评分标准,如表1~表3所示,RPN数值越大,表示水下轮缘推进器失效模式就越大,失效发生的零部件就越存在薄弱之处。
水下轮缘推进器在水下或深海运行时,会出现电气故障和机械故障的情况,水下轮缘推进器电气故障主要体现在定子绕组断路、短路以及绝缘等部位,其机械故障出现在密封、轴承以及受海水压力出现强度薄弱的环节,通过对水下轮缘推进器单元分解,按照FMECA流程图(见图1)进行整体分析(见表4)。
水下轮缘推进器主要由定子和转子组成,其中定子包括定子铁芯、绝缘材料、定子绕组、壳体、环氧树脂、水密接插件、前法兰、后法兰、定子护套等;转子包括转子铁芯、磁钢、转子护套、水润滑轴承等。
水下轮缘推进器的可靠性模型为一个串联模型,任何单元的零部件损坏,整个推进器就失去原有的功能。
水下轮缘推进器由各个基本单元串联而成,其故障率为:
$ \lambda_{T}=\sum_{i=1}^{M} N_{\bar{i}} \cdot \lambda_{p} , \;i=1,2,3,...,M。$ | (2) |
式中:
可靠性指标分配原则如下:
1)对水下轮缘推进器的关键部位,可适当提高可靠性指标;
2)对比较复杂的分单元,可适当降低可靠性指标;
3)对便于维修的单元,可适当降低可靠性指标;
4)对于水下轮缘推进器较成熟的分单元,可适当提高可靠性指标;
5)分配结果应使水下轮缘推进器的可靠度满足规定指标。
2.2.2 水下轮缘推进器可靠性分配水下轮缘推进器可靠性指标可按失效率进行分配,根据《电子设备可靠性预计手册》的可靠性预计方法,对水下轮缘推进器各单元进行计算预计:
$ {\lambda _p} = {\lambda _b}\prod {\pi _i}i=1,2,…,n。$ | (3) |
式中:
水下轮缘推进器运行在水下或深海环境下,在进行可靠性分析时,应将推进器本体的结构特点和运行环境复合在一起进行综合分析,本文将水下轮缘推进器的FEMCA风险优先数(RPN)作为可靠性计算的加权因子,水下轮缘推进器系统的复合可靠性计算如下:
$ {p_i} = \frac{{{k_i}}}{{\min ({k_i})}},$ | (4) |
$ {\lambda _s} = \sum\limits_{i = 1}^n {{p_i}} \cdot{\lambda _i}。$ | (5) |
式中:
水下轮缘推进器系统可靠性预计以系统的故障率(又称失效率)统计值为基础。系统平均无故障工作时间与系统故障率的关系为:
$ MTBF = 1/{\lambda _s},$ | (6) |
根据系统可靠度计算公式:
$ R(t) = {e^{ - (t/MTBF)}} 。$ | (7) |
式中,t为一次性连续最低工作时间。
通过以上公式计算,水下轮缘推进器系统的可靠度计算数据如表6所示。
为了验证水下轮缘推进器的可靠性,在3 m×10 m×2 m的水池中进行水中试验。水下轮缘推进器潜入水中1 m,接入驱动器,给定额定电压、额定频率,使其达到推进器的额定设计值,保持状态。
水下轮缘推进器测试过程数据如表7所示。
水下轮缘推进器在水池中稳定运行在1000 r/min转速的额定点,电压稳定于区间256~258 V,电流稳定于区间16.8~17.2 A,连续运行1350 h。依据测试数据,水下轮缘推进器运行期间各项参数稳定,其可靠性可达到预定的设计值。
5 结 语本文对水下轮缘推进器系统进行了FMECA分析,并细化了每一个单元的风险优先数(RPN)。根据水下轮缘推进器组成结构,建立了可靠性模型,并以水下轮缘推进器FEMCA的风险优先数(RPN)作为可靠性计算的加权因子,对水下轮缘推进器系统进行了复合可靠性计算,此方法可综合考虑装备的各种因素,对现实的水下轮缘推进器具有指导意义。
[1] |
汪勇, 李庆. 新型集成电机推进器设计研究[J]. 中国舰船研究, 2011, 6(1): 82-85. |
[2] |
谈微中, 严新平, 刘正林, 等. 无轴轮缘推进系统的研究现状与展望[J]. 武汉理工大学学报, 2015, 39(3): 601-605. |
[3] |
杨植, 严新平, 欧阳武, 等. 船舶轮缘推进装置驱动电机及控制方法研究进展[J]. 电工技术学报, 2022, 37(12): 2949-2960. |
[4] |
吴洁, 张建国, 游令非, 等. 基于改进加权响应面的结构可靠度计算方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(8): 1638-1645. |
[5] |
张怀兵. 考虑失效相关的工业机器人驱动器可靠性分析[D]. 成都:电子科技大学, 2022.
|
[6] |
张运真, 吴阳, 赵亚东, 等. 永磁动静压电主轴的结构设计及可靠性分析[J]. 机械设计与制造, 2022, (8): 242-246. |
[7] |
姚银歌, 张涛, 朱宇腾, 等. 基于FMEA的电主轴冷却系统可靠性分析[J]. 机电工程技术, 2021, 50(6): 101-103,137. |
[8] |
严婷婷, 侯卫国, 李明峻, 等. 电动车驱动电机可靠性模型的建立[J]. 可靠性与环境适应性理论研究, 2020, 38(5): 55-57. |
[9] |
陈诗怡. 多失效模式下的电动汽车永磁同步电机可靠性分析[D]. 成都:电子科技大学, 2022.
|
[10] |
董锋. 开关磁阻电机系统可靠性研究[D]. 徐州:中国矿业大学, 2020.
|
[11] |
MORRIS G K, YELLAMATI D D, CYMERMAN M A. Predicting circuit board reliability for motor drivers under varying application and environmental conditions[D]. 2014 Reliability and Maintainability Symposium, 2014.
|
[12] |
HOSODA H. MAMUN M A, YOSHINO T. Trends in MW-rated V SI technology and reliability for adjustable speed drives[C]// 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC), 2010, 1261−1265.
|
[13] |
RUIZ C, POHL E A, LIAO H. Selective maintenance modeling and analysis of a complex system with dependent failure modes[J]. Quality Enginnering, 2020, 32: :509-520. |
[14] |
LU H, HE Y, ZHANG Y. Reliablity-based robust design of mechanical components with correlated failure modes based on moment method[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2014, 6: 1-17. |
[15] |
GU Y, FAN C, LIANG L, et al. Reliability calculation method basedon the Copula function for mechanical systems with dependent failure[J]. Annals of Operations Research, 2022, 311: 99-116. DOI:10.1007/s10479-019-03202-5 |
[16] |
PAVEL, MARC G. Conditional normoal extreme-value copulas[J]. Extemes, 2021, 24: 403-431. |
[17] |
黄洪剑, 林瑞光. 无刷直流电机可靠性及其故障模式分析[J]. 电机与控制学报, 2000, 4(4): 198-201. |
[18] |
商艳凤. 无刷直流电机驱动系统的可靠性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.
|