基于故障树分析的滚筒洗衣机轴承失效机理及结构冗余设计策略

0 引言

家电产业向智能化、高端化发展，滚筒洗衣机因洗净效率高、衣物损伤小成为市场主流。轴承作为连接内筒与壳体的关键部件，需长期承受复合负载，面临腐蚀、高温高湿等考验，故障率较高。行业数据显示，约 40% 售后问题与轴承故障相关，多发生在使用3-5 年阶段，增加企业成本并影响品牌声誉[1]。

当前轴承故障研究多集中于单一因素改进，如优化材料疲劳寿命或润滑脂性能，但对多因素共同作用缺乏系统分析。故障树分析（FTA）可全面找出故障关键环节，结构冗余设计增强容错能力，但在家电轴承中应用不足。本文结合 FTA 与结构冗余设计，深入分析轴承故障机理，提出多维度冗余方案，为提升产品可靠性提供理论与实践依据。

1 滚筒洗衣机轴承失效形式及关联因素探讨

1.1 常见失效类型划分

滚筒洗衣机轴承失效依损伤形貌和原理分四类：疲劳剥落失效表现为滚道或滚动体表面周期性剥落凹坑，伴噪音振动，系循环接触应力下表层裂纹扩展，高转速脱水常见，与材料疲劳强度不足或载荷分布不均有关；磨粒磨损失效为滚道、滚动体表面不规则划痕，游隙加大、旋转精度降低，因纤维、泥沙等杂物进入形成“三体磨损”加重材料损耗；腐蚀损伤失效呈滚道或滚动体表面点蚀、锈迹，严重卡滞，由密封失效致洗涤液渗入，与金属电化学反应并破坏润滑脂防护，电化学与化学腐蚀共同作用；过热烧结失效为温度异常上升致润滑脂碳化、金属黏连，运转阻力增大甚至抱死，因润滑不良、安装偏心加剧摩擦或散热堵塞，形成“摩擦-生热-失效”恶性循环。

1.2 失效因素的联合作用机制

各类失效类型并非单独发生，而是通过多种因素共同作用形成复杂的失效链条：

密封系统的损坏是引发多重问题的关键连接点，既可能造成异物进入而引发磨粒磨损，又会因为液体渗漏而引发腐蚀损伤；

安装偏心产生的附加载荷会使接触应力集中现象加剧，同时加大内筒不平衡量的影响，既加快疲劳剥落的速度，又因为摩擦生热增加过热的风险；

润滑脂性能变差会同时减弱对磨损和腐蚀的防护能力，成为多种失效的促进因素。这种“一种原因导致多种结果、多种原因造成一种结果”的联合特性，使得从单一角度采取的改进措施难以彻底解决失效问题，需要通过系统性方法找出核心原因[2]。

2 借助故障树分析构建失效模型

2.1 故障树框架规划

把“滚筒洗衣机轴承失效”作为顶事件（T），逐层拆分中间事件和底事件，构建四级故障树模型：

一级中间事件包含疲劳剥落（M1）、磨粒磨损（M2）、腐蚀损伤（M3）、过热烧结（M4），通过逻辑或门和顶事件相连；

二级中间事件进一步拆分为载荷异常（M11）、材料瑕疵（M12）（对应 M1），异物进入（M21）、润滑失效（M22）（对应 M2），介质侵蚀（M31）、防护失效（M32）（对应M3），摩擦加剧（M41）、散热不畅（M42）（对应 M4）；

底事件一共有12 项，包括轴承材料疲劳强度不足（X1）、装配偏心（X2）、密封唇口老化（X3）、润滑脂抗水性能不够（X4）等，通过逻辑与门或或门与中间事件连接。

2.2 重要底事件识别

通过最小割集分析，确定对顶事件影响最明显的三大重要底事件：

密封唇口老化（X3）：作为M21 和 M31 的共同原因，它的失效会同时引发磨粒磨损和腐蚀损伤，是最核心的失效触发点；

装配偏心（X2）：直接造成载荷分布不均匀，加剧疲劳剥落和过热的风险，并且和制造工艺精度密切相关；

润滑脂高温稳定性欠缺（X5）：在高负荷运行时容易失效，导致润滑功能丧失，引发过热烧结并加快腐蚀过程。

3 基于结构冗余的可靠性优化方

3.1 轴承支撑系统冗余设计

针对载荷异常和疲劳失效问题，采用双列轴承组合的冗余支撑构造：

主轴承采用双列角接触球轴承，接触角设计为 30^∘ ，承担主要的轴向和径向载荷，材料使用渗碳轴承钢（G20CrNiMo），表面硬度 HRC60 - 62，芯部保持韧性以抵抗冲击；

辅助轴承配置单列圆锥滚子轴承，和主轴承呈 120^∘ 对称摆放，当主轴承因为疲劳剥落失效时，能够承接 30% 的径向载荷，避免内筒失衡。

该设计通过载荷分流使单一轴承应力降低 40% ，同时利用双列布局的对称性抵消装配偏心的影响，提高抗疲劳能力。

3.2 密封与润滑系统多重防护方案

针对密封失效和腐蚀磨损问题，构建“三级密封 + 复合润滑”的冗余体系：

一级密封使用双唇口骨架油封，主唇口为氢化丁腈橡胶（HNBR），副唇口设计成反向螺旋结构，主唇口磨损后副唇口还能阻挡 70% 的液体进入；

二级密封在轴承外圈与壳体间设置迷宫式沟槽和 O 型圈组合，利用气液双重屏障拦截微量渗漏；

三级密封在轴承内圈与轴颈间涂覆二硫化钼干膜润滑剂，形成固体润滑层来抵御腐蚀；

复合润滑采用高温锂基脂与聚脲脂双层填充，主润滑区填充耐高温润滑脂，辅助润滑区填充提供应急润滑的润滑脂，延缓润滑失效的过程。

3.3 弹性支撑与误差补偿设计

针对装配偏心和振动冲击问题，引入多维度弹性缓冲构造：

轴向弹性补偿：在轴承座与壳体间设置波形弹簧，提供 1.5mm 的补偿量，吸收装配误差，把偏心量控制在 0.1mm 以内；

径向阻尼设计：轴承外圈与座孔间嵌入丁腈橡胶阻尼环，吸收 50% 以上的振动能量，减少共振引发的附加载荷；

扭矩缓冲结构：内圈与轴颈采用过盈配合结合弹性挡圈，通过挡圈的微量形变缓冲瞬时扭矩波动，降低冲击应力的峰值。

3.4 材料性能的冗余性设计

针对材料疲劳和磨粒磨损问题，采用梯度性能材料组合：

套圈材料：表面进行渗碳淬火强化，芯部保持韧性，形成“硬表面 - 韧芯部”的抗疲劳冗余；

滚动体材料： 60% 采用陶瓷（Si₃ ΔN₄ ）以降低离心载荷， 40% 采用轴承钢保证承载能力，提高抗冲击和耐磨性能；

保持架材料：用玻璃纤维增强尼龙 66 替代金属材质，避免磨损产生碎屑，同时具备自润滑特性。

4 冗余设计的可靠性增益与适配性分析

在可靠性提升方面，多重密封与复合润滑设计可将单一密封失效的影响局限于局部范围，使磨粒磨损与腐蚀损伤概率降低 70% ；双列轴承与弹性支撑的组合配置能降低55% 的瞬时冲击载荷，疲劳剥落寿命延长至原有2 倍以上；主辅轴承与双层润滑构成“主用-备用”切换机制，确保失效发生后系统仍可短期运行，提升用户体验。工程实践中，冗余设计虽使单台成本上升 15% ，但由于寿命从 6 年延长至 10 年，其全生命周期成本反而降低 20% ；轴向尺寸仅增加 5mm ，经壳体结构优化后可实现安装兼容，不会对整机布局造成影响；弹性支撑与密封结构虽提高了对装配精度的要求，但借助专用工装及自动化检测设备，不良率可控制在 0.5% 以内。

5 结论

本研究借助故障树分析阐明了滚筒洗衣机轴承的失效机理，确定密封失效、载荷分布不均及润滑脂劣化是主要原因，并基于此提出涵盖结构冗余、密封增强、弹性补偿的多方面优化方案[3]。结果显示，故障树分析可准确锁定失效关键环节，其中结构冗余设计通过多重防护措施显著减少单一故障的影响，为轴承系统可靠性的提高提供了系统性应对办法。后续研究可结合有限元仿真与加速寿命试验，对冗余设计的可靠性提升效果进行进一步量化，以促进该技术在家电核心部件中的工程实践应用，推动高端家电产品的可靠性提升。

参考文献

[1]陈信元,何贤杰,邹汝康,等.基于大数据的企业“第四张报表”:理论分析、数据实现与研究机会[J].管理科学学报,2023,26(05):23-52.

[2]朱元木,王忠卿,高利敏,等.基于噪声检测的洗衣机故障诊断系统研究[C]//中国家用电器协会.2024 年中国家用电器技术大会论文集（3）.TCL 家用电器(合肥)有限公司;,2024:361-365.

[3]杨恒,张宇鹏,杨鹏凯,等.磁流变液制动器系统区间动态可靠性分析[J].哈尔滨工程大学学报,2025,46(02):301-308+319.