王軍見 孫江宏 官端陽 楊慶東

(①北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192;②國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，北京 100102)

高精度立式磨床廣泛應用于制造業(yè)并且發(fā)揮巨大的作用，其可靠性的水平直接影響我國機械制造業(yè)、航空航天、船舶、核電、風電、軍工等領域的迅速發(fā)展［1］。故障模式、影響及危害性分析和故障樹分析作為可靠性故障分析的主要技術，目前已經(jīng)做了許多研究工作，如基于模糊理論的FMECA 方法研究［2］、基于層次分析的FMECA 方法研究［3］、系統(tǒng)級FMECA 與子系統(tǒng)FTA 結(jié)合的研究［4］、基于功能元故障樹研究［5］以及基于模糊理論的故障樹研究［6］等。以上方法對數(shù)控機床進行可靠性分析，找出薄弱環(huán)節(jié)的過程中故障數(shù)據(jù)處理繁雜、工作量大、效率低?；谝酝芯恐写嬖诘膯栴}，本文充分結(jié)合FMECA 與FTA，能夠快速找出影響數(shù)控機床整機可靠性的最核心問題，進而提出提高數(shù)控磨床可靠性的有效措施。

1 數(shù)控磨床系統(tǒng)故障部位分析及危害度分析

1.1 高精度立式數(shù)控磨床結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)分析的要求，可以將高精度立式磨床結(jié)構(gòu)劃分為電氣子系統(tǒng)、進給子系統(tǒng)、磨削子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)和潤滑子系統(tǒng)6 個部分，分別定義系統(tǒng)代碼如表1 所示。

1.2 故障部位分析、危害度及風險度分析

根據(jù)對北京廣宇大成數(shù)控機床廠生產(chǎn)的10 臺MGK28 系列高精密轉(zhuǎn)臺立式磨床現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)收集整理，從2011 年9 月到2013 年6 月共獲得111 條記錄，累計工作時間為。通過，按照表1 中劃分的子系統(tǒng)對故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并計算出數(shù)控磨床各子系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率、危害度CRi［7］，如表2 所示。

表1 子系統(tǒng)代碼表

表2 故障頻次、頻率及危害度表

各子系統(tǒng)危害度CRi的計算公式:

式中:nj為故障模式j 發(fā)生的次數(shù);ni為子系統(tǒng)i 故障發(fā)生的總次數(shù);Ni為子系統(tǒng)i 在規(guī)定時間內(nèi)故障發(fā)生的總次數(shù);t 為子系統(tǒng)i 累積工作時間;αij為子系統(tǒng)i 因失效模式j 發(fā)生引起該子系統(tǒng)失效的失效模式概率;λi為子系統(tǒng)的基本故障率，通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)獲得平均故障率ˉλi;βij為子系統(tǒng)i 因失效模式j 發(fā)生造成該系統(tǒng)損傷的概率。根據(jù)國標GJB 1391 -92 規(guī)定，其值如表3 所示。

表3 β 取值表

為了更清楚地描述數(shù)控磨床子系統(tǒng)發(fā)生的故障概率、危害度及風險度分布情況，根據(jù)表2 繪制出其分布圖如圖1、圖2 所示。

綜合表3 和圖1、2 的分析結(jié)果，可以得出電氣子系統(tǒng)、進給子系統(tǒng)和液壓子系統(tǒng)是該數(shù)控磨床故障發(fā)生危害度最高的3 個子系統(tǒng)。故障頻率分別為24.32%、22.52% 和25.23% ;危害度分別為0.003 466、0.003 324、0.006 392。

2 子系統(tǒng)故障模式及危害度分析

從上面故障部位分析、危害度分析結(jié)果可知，電氣子系統(tǒng)、進給子系統(tǒng)和液壓子系統(tǒng)是影響該數(shù)控磨床可靠性的主要部位。其可靠性的高低直接關系到整機的可靠性，因此，應分別對這3 個子系統(tǒng)進行故障模式危害度分析，找出影響系統(tǒng)可靠性的關鍵因素，如表4所示。

為了更清楚地表達此3 個子系統(tǒng)各故障模式發(fā)生的故障概率及危害度的分布情況，根據(jù)表4 繪制出其分布圖如圖3、圖4。

通過對數(shù)控磨床危害度最大的3 個子系統(tǒng)進行故障模式及危害性綜合分析，并根據(jù)表4、圖3、圖4 分析結(jié)果，可知故障模式H03 閥不動作、H04 閥損壞和D04 運動反向誤差大是故障發(fā)生時危害性最大的3 個故障模式。危害度分別為2.27 ×10-3、1.70 ×10-3和1.14 ×10-3。

表4 子系統(tǒng)FMECA 表

3 基于故障模式的故障樹分析

通過前面對數(shù)控磨床子系統(tǒng)進行故障模式及危害性分析，并由上述結(jié)果進一步得出故障模式H03 閥不動作、H04 閥損壞和D04 運動反向誤差大是影響數(shù)控磨床系統(tǒng)可靠性的關鍵中的關鍵，其可靠性的高低直接關系到整機可靠性的水平，因此有必要分別對這3個故障模式進一步進行故障樹分析，找出故障模式發(fā)生的原因事件，為提出提高機床可靠性的改善措施提供依據(jù)。

下面分別以故障模式H03 閥不動作、H04 閥損壞和D04 運動反向誤差過大為頂事件，根據(jù)數(shù)控磨床故障事件如表5，分別建立故障樹如圖5，最后進行故障樹分析［8］。

表5 數(shù)控磨床故障事件及代碼表

根據(jù)圖5 對數(shù)控磨床H03、H04 和D04 故障模式進行故障樹定性分析。應用下行法求得其最小割集分別為{A01，A02，A03，A04，A05，A06};{B01，B02，B03，B04，B05，B06};{C01，C02，C03，C04，C05}，均為一階最小割集。因此，任何底事件發(fā)生均會導致A、B、C 事件的發(fā)生。進而，綜合表5 和圖5 找出故障模式發(fā)生的原因及故障機理，分析出導致此類故障發(fā)生的所有可能環(huán)節(jié)，為該系統(tǒng)的故障診斷、改進和維修提供依據(jù)，進而實現(xiàn)可靠性增長，提高數(shù)控磨床的可靠性。

4 改善措施

通過對上述故障樹進行進一步分析可知，閥損壞和閥不動作的主要原因是由于液壓系統(tǒng)污染、液壓系統(tǒng)沖擊及外購件自身質(zhì)量不可靠導致的;運動反響誤差大主要是由于滾珠絲杠預緊力不適、絲杠端面與結(jié)合面不垂直、潤滑不良、機械干涉或機械故障等事件導致。綜合上述分析，提出以下改進措施:

(1)針對液壓系統(tǒng)污染，定期采用油液顆粒污染度檢測儀檢測液壓油的顆粒污染度，并按照機床出廠說明選擇合理品牌的液壓油，當需要使用其他種類油替代時也應該盡量選擇性能類似的液壓油，及時更換液壓油;定期修復或更換損壞的部件并對液壓系統(tǒng)中的過濾器進行更換，同時按照操作規(guī)范對濾器、油缸、管路等部件進行清理。

(2)針對液壓系統(tǒng)的沖擊，首先根據(jù)緩沖柱塞孔的實際尺寸，確定其配合間隙，將緩沖柱塞磨圓后，鍍上一層硬鉻，再磨至所需尺寸，保證緩沖柱塞外端與端蓋柱塞孔的配合間隙;其次保證換向時有過渡，減小先導閥、換向閥的制動錐斜角或增加制動錐長度，以減少換向沖擊;另外限制管道中液體的流速和運動部件的運動速度，在液壓系統(tǒng)中設置緩沖器或安全閥以減小沖擊波的傳播距離;同時加大液壓管路的管徑、縮短管長、采用橡膠軟管、排除液壓系統(tǒng)中存留的空氣，并將工作壓力調(diào)整至規(guī)定值。

(3)嚴格控制外購、外協(xié)件質(zhì)量。采用穩(wěn)定性能好的節(jié)流閥，優(yōu)選貴油管、密封件等配套件;同時加強對外購件的存儲管理。

(4)針對運動反向間隙過大，應綜合考慮傳動系統(tǒng)的設計剛度，選擇合適的絲杠預緊力，利用機械裝置對絲杠施加的預緊力進行調(diào)整;機床生產(chǎn)方應嚴格按照裝配要求進行裝配和出廠檢測;機床使用方應定期按照出廠時的檢驗要求進行系統(tǒng)反向間隙檢測檢查(一般不超過三個月)和維護，及時發(fā)現(xiàn)并解決由于長期使用中的振動、磨損等情況的加重導致的絲杠斷面與結(jié)合面不垂直，潤滑狀態(tài)不良及機械部件的干涉和故障等因素引起的反響間隙過大的問題。

5 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)，提出了故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析相結(jié)合的分析方法，針對高精度立式磨床進行可靠性分析。通過整機子系統(tǒng)級故障模式、影響及危害性分析、較高危害度子系統(tǒng)FMECA 分析、最薄弱環(huán)節(jié)故障模式故障樹分析，逐步縮小分析范圍，大量減少可靠性分析工作量，并能夠較快速地找出影響系統(tǒng)可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)及其失效機理，提出相關改進措施，提高系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)的可靠性，進而提高整機可靠性水平。目前已應用到具體的工程實踐中并驗證了該方法的有效性。

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