張根保 李冬英②

(①重慶大學機械工程學院先進制造技術研究所，重慶 400030;②邵陽學院機械與能源工程系，湖南 邵陽 422000)

1 機床可靠性概述

數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)“工作母機”，是振興國家制造產業(yè)的關鍵設備。一個國家數(shù)控機床的產量和技術水平在很大程度上代表了其制造業(yè)技術水平和競爭力。目前國產數(shù)控機床的可靠性與國際水平相比尚有很大差距?？煽啃缘鸵殉蔀閲a數(shù)控機床，尤其是中高檔數(shù)控機床市場占有率低的主要原因，已成為制約國內機床產業(yè)發(fā)展的瓶頸，引起了機床行業(yè)和學術界的高度關注［1-2］。

根據國家標準GB 6583 的定義，可靠性是指產品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內完成規(guī)定任務的能力。數(shù)控機床的可靠性問題一般是以故障(失效)來表征的，故障是指產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態(tài)?？煽啃愿呔鸵馕吨a品在使用過程中所發(fā)生的各種故障少，不容易出問題，機床的可用性高。數(shù)控機床屬于可修復產品，一般采用平均故障間隔時間(mean time between failure，MTBF)來衡量其可靠性。

經過近20 年攻關，國產機床的可靠性得到較大的提高，2009 年啟動的“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項，對機床可靠性給予高度重視，“十一五”的實施使得專項產品的可靠性從原來的不到500 h 普遍提升到900 h 以上，專項預期“十二五”期間的目標是整機達到1500 h，但距5000 h 的國際領先水平仍然存在較大的差距。

為了幫助企業(yè)提高國產數(shù)控機床的可靠性水平，筆者通過對多年從事可靠性工作的經驗和教訓進行全面的總結，在理論和技術方面進行提升，結合國內機床企業(yè)的實際，系統(tǒng)地提出了“8341”可靠性工程的概念，作為企業(yè)實施可靠性工作的方法論，可以指導企業(yè)開展可靠性工程，實現(xiàn)持續(xù)提升企業(yè)的可靠性增長能力和產品可靠性的目的。本文系統(tǒng)地介紹數(shù)控機床可靠性方法論(即“8341”工程)的體系架構、主要內容及實施流程。

2 可靠性方法論的體系架構

數(shù)控機床是個高度復雜的機電產品，產品的設計、制造和運行要涉及到機、電、液、控等多學科的知識，不僅涉及到設計階段，同時還要涉及到制造和使用階段;不僅涉及到主機，也涉及到功能部件和輔機;不僅涉及到工程技術，也涉及到企業(yè)管理。因此，提升機床產品的可靠性是個復雜的系統(tǒng)工程，需要從技術和管理方面去著手，在企業(yè)建立一套系統(tǒng)、完整、嚴謹?shù)目煽啃詫嵤┓椒ㄕ摚疚姆Q為“8341”可靠性工程?！?341”可靠性工程以培育8 項核心理念為切入點，以實施3 個階段的精細化控制為主線，以打造可靠性4 大保障能力為手段，以建立1 個可靠性管理體系為核心，其體系架構如圖1 所示。

3 著力培育“8”大核心理念

在企業(yè)實施可靠性工程，首要任務是在領導和全體員工中牢固樹立“可靠性第一”的觀念和意識，要通過持續(xù)不斷的培訓和教育，在企業(yè)形成先進的可靠性文化。

(1)可靠性是企業(yè)發(fā)展的基石。一個企業(yè)的產品可靠性能否得到提升，要害是使企業(yè)領導和全體員工認識到可靠性的重要性。事實上，國產機床的外觀造型、功能、精度與國外產品的差距都已經不大，最大的差距是可靠性，如果不下氣力提高可靠性水平，產品的檔次就不可能提高，企業(yè)的效益也得不到提升，企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展就是一句空話。

(2)技術重要、管理更重要。毫無疑問，產品的可靠性與設計、制造密切相關，但更重要的是管理問題。如果沒有建立科學的工作標準，員工不嚴格按照標準去操作，再好的技術也沒用。根據我們的觀察，很多企業(yè)基本上沒有建立起系統(tǒng)完善的工作標準，員工操作的隨意性很強，這樣做出來的產品可靠性必然很差。因此，必須將技術和管理相結合，在企業(yè)打造可靠性文化，實現(xiàn)精心設計、精細制造、嚴格管理、合理使用，才能真正提升產品的可靠性水平。

(3)指標導向無助于提高可靠性。很多企業(yè)開展可靠性工作時，首先選定一個產品，確定一個可靠性指標，然后圍繞這個指標采取特殊措施，盡管在一定程度上可以提高可靠性，但這樣得到的可靠性是不“可靠”的，采取的特殊措施也是不可持續(xù)的。實踐證明，提高可靠性必須“能力”導向，提高企業(yè)的可靠性增長能力，只有具備了能力，產品的可靠性才能得到持續(xù)增長。

(4)探索適合自己的可靠性模式。產品的外觀可以模仿、功能可以拷貝、結構可以反求、技術可以購買，但唯獨可靠性既無法模仿，也無法拷貝，更無法反求，也無法購買，只有通過企業(yè)自己的努力，結合自身的實際，探索適合自己的可靠性模式。一句話，可靠性技術可以是通用的，但可靠性管理必須是獨有的。

(5)將早期故障消除在企業(yè)內部。國外的產品為什么可靠性高?主要原因之一就是在產品研發(fā)方面要花很大的氣力，在研發(fā)階段進行大量的分析和試驗，發(fā)現(xiàn)并消除產品的潛在故障，只要有可靠性隱患的產品就堅決不出廠。反觀國內企業(yè)，在產品研發(fā)方面投入的精力嚴重不足，只要有市場，即使有缺陷的產品也要推向用戶，在用戶處發(fā)現(xiàn)故障，然后花費大量的人力、物力和財力去進行用戶服務，既給用戶帶來麻煩，也影響了制造企業(yè)的信譽。因此，為了提高可靠性，必須樹立“將早期故障消除在企業(yè)內部”的思想，有故障隱患的產品堅決不出廠。

(6)盡量提高結構和工藝成熟度。大量實踐表明，長期生產的產品，其可靠性就比較高。這說明，結構和工藝成熟度是影響產品可靠性的主要因素。國產機床的可靠性不高，在很大程度上是因為采用新結構時沒有進行大量的分析和試驗，也沒有形成成熟穩(wěn)定的制造工藝。目前機電產品的主要發(fā)展趨勢是多品種、小批量、定制化，對提高結構和工藝的成熟度非常不利，企業(yè)可以采用模塊化、標準化、通用化等設計技術，擴大零部件的批量，再結合大量的分析和試驗來提高結構和工藝的成熟度。

(7)進行壽命周期的精細化控制。產品的可靠性首先是設計出來的，其次才是制造出來的，還要靠使用來體現(xiàn)。事實證明，國產機床的可靠性不高，首先是設計分析做的不夠，往往是“照貓畫虎”;其次，制造過程太粗放，只要組裝在一起，精度達到要求就是合格產品;對用戶而言，使用過程粗放，不按要求進行維護保養(yǎng)，也會造成大量的故障。因此，提高可靠性必須從產品的壽命周期入手，進行精細化設計、精細化制造和精細化使用。

(8)制定并嚴格執(zhí)行可靠性標準。為了提升產品的可靠性，首先要制定全面細致的可靠性標準，包括設計標準、制造標準、工作標準等，標準的制定要科學合理，要具有可操作性，在制定各類標準時，必須進行試驗驗證。制定的標準能否在企業(yè)得到真正應用，還取決于執(zhí)行標準的嚴格程度，提升企業(yè)的執(zhí)行力，否則，所制定的標準就只是一堆文件而已。

4 全面實現(xiàn)“3”個精細控制

精細化作為現(xiàn)代化工業(yè)生產的一個管理理念，最早是由日本的企業(yè)在20 世紀50 年代提出的?！疤煜麓笫?，必做于細?！钡侥壳埃毣芾淼睦碚撘呀洷辉絹碓蕉嗟钠髽I(yè)管理者所接受，西方企業(yè)的產品之所以可靠性高，可以說精細化管理起到決定性的作用。機床產品要提高其可靠性必須從以下三個階段進行全面的精細化控制:

(1)研發(fā)階段的精細化預防控制

提高產品可靠性，研發(fā)是龍頭，研發(fā)階段的重點是站在預防的角度從小處著手解決可靠性問題。產品研發(fā)包括市場調研、研發(fā)決策、概念設計和分析、詳細設計和分析、工藝設計、樣機制造、設計改進、小批量制造、工藝改進、批量制造。在上述所有過程中均應充分考慮可靠性問題，例如:在機床的研發(fā)階段應充分采用可靠性設計準則，在設計評審時要對可靠性設計準則的符合性進行檢查，要利用FTA、FEMA 技術發(fā)現(xiàn)潛在故障，應考慮載荷、加工殘余應力、熱應力等應力不均現(xiàn)象造成的變形，顯示表要便于觀察，調整按鈕要布置在便于調整的位置，螺栓的緊固扭矩要精確確定等。在樣機制造階段，應進行大量的試驗，發(fā)現(xiàn)所有潛在的故障并消除之。

(2)制造階段的精細化保障控制

研發(fā)階段的可靠性確定之后，制造階段的主要任務就是確保研發(fā)確定的可靠性得以實現(xiàn)，研發(fā)和制造兩個階段決定了產品的固有可靠性。制造階段的精細化控制要求企業(yè)把握好產品質量的精品特性、處理好精品與零缺陷之間的關系，建立確保精品形成的體系架構，為企業(yè)形成核心競爭力和創(chuàng)建品牌奠定基礎。制造階段精細化內容主要包括精細化加工(主要是通過工序能力的分析和改進保證加工零件的一致性)、精細化采購(保證外購件的質量和可靠性)、面向可靠性的精細化裝配等。例如國內機床企業(yè)以下現(xiàn)象隨處可見:機床裝配配鉆時對直線導軌不加防護，使得細鐵屑鉆進直線導軌的滾動部件，加速直線導軌的磨損;鉗工在刮研導軌安裝基面時不按規(guī)定擰螺栓，造成刮研時的應力與裝配時的應力不一致;操作工安裝調試時直接站在導軌防護罩上，造成防護罩的變形;裝配環(huán)境的清潔度不高，造成配合面的污染等等。這些都有悖于精細化生產的規(guī)范與要求。這些細小的環(huán)節(jié)往往導致了制造出來的產品達不到高可靠性的要求。

(3)運行階段的精細化維護控制

統(tǒng)計數(shù)據顯示，在機床的運行階段造成的故障要占機床總故障率的20%以上。因此，在產品安裝、調試和運行階段要進行精細化控制。主要內容包括:嚴格控制機床的工作環(huán)境(溫度、濕度、灰塵、振動等)，減少溫度導致的變形、溫度劇烈變化造成的露凝、灰塵過大造成的磨損;使機床的實際工作條件限定在設計規(guī)定的最大范圍內，不要超負荷使用，造成故障增加;用戶應按照規(guī)范認真進行日常維護保養(yǎng)及正常的維修，以充分發(fā)揮產品的固有可靠性。提高企業(yè)的維修技術和服務能力，在機床產品出現(xiàn)故障時，能夠在最短的時間快速處理故障。企業(yè)應該建立機床運行狀態(tài)(振動、溫度、壓力和流量等機械狀態(tài)量)的實時監(jiān)控系統(tǒng)和機床維護保養(yǎng)條件的監(jiān)控系統(tǒng)，使得機床的固有可靠性得到最大限度的發(fā)揮。

5 傾力打造“4”大保障能力

為提高國產機床的可靠性，需要從打造企業(yè)的可靠性增長能力入手，增強企業(yè)自身的“可靠性”素質，才能確保制造出比國外更可靠的產品。企業(yè)的可靠性增長能力包括4 個方面:可靠性設計分析能力、制造可靠性控制能力、可靠性試驗提升能力和可靠性管理保障能力。

(1)可靠性設計分析能力

可靠性首先是設計出來的，設計保證了產品的先天可靠性。國產機床的可靠性差，主要原因之一就是在產品設計時主要采用“類比”或“反求”技術，基本不進行可靠性設計和分析，造成產品可靠性的先天不足。造成這一現(xiàn)象的原因除了意識不足以外，很重要的原因就是缺乏可靠性設計分析手段。因此，企業(yè)為了提高產品質量，就必須在設計上狠下功夫，要害是打造可靠性設計分析能力。可靠性設計分析能力包括:故障樹分析(FTA)、故障模式及影響分析(FMEA)、應力分析(載荷應力、熱應力)、零部件整體匹配性分析、可靠性設計準則的建立和應用、可靠性分配和預計等。此外，還要有意識的積累可靠性基礎數(shù)據。

(2)制造可靠性控制能力

設計的可靠性要求能否達到，完全靠制造過程來保證，設計和制造保證了產品的固有可靠性。根據筆者的觀察，制造過程的精細化是影響產品可靠性的主要因素之一。同樣的設計方案和設計圖紙，國產機床的可靠性就是不如進口機床，這說明了兩個問題:制造工藝的合理性和制造過程的精細性。為了使制造過程實現(xiàn)設計確定的可靠性，就必須解決制造工藝的合理性和制造過程的精細性這兩大問題，這兩個問題代表了制造可靠性控制能力。在制造工藝方面，要通過理論分析和試驗確定最佳加工工藝和裝配工藝，要計算分析并提升制造設備的工序能力，使得加工的零件一致性好。在裝配工藝制定方面，要采用可靠性驅動的裝配工藝方法，設計合理的工具和裝配流程，使得裝配過程不會產生附加應力。另外，還要嚴格控制外購件的質量和可靠性。在制造過程的精細化方面，要害是裝配環(huán)境的控制(實現(xiàn)清潔裝配)和工藝紀律的嚴格執(zhí)行。由于國內企業(yè)的員工缺乏嚴格的訓練，造成工作的隨意性大，有規(guī)范也不嚴格執(zhí)行，使得制造過程造成很多潛在的可靠性問題。

(3)可靠性試驗提升能力

試驗是發(fā)現(xiàn)故障、評估和提升產品可靠性的重要手段，可靠性試驗貫穿于產品的壽命周期，包括研發(fā)階段的可靠性增長試驗、制造階段的可靠性鑒定試驗和驗收試驗、使用階段的可靠性現(xiàn)場試驗等。國外企業(yè)高度重視可靠性試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)產品存在的問題并及時糾正。國內企業(yè)對可靠性試驗一直重視不夠，缺乏實驗手段和試驗方法，也對試驗獲取的數(shù)據利用不夠，這也是國產機床可靠性差的主要原因之一。因此，企業(yè)應該努力提升自身的可靠性試驗能力?？煽啃栽囼災芰Π?試驗臺的研制、全套試驗規(guī)范的制定、試驗數(shù)據處理技術開發(fā)、可靠性增長技術體系(包括早期故障消除體系)的建立等。在建立可靠性試驗提升能力時，既要包括功能部件和整機的試驗，也要有外購件的試驗;既要重視試驗臺硬件的研制，更要重視試驗規(guī)范的制定，在制定試驗規(guī)范時要進行大量的理論分析、計算和實驗(特別是加速、加載條件和試驗循環(huán)的確定)。由于試驗數(shù)據是可靠性評估的主要依據，還要高度重視試驗數(shù)據的分析、處理和評估算法。另外，可靠性試驗的主要目的是激發(fā)潛在故障，并對故障進行早期消除作業(yè)，因此，建立閉環(huán)的可靠性增長技術體系也至關重要，要將主要故障都消除在制造企業(yè)內部。

(4)可靠性管理保障能力

多年的實踐表明，可靠性是個技術問題，但更是個管理問題。由于國內企業(yè)的管理水平較低，造成工作質量不能保證，產品的可靠性問題頻出。目前，很多企業(yè)將可靠性看做是個純粹的技術問題，僅僅從技術上去攻關，而不是將技術與管理相結合，嚴重時完全忽略了管理問題，造成產品的質量和可靠性均很差，可靠性不能實現(xiàn)持續(xù)增長。因此，為了提高產品可靠性，企業(yè)必須下氣力提升自己的管理水平，打造自身的可靠性管理保障能力?？煽啃怨芾肀Ｕ夏芰Π?可靠性管理體系的建立和有效運行、精細化設計和制造、管理標準和規(guī)范的建立、工作質量的提升、持續(xù)的教育和培訓、激勵和約束機制的建立、可靠性評估技術的建立等。可靠性管理能力的提升是個系統(tǒng)工程，要靠系統(tǒng)的整體規(guī)劃、精細化的標準體系和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度來保障。

6 建立“1”個可靠性管理體系

可靠性管理能力的提升和可靠性工程的實施，其核心是建立一套結構合理且運行有效的管理體系，可靠性管理體系既要充分體現(xiàn)可靠性管理的特點，又要與企業(yè)的ISO9000 質量管理體系實現(xiàn)有效融合。另外，可靠性管理體系要覆蓋產品的壽命周期。筆者結合國家科技重大專項項目，參照ISO9000 質量管理體系標準，已為國內多家機床制造企業(yè)建立了可靠性管理體系，體系結構如圖2 所示。

7 “8341”工程實施流程

本文提出的“8341”工程是個系統(tǒng)工程，真正在企業(yè)落實并發(fā)揮實效，需要一套有效的實施流程。為此，根據筆者在若干機床制造企業(yè)的實踐，提出“8341”工程的實施流程，如圖3 所示。

(1)系統(tǒng)調研及分析 系統(tǒng)調研是可靠性工程的基礎，要順利實施“8341”可靠性工程，首先要通過調研了解企業(yè)的可靠性現(xiàn)狀及存在的問題，找出實施改進的關鍵環(huán)節(jié)?？煽啃哉{研內容包括企業(yè)的管理水平、產品研發(fā)現(xiàn)狀、制造能力、產品制造和試驗過程的故障數(shù)據等，根據數(shù)據對故障部位、故障模式、故障原因等進行統(tǒng)計分析，并計算企業(yè)當前產品的可靠性水平(MTBF 計算)，系統(tǒng)調研結果是“8341”工程后續(xù)流程改進的重要基礎依據。

(2)持續(xù)培訓，建立可靠性文化 國內機床制造企業(yè)對可靠性工作方面的意識普遍薄弱，要想提高機床產品的可靠性，必須采取多種方式對企業(yè)領導和員工進行可靠性理念和意識的培訓，在企業(yè)上下形成可靠性非搞不可的局面，培訓工作必須全方位的展開，既有理念和意識培訓，也有可靠性應用技術的培訓。另外，在培訓的基礎上在企業(yè)建立可靠性文化，為企業(yè)的可靠性增長打下堅實的基礎。

(3)建立可靠性工作標準及管理體系 為了實施可靠性工程，必須在企業(yè)建立全套可靠性標準與可靠性管理體系，為企業(yè)開展可靠性工程提供全面、系統(tǒng)、規(guī)范化的技術支持與管理方法?？煽啃詷藴时仨毴娓采w產品壽命周期的各個環(huán)節(jié)，既涉及到技術標準，也涉及到管理標準。所建立的可靠性管理體系必須與企業(yè)的ISO9000 質量管理體系實現(xiàn)融合?？煽啃怨芾眢w系的概念如圖4 所示。

(4)打造可靠性4 大能力 如前所述，可靠性4大能力包括可靠性設計預防能力、制造可靠性保障能力、可靠性試驗能力和可靠性管理能力。這四大能力是企業(yè)管理水平的具體體現(xiàn)，也是企業(yè)產品可靠性持續(xù)增長的基礎條件。其中，可靠性管理能力的打造是主線、可靠性設計分析能力的打造是核心、制造可靠性能力的打造是要害、可靠性試驗能力的打造是手段，只要這幾大能力打造到位，企業(yè)的可靠性增長能力就可得到質的提升，產品可靠性的持續(xù)增長就有了保障。

(5)實施壽命周期精細化工程 如前所述，壽命周期精細化工程包括研發(fā)階段的精細化控制、制造階段的精細化控制和運行階段的精細化控制。研發(fā)階段的工作重點是可靠性，既要保證所研發(fā)的新產品或新結構達到性能穩(wěn)定、工藝成熟、沒有潛在故障的要求。制造階段的控制核心主要是質量，特別是工作質量，要保證研發(fā)階段確定的可靠性目標能夠實現(xiàn)。運行階段可靠性控制的目的主要是使產品的固有可靠性得以體現(xiàn)，其要害是精細化的維護保養(yǎng)和有計劃的維修。

(6)發(fā)現(xiàn)故障并持續(xù)改進 不管可靠性工作再細致，在產品使用一段時間后也難免出現(xiàn)各種故障，可靠性工程的要害是將故障消滅在萌芽狀態(tài)，將故障消滅在制造企業(yè)內部。這就需要建立起一套有效的早期故障消除體系，要對研發(fā)過程、制造過程、試驗過程和產品運行過程出現(xiàn)的各種故障數(shù)據進行全面的收集，再利用FTA、FMEA 技術對數(shù)據進行認真的分析，找出故障發(fā)生的原因，采取糾正措施，實現(xiàn)故障歸零，再根據糾正措施修改技術標準和工作標準，以實現(xiàn)可靠性的持續(xù)增長。

8 結語

鑒于國產數(shù)控機床的可靠性與國外產品的差距很大，已成為制約國產機床占領國內外市場的主要瓶頸，筆者結合多年幫助企業(yè)實施可靠性工程的經驗和教訓，提出“8341”可靠性工程的方法論，該方法論首先強調可靠性意識和理念的培育，在此基礎上打造企業(yè)的可靠性文化，建立企業(yè)的可靠性管理體系。在技術方面特別強調在企業(yè)建立四大可靠性保障能力，在應用方面強調實現(xiàn)產品周期的精細化控制。為了保證“8341”工程的落實，本文還建立了可靠性工程的實施流程。筆者相信，企業(yè)按照這套方法論和實施流程去實施可靠性工程，只要腳踏實地的工作并長期堅持下去，企業(yè)的可靠性管理水平和產品可靠性必定能夠得到持續(xù)不斷的增長。

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