黃洪鐘 劉 征 彭衛(wèi)文 李彥鋒 米金華

(電子科技大學(xué)可靠性工程研究所，四川 成都 611731)

數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備，是裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平和綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志［1-3］。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)機(jī)床行業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，可靠性水平也有了較大的提高，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然有一定的差距，早期故障頻發(fā)、精度保持性差等問(wèn)題是制約國(guó)產(chǎn)機(jī)床可靠性的重要問(wèn)題［4］。數(shù)控機(jī)床的可靠性與數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造、裝配、運(yùn)輸和使用等壽命周期各階段的可靠性工作密切相關(guān)［5-7］，以往單一的以平均故障間隔時(shí)間為依據(jù)的可靠性評(píng)價(jià)體系難以對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、維修性及精度進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，也不能為數(shù)控機(jī)床各階段的可靠性工作提供參考［8］。因此，研究完善的數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)機(jī)床可靠性、維修性、安全性的綜合評(píng)價(jià)以及相關(guān)可靠性工作的量化考核，對(duì)于減少機(jī)床早期故障、保持機(jī)床精度有重要作用，也可以為機(jī)床開(kāi)展設(shè)計(jì)改進(jìn)、質(zhì)量提升和可靠性增長(zhǎng)等工作提供依據(jù)。

1 可靠性評(píng)價(jià)體系

1.1 可靠性評(píng)價(jià)體系的概念

可靠性評(píng)價(jià)體系是由一系列的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)和可靠性考核指標(biāo)組成的，這些指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、功能需求及可靠性要求來(lái)選取，分別用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性、維修性、安全性并考核系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配、使用等階段的可靠性工作。通過(guò)可靠性評(píng)價(jià)體系，一方面完成對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的考核，也實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、裝配及使用過(guò)程中的各項(xiàng)可靠性工作的管理。在可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取過(guò)程中，要遵循以下原則［9-12］:

(1)充分性原則

可靠性評(píng)價(jià)體系應(yīng)覆蓋整個(gè)系統(tǒng)，要充分反映系統(tǒng)的任務(wù)需求，體現(xiàn)系統(tǒng)的類(lèi)型和使用特點(diǎn)［12］。例如，數(shù)控機(jī)床由主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、床身基礎(chǔ)件等組成，在選取可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，不僅要考慮到機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，還要考慮其他子系統(tǒng)。

(2)必要性原則

用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)有很多，這些指標(biāo)之間會(huì)有各種各樣的關(guān)系，考慮到工程應(yīng)用的實(shí)用性和可操作性，不可能也沒(méi)有必要選取太多的指標(biāo)。在滿(mǎn)足充分性要求的基礎(chǔ)上，要剔除多余的和不必要的指標(biāo)，盡量選用符合工程習(xí)慣且使用較為廣泛的指標(biāo)。

(3)可行性原則

對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，選取可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)充分考慮該機(jī)床的研制水平、研制費(fèi)用和研制周期的限制，使其建立在切實(shí)可行的基礎(chǔ)上。另外，所選的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該滿(mǎn)足驗(yàn)證性要求，如果提出的指標(biāo)沒(méi)法進(jìn)行驗(yàn)證與考核，那么所提的參數(shù)指標(biāo)也沒(méi)有任何意義。

1.2 可靠性評(píng)價(jià)體系的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床可靠性的研究起源于前蘇聯(lián)。前蘇聯(lián)機(jī)床專(zhuān)家普羅尼科夫［13］提出了工藝可靠性的概念，并提出了一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)用來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)床服役時(shí)的加工質(zhì)量。俄羅斯學(xué)者Vasilev［14］和Chirkov［15］指出，在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)提出明確的指標(biāo)，以便在設(shè)計(jì)和制造階段都有標(biāo)準(zhǔn)可循，這一觀點(diǎn)體現(xiàn)了可靠性指標(biāo)在數(shù)控機(jī)床整個(gè)壽命周期中的重要性。德國(guó)和瑞士的數(shù)控機(jī)床廠商則以售后故障信息的反饋和分析為指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)機(jī)床的可靠性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，不斷完善機(jī)床全壽命周期內(nèi)的質(zhì)量和可靠性保障體系［6］。日本機(jī)床界的學(xué)者根據(jù)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)功能和使用特點(diǎn)，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)床進(jìn)行可靠性評(píng)估，為機(jī)床的可靠性增長(zhǎng)提供依據(jù)［16］。許多歐美學(xué)者［17-19］也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的采集、故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定做了大量研究。針對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家和學(xué)者也從多個(gè)角度做了工作。郝慶波［8］從模糊綜合評(píng)判的角度針對(duì)數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)階段的可靠性分配與預(yù)計(jì)進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。杜慶林［20］針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)使用周期長(zhǎng)、故障點(diǎn)少的特點(diǎn)，運(yùn)用熵權(quán)綜合評(píng)價(jià)的方法建立了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)體系。申桂香等［21］基于熵權(quán)法建立了數(shù)控機(jī)床的綜合評(píng)價(jià)模型，克服了常用評(píng)價(jià)方法中主觀權(quán)重不一定可靠的問(wèn)題。陳宥宇［22］提出了沖床外購(gòu)件供應(yīng)商可靠性能力的綜合評(píng)價(jià)方法。邵娜［23］基于用戶(hù)視角提出了數(shù)控機(jī)床顧客滿(mǎn)意度評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建了顧客滿(mǎn)意度指數(shù)模型。黃正豪［24］、周愛(ài)萍［25］等針對(duì)液壓系統(tǒng)提出了一系列可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)這些指標(biāo)的計(jì)算和比較，為液壓系統(tǒng)的可靠性改進(jìn)提供了方向。

此外，可靠性評(píng)價(jià)體系還廣泛應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)、工程機(jī)械、武器裝備及企業(yè)管理等方面。孫昕等［26］、丁明等［27］對(duì)大型電力系統(tǒng)建立了可靠性評(píng)價(jià)體系并提出了相關(guān)算法。婁云永［28］從設(shè)備可靠性和人的可靠性等角度對(duì)電力通信網(wǎng)建立了可靠性評(píng)價(jià)體系，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該體系的有效性。謝偉［29］將我國(guó)現(xiàn)行的輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系與國(guó)外的指標(biāo)體系進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了一些改進(jìn)建議。張祖明［30］對(duì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性指標(biāo)體系進(jìn)行了研究，為機(jī)械行業(yè)可靠性工作的研究提供了參考。胡超斌［31］從性能退化的角度提出了性能可靠性的概念，并從可靠性、維修性、可用性等方面探討了性能可靠性的各種指標(biāo)。盧雷［9］、王喆峰［32］等建立了雷達(dá)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系，為雷達(dá)裝備的可靠性驗(yàn)證提供了依據(jù)。彭立影［11］、李根成［12］、李近衛(wèi)［33］、李偉剛［34］等探究了導(dǎo)彈發(fā)射裝置的可靠性評(píng)價(jià)體系，提出了開(kāi)展發(fā)射裝置可靠性指標(biāo)論證的原則、步驟及方法。張錦鵬等［10］提出了船舶引航員的可靠性評(píng)價(jià)體系，從多個(gè)角度考慮了人在操作過(guò)程中的可靠性。

以上可靠性評(píng)價(jià)體系是從可靠性、維修性、安全性、可用性的某一方面來(lái)建立的，很少考慮壽命周期各階段的可靠性工作對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性的研究發(fā)現(xiàn)，可靠性工作貫穿于數(shù)控機(jī)床壽命周期的各個(gè)階段且各階段的工作重心不同。在設(shè)計(jì)階段，可靠性工作的重心是通過(guò)對(duì)機(jī)床的可靠性分析發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié)，完成數(shù)控機(jī)床的可靠性預(yù)計(jì)和分配，將可靠性定性和定量要求設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去;在制造階段，可靠性工作的重心是關(guān)鍵零部件的可靠性試驗(yàn)及可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析、外購(gòu)件進(jìn)廠的可靠性管理等;在裝配調(diào)試階段，可靠性工作的重心是數(shù)控機(jī)床整機(jī)的可靠性試驗(yàn)及可靠性數(shù)據(jù)的收集分析、早期故障的發(fā)現(xiàn)與控制等。壽命周期各階段可靠性工作的切實(shí)開(kāi)展對(duì)保障數(shù)控機(jī)床可靠性有重要作用，無(wú)論在哪個(gè)階段忽視了數(shù)控機(jī)床可靠性工作的管理與考核，都將給數(shù)控機(jī)床的可靠性帶來(lái)隱患。本文以數(shù)控機(jī)床為對(duì)象，在考慮數(shù)控機(jī)床可靠性、維修性、安全性要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮了壽命周期各階段的可靠性工作對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性的影響，針對(duì)各階段的可靠性工作重心提出了一系列的考核指標(biāo)，形成了數(shù)控機(jī)床全壽命周期的可靠性評(píng)價(jià)體系。

1.3 數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系三維模型

數(shù)控機(jī)床的全壽命周期主要包括設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用等階段，影響數(shù)控機(jī)床可靠性的因素隨著時(shí)間點(diǎn)的后移而增加，因此在不同階段所選取的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該是不同的［35］。此外，數(shù)控機(jī)床按照重量可以劃分為大型數(shù)控機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床、超重型數(shù)控機(jī)床等，按照工藝用途和伺服方式又可以分為其他多種類(lèi)型，因此，針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床，要根據(jù)機(jī)床的具體特點(diǎn)來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能不同，所選取的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)也是不同的。本文針對(duì)數(shù)控機(jī)床整機(jī)及關(guān)鍵子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合機(jī)床在工藝、精度、壽命、維修性、經(jīng)濟(jì)性等方面的特性和要求，按照壽命周期不同階段可靠性工作重心不同的思想，從系統(tǒng)、壽命周期及評(píng)價(jià)要素這3 個(gè)維度建立了數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系的三維模型，如圖1 所示。該模型為廣義模型，將該模型應(yīng)用到具體的數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征和功能要求來(lái)確定各個(gè)維度的具體內(nèi)容。本文主要通過(guò)某型數(shù)控落地銑鏜床可靠性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，來(lái)研究和應(yīng)用圖1 所示的數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系的三維模型。

2 數(shù)控落地銑鏜床可靠性評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 數(shù)控落地銑鏜床簡(jiǎn)介

某型數(shù)控落地銑鏜床主要由主軸箱、方滑枕等9個(gè)部分組成，如圖2 所示。

該機(jī)床具有鏜孔、鉆孔、銑削、切槽等功能，主要用來(lái)加工形狀復(fù)雜、加工精度要求高、通用機(jī)床無(wú)法加工或者很難保證加工質(zhì)量的工件。根據(jù)各部分功能，數(shù)控落地銑鏜床可以劃分為主傳動(dòng)系統(tǒng)、各向進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)。

對(duì)于可靠性要求很高的數(shù)控落地銑鏜床來(lái)說(shuō)，影響其可靠性的主要因素有［5，30］:銑鏜床床身和立柱的重力變形問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)、電柜及靜壓油等熱源帶來(lái)的溫度問(wèn)題，自制關(guān)鍵零部件在加工和裝配時(shí)的工藝問(wèn)題，外購(gòu)件在質(zhì)量考核和缺陷剔除的規(guī)范問(wèn)題以及售后維修的規(guī)范化問(wèn)題。由此來(lái)看，數(shù)控落地銑鏜床的技術(shù)性能指標(biāo)要求為精度高、可用性好、易于維護(hù)、用戶(hù)滿(mǎn)意且有較高的動(dòng)靜剛度。

2.2 數(shù)控落地銑鏜床可靠性評(píng)價(jià)體系的建立

2.2.1 數(shù)控落地銑鏜床售后維修數(shù)據(jù)分析

數(shù)控落地銑鏜床售后維修數(shù)據(jù)是確定其主要故障部位及故障模式的基本依據(jù)。將某落地銑鏜床劃分為11 個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)該機(jī)床售后維修數(shù)據(jù)整理分析，其各個(gè)子系統(tǒng)的故障頻數(shù)、故障頻率及主要故障模式統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 某型數(shù)控落地銑鏜床各子系統(tǒng)故障頻率統(tǒng)計(jì)表

表2 某型數(shù)控落地銑鏜床主要故障模式

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，主傳動(dòng)系統(tǒng)、各向進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)為該落地銑鏜床的主要故障部位;機(jī)械零部件故障、精度指標(biāo)異常、液壓系統(tǒng)故障及電氣元器件故障為該機(jī)床主要的故障模式。

通過(guò)對(duì)機(jī)床故障的進(jìn)一步分析可知，主傳動(dòng)系統(tǒng)及各向進(jìn)給系統(tǒng)的精度指標(biāo)異常大多是由機(jī)械零部件故障引起的，其中，機(jī)械零部件故障多表現(xiàn)為機(jī)械零部件的斷裂、磨損、變形、松動(dòng)等。機(jī)械零部件的故障與機(jī)床設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件原材料的選擇、零件的加工工藝、部件和系統(tǒng)的裝配工藝以及實(shí)際工況下的工作應(yīng)力有關(guān)，且機(jī)械零部件的故障在實(shí)際使用中具有故障檢測(cè)、定位和維修難度較大、故障危害程度相對(duì)較高等特點(diǎn)。

液壓系統(tǒng)的主要故障模式表現(xiàn)為液壓元件的故障、液壓油的滲漏等。電氣系統(tǒng)的主要故障模式表現(xiàn)為數(shù)顯、手控、電柜等器件的故障。這兩部分的故障多為危害程度較低的故障，在故障檢測(cè)、定位和維修方面較為容易。

因此，該數(shù)控落地銑鏜床發(fā)生故障較多的子系統(tǒng)為機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主傳動(dòng)系統(tǒng)及各向進(jìn)給系統(tǒng)。

2.2.2 數(shù)控機(jī)床早期故障原因分析

早期故障頻發(fā)是制約國(guó)產(chǎn)機(jī)床可靠性的重要問(wèn)題，而早期故障的產(chǎn)生與機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和裝配階段的可靠性工作中存在的缺陷有關(guān)，因此分析早期故障產(chǎn)生的原因可為機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和裝配階段可靠性工作重心的確定提供依據(jù)。大量實(shí)踐表明，在機(jī)床投入使用后其故障率近似服從浴盆曲線，如圖3 所示。浴盆曲線大致可以分為3 個(gè)階段:早期故障期、偶然故障期和耗損故障期。本文主要考慮的是早期故障產(chǎn)生的原因，其他兩個(gè)階段的故障原因不做考慮。

早期故障產(chǎn)生的原因可以從壽命周期各階段來(lái)進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)階段，如果機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，機(jī)械零部件材料選擇不合理，外購(gòu)件選型不當(dāng)，缺少可靠性建模、預(yù)計(jì)和分配等過(guò)程都會(huì)引起數(shù)控機(jī)床早期故障的產(chǎn)生。在加工階段，如果機(jī)床自制零部件加工不合格，表面處理不恰當(dāng)，這都會(huì)加劇數(shù)控機(jī)床的磨損;同時(shí)，數(shù)控機(jī)床中液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的元器件多為外購(gòu)件，外購(gòu)件的質(zhì)量與可靠性對(duì)機(jī)床整機(jī)的可靠性也有直接的影響。在裝配階段，裝配工藝不合理、裝配過(guò)程一致性差、裝配環(huán)境清潔度不夠等因素會(huì)導(dǎo)致裝配后的機(jī)床存在各種缺陷，這些缺陷在機(jī)床運(yùn)行早期也會(huì)凸現(xiàn)出來(lái)。此外，早期故障的形成亦與機(jī)床運(yùn)輸過(guò)程、實(shí)地安裝調(diào)試過(guò)程、用戶(hù)使用過(guò)程有關(guān)［5，35］。

2.2.3 數(shù)控落地銑鏜床可靠性評(píng)價(jià)體系

通過(guò)以上分析可知，該落地銑鏜床的關(guān)鍵子系統(tǒng)為機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)劃分維度，除了考慮整機(jī)的可靠性要求外還重點(diǎn)分析了這3 個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)早期故障原因分析，將早期故障定位到各個(gè)子系統(tǒng)及零部件并將其發(fā)生故障的原因追溯到設(shè)計(jì)、制造及裝配調(diào)試階段，進(jìn)而確定了該數(shù)控落地銑鏜床在以上各個(gè)階段的工作重心。依據(jù)可靠性評(píng)價(jià)體系三維模型的建模思想，我們針對(duì)各階段的工作重心確定了機(jī)床整機(jī)及關(guān)鍵子系統(tǒng)在各個(gè)階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了該數(shù)控落地銑鏜床的可靠性評(píng)價(jià)體系，如圖4 所示。

2.2.3.1 數(shù)控落地銑鏜床整機(jī)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段的可靠度是機(jī)床的固有可靠度，從根本上決定了機(jī)床的可靠性水平［36］。在設(shè)計(jì)階段，需要先預(yù)計(jì)機(jī)床的可靠度，從而為其他階段的可靠性工作提供依據(jù)。

用可靠度R(t)來(lái)表征，是指機(jī)床在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率［36］。在設(shè)計(jì)階段與機(jī)床相關(guān)的數(shù)據(jù)較少，一般根據(jù)相似比較法來(lái)預(yù)計(jì)，其計(jì)算公式為

其中，Ri(t)為機(jī)床第i 個(gè)子系統(tǒng)的可靠度，某型數(shù)控落地銑鏜床有11 個(gè)子系統(tǒng)，即1≤i≤11。

(2)加工階段

數(shù)控落地銑鏜床的機(jī)械零部件多為自制零件，液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的零部件多為外購(gòu)件，因此考查機(jī)床廠生產(chǎn)線的可靠性水平以及外購(gòu)件的合格率尤其重要。選用一次交驗(yàn)合格率和外購(gòu)件進(jìn)廠驗(yàn)收合格率［37］來(lái)分別表征機(jī)床廠生產(chǎn)線的可靠性水平和外購(gòu)件的質(zhì)量好壞。

①一次交驗(yàn)合格率FPY(first pass yield)

一次交驗(yàn)合格率代表著生產(chǎn)線的加工能力，一次交驗(yàn)合格率越高，代表著該生產(chǎn)線性能越可靠，其計(jì)算公式為

②外購(gòu)件進(jìn)廠驗(yàn)收合格率

外購(gòu)件進(jìn)廠驗(yàn)收合格率是指經(jīng)過(guò)驗(yàn)收合格的外購(gòu)件占所有外購(gòu)件的比例，計(jì)算公式為

(3)裝配階段

如果數(shù)控落地銑鏜床在裝配時(shí)使用了不合格零部件，該機(jī)床發(fā)生早期故障的概率也高于其他機(jī)床［38］，因此需要考慮裝配過(guò)程中使用了不合格零部件對(duì)機(jī)床可靠性帶來(lái)的影響。

用受不合格零部件影響的機(jī)床可靠度RA來(lái)表征。

以p(0≤p≤1)表示機(jī)床使用不合格零部件的概率。在機(jī)床裝配完成后受不合格零部件影響的機(jī)床可靠度為

其中:R0(t)表示使用合格零部件的機(jī)床可靠度;Fb(t)表示那些存在不合格零部件的機(jī)床累計(jì)故障分布函數(shù)。

(4)使用階段

①首次故障前平均時(shí)間MTBFF

首次故障前平均時(shí)間是指機(jī)床開(kāi)始服役后首次發(fā)生故障前的平均工作時(shí)間［35］，其計(jì)算公式為:

其中:N0為數(shù)控落地銑鏜床樣本數(shù);ti為第i 臺(tái)數(shù)控落地銑鏜床首次故障前工作時(shí)間。

②可用度A

可用度是指產(chǎn)品在任意時(shí)刻需要和開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度［35］。其計(jì)算公式為

其中:n 為數(shù)控落地銑鏜床總臺(tái)數(shù);Ti為第i 臺(tái)數(shù)控落地銑鏜床在考核期內(nèi)的累計(jì)工作時(shí)間，h;τi為第i 臺(tái)數(shù)控落地銑鏜床在考核期內(nèi)的累計(jì)維修時(shí)間，h。

2.2.3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)設(shè)計(jì)階段

機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)中，主傳動(dòng)系統(tǒng)與滑枕的主要故障為機(jī)械零部件的性能退化引起的精度降低，例如主傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪磨損、膠合、點(diǎn)蝕帶來(lái)的齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性降低，滑枕軌道磨損導(dǎo)致定位精度的降低等。因此，在設(shè)計(jì)階段考察機(jī)械零部件的性能退化程度是十分必要的。用性能可靠度RD來(lái)衡量。

設(shè)零部件某一性能參數(shù)為x(t)，性能可靠度RD是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)性能參數(shù)x(t)保持在規(guī)定范圍［XL，XU］內(nèi)的概率，用公式可以表示為［39］

性能可靠度是用來(lái)表征機(jī)械零部件在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)性能退化程度的特征量，在設(shè)計(jì)階段，可以利用相似比較法來(lái)預(yù)計(jì)零部件的性能可靠度。

(2)加工階段

在機(jī)械零部件加工過(guò)程中，由于加工工藝等過(guò)程的影響，會(huì)引起機(jī)床的實(shí)際性能指標(biāo)相對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)值的波動(dòng)，這種波動(dòng)可以用質(zhì)量損失函數(shù)來(lái)表示。我們選用加工質(zhì)量可靠度RL(y)來(lái)描述某機(jī)械零部件在加工完成后其質(zhì)量損失函數(shù)值在允許范圍內(nèi)的概率，其計(jì)算公式為［37］

其中:L(y)為質(zhì)量損失函數(shù)，L(y)=K(y-m)2，K=代表加工出來(lái)的產(chǎn)品性能相對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)值的偏離量;y 為加工后的性能指標(biāo);m 為設(shè)計(jì)目標(biāo)值;Δ 為允許的偏離量;A0為偏離量大于容差時(shí)造成的損失;θ 為質(zhì)量損失的允許值［37］。

(3)使用階段

機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度可作為一種性能指標(biāo)，當(dāng)其不能滿(mǎn)足要求時(shí)，系統(tǒng)則處于失效狀態(tài)［39］。本文選用運(yùn)動(dòng)精度可靠度Racc來(lái)表征機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性。

運(yùn)動(dòng)精度可靠度是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)誤差保持在規(guī)定范圍內(nèi)的概率。設(shè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件到達(dá)空間某一點(diǎn)的誤差為ΔX且誤差的允許范圍為[δ'，δ″]，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度可靠度為［39］

2.2.3.3 液壓系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

液壓系統(tǒng)的元器件多為外購(gòu)件，液壓系統(tǒng)的可靠度可以在設(shè)計(jì)階段用相似比較法預(yù)計(jì)得到。液壓系統(tǒng)可靠性的影響因素多樣，系統(tǒng)故障的機(jī)理復(fù)雜，并且系統(tǒng)故障的檢測(cè)難度較大，因此考慮用故障探測(cè)度來(lái)表征液壓系統(tǒng)故障的難易程度［24-25］。針對(duì)液壓系統(tǒng)，主要考慮以下兩個(gè)指標(biāo):

(1)設(shè)計(jì)階段

用液壓系統(tǒng)可靠度RHyd來(lái)表征。液壓系統(tǒng)可靠度是指液壓系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。液壓系統(tǒng)的可靠度可以在設(shè)計(jì)階段根據(jù)相似比較法來(lái)預(yù)計(jì)。

(2)使用階段

用故障探測(cè)度來(lái)表征。故障探測(cè)度指的是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)被探測(cè)出來(lái)的難易程度。故障探測(cè)度主要根據(jù)專(zhuān)家的工程經(jīng)驗(yàn)，采用打分的方式來(lái)評(píng)定，其打分依據(jù)如表3 所示。

表3 故障探測(cè)度等級(jí)

2.2.3.4 電氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

電氣系統(tǒng)的元器件多為外購(gòu)件，電氣系統(tǒng)的主要故障模式表現(xiàn)為數(shù)顯、手控、電柜等器件的故障，考核電氣系統(tǒng)關(guān)鍵元器件的可靠性十分重要。針對(duì)電氣系統(tǒng)，主要考慮以下兩個(gè)指標(biāo):

(1)設(shè)計(jì)階段:用關(guān)鍵元器件失效率λ(t)來(lái)表征。電氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件故障率λ(t)是指工作到某一時(shí)刻尚未發(fā)生失效的元件在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，其計(jì)算公式為［36］

其中:r(t)為t 時(shí)刻后dt 時(shí)間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)，Ns(t)為t 時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品數(shù)。

(2)使用階段

用元器件平均更換時(shí)間MTTCE來(lái)表征。在使用過(guò)程中，電氣系統(tǒng)的主要失效模式為電子元器件的燒毀、短路、斷路、無(wú)響應(yīng)等，考核電子元器件平均更換時(shí)間是十分重要的，其計(jì)算公式為［36］

其中:n 為測(cè)試時(shí)間內(nèi)某一元器件的更換次數(shù)，ti為每次更換元器件前元器件的工作時(shí)間。

3 應(yīng)用與推廣

上述可靠性評(píng)價(jià)體系的研究思路可以推廣應(yīng)用到其他系統(tǒng)中。首先，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特性，分析整個(gè)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件的性能要求。其次，收集該系統(tǒng)或者相似系統(tǒng)的售后維修數(shù)據(jù)，確定該系統(tǒng)的主要故障部位及主要故障模式，進(jìn)而可以確定該系統(tǒng)故障頻率較高的關(guān)鍵子系統(tǒng)。然后，分析故障的原因，將故障原因關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)壽命周期各階段的可靠性工作中。最后，根據(jù)可靠性評(píng)價(jià)體系的三維模型，針對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件選取壽命周期內(nèi)各階段的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的可靠性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了構(gòu)建數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系的基本方法。該方法從系統(tǒng)、壽命周期和評(píng)價(jià)要素這3 個(gè)維度建立了構(gòu)建數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系的廣義模型，該模型一方面有助于人們理解數(shù)控機(jī)床在不同壽命周期內(nèi)可靠性的演變過(guò)程，另一方面有助于人們了解壽命周期各階段影響機(jī)床可靠性的不同要素。該模型被應(yīng)用到某型數(shù)控落地銑鏜床的可靠性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建中，該應(yīng)用不僅可以為數(shù)控機(jī)床減少早期故障、增強(qiáng)精度穩(wěn)定性提供保證，也可以為數(shù)控機(jī)床開(kāi)展設(shè)計(jì)改進(jìn)、質(zhì)量提升和可靠性增長(zhǎng)提供依據(jù)［6］。數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)體系的研究思路可以推廣應(yīng)用到其他系統(tǒng)，在實(shí)際工作中可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)加以調(diào)整，使評(píng)價(jià)體系更加適合工程應(yīng)用。

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