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        直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭故障樹分析和泄漏問題改進

        2015-05-07 02:48:54鄭鵬王耀博
        機械工程師 2015年1期
        關(guān)鍵詞:直驅(qū)式力矩電機銑頭

        鄭鵬, 王耀博

        (沈陽工業(yè)大學(xué),沈陽110178)

        0 引言

        機電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)對系統(tǒng)可靠性影響顯著,系統(tǒng)可靠性設(shè)計的優(yōu)劣就在于能否準(zhǔn)確預(yù)測薄弱環(huán)節(jié)的位置和影響程度,并據(jù)此在系統(tǒng)設(shè)計階段進行合理考慮。應(yīng)用故障樹分析法(Fault Tree Analysis,F(xiàn)TA)將雙擺角銑頭系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障作為分析的目標(biāo),逐層向下推出所有可能的原因,從而找出雙擺角銑頭系統(tǒng)內(nèi)可能存在硬件和軟件因素與系統(tǒng)失效之間的邏輯關(guān)系,并用倒立樹狀圖表示出來。應(yīng)用故障樹分析法的必要性是可以幫助設(shè)計者及早有效地評價設(shè)計中存在的薄弱環(huán)節(jié)及缺陷,以此來改進設(shè)計,提高產(chǎn)品的可靠性水平[1]。

        1 雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)簡析

        直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬能銑頭能夠?qū)崿F(xiàn)大型、復(fù)雜工件的加工,直驅(qū)式A/C軸數(shù)控加工機床的“五軸”主要由基本線性軸X、Y、Z和繞X軸的A軸和繞Z軸的C軸組成。直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭采用力矩電機直接驅(qū)動結(jié)構(gòu),直驅(qū)式電機傳動模式取代傳統(tǒng)機械傳動模式,實現(xiàn)“零傳動”,使銑頭結(jié)構(gòu)更加緊湊[2-3]。

        直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬能銑頭的結(jié)構(gòu)中,在C軸內(nèi)部串聯(lián)安裝兩個力矩電機,實現(xiàn)C軸回轉(zhuǎn)是通過一個連接套帶動萬向架旋轉(zhuǎn);在A軸內(nèi)部并聯(lián)安裝兩個力矩電機,實現(xiàn)A軸擺動是通過并聯(lián)A軸內(nèi)部的力矩電機帶動主軸座旋轉(zhuǎn)[4-5]。

        直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬能銑頭的實體裝配圖如圖1所示。C軸和A軸結(jié)構(gòu)模型如圖2和圖3所示。圖4為直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭現(xiàn)場安裝圖。

        圖1 銑頭裝配圖

        圖2 C軸結(jié)構(gòu)模型

        2 雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)故障樹分析

        因為雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,任何一個單元失效,都可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效,所以銑頭的可靠性由單元的可靠度決定[6]。針對雙擺角銑頭可能出現(xiàn)的故障,對雙擺角銑頭系統(tǒng)分析,建立故障總樹,如圖5。

        從雙擺角銑頭故障總樹可以看出,造成雙擺角銑頭可能出現(xiàn)故障的主要因素有力矩電機故障、回轉(zhuǎn)軸承故障、端齒盤故障、冷卻系統(tǒng)故障、圓光柵故障、控制系統(tǒng)故障等。

        以力矩電機故障為例,建立力矩電機故障樹如圖6所示,其中,冷凝水進入機體可能會造成力矩電機損壞等重大事故,在設(shè)計中應(yīng)重點加以考慮。

        圖3 A軸結(jié)構(gòu)模型

        圖4 直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭現(xiàn)場安裝圖

        圖5 雙擺角銑頭系統(tǒng)故障總樹

        圖6 力矩電機故障樹

        3 雙擺角銑頭故障模式分析

        數(shù)控機床故障模式有如下幾種:損壞型,退化型,松脫型,失調(diào)型,堵塞型,滲漏型,性能衰退型,功能失效型等[7]。通對雙擺角銑頭與數(shù)控機床故障模式的對比,歸納故障模式分析如表2所示。

        表2 雙擺角銑頭故障模式分析

        4 泄漏問題及其改進

        力矩電機在工作過程中,由于自身發(fā)熱以及冷卻水的影響,很可能在力矩電機周圍形成冷凝水。這些多余的流體,很可能會腐蝕電機、軸承,甚至可能造成電機燒毀的嚴(yán)重后果。此外,雙擺角銑頭內(nèi)部存在很多液壓管路,多個零件之間通過靜密封及打孔的方式,很難保證不存在任何泄漏。

        為了解決泄漏問題,在C軸及A軸內(nèi)部,可能會出現(xiàn)流體的地方,設(shè)計流體泄漏通道,使得流體能順利從高處流到低處,然后順著泄漏通道從C軸流到A軸,再從A軸排到外部,泄漏通道在設(shè)計路徑時,要遠離精密部件及帶電部件,如圖7。

        圖7 泄漏通道路徑

        在雙擺角銑頭的設(shè)計中,特別是在A軸殼體的設(shè)計中,最大限度地使用接管的方式來連接不同零部件的流體。這樣既能方便維護,又能在很大程度上避免了不同零件之間通過靜密封與打孔的方式導(dǎo)致的泄漏隱患[10],如圖8。

        圖8 接管式連接

        5結(jié) 論

        在雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,建立雙擺角銑頭故障總樹模型,針對每一個可能出現(xiàn)故障的部件和環(huán)節(jié)進行故障因素分析,并對故障模式歸納與總結(jié),為系統(tǒng)改進和診斷提供了參考依據(jù)。針對冷凝水和液壓管路泄漏問題提出相應(yīng)改進措施,有效減少了故障發(fā)生率,提高了系統(tǒng)可靠性。在運行過程中遇到如上問題,可以參考以上故障樹進行分析和診斷。

        [1] 陳建軍,張建國,段寶巖,等.大型星載天線的展開系統(tǒng)失效樹分析[J].機械設(shè)計與研究,2005(3):6-8,18.

        [2] 林劍峰,閆明,鄭鵬,等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭模態(tài)分析[J].機械傳動,2010(4):61-63.

        [3] 閆明,林劍峰,鄭鵬,等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭C軸結(jié)構(gòu)單元有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2010(4):13-15,19.

        [4] 鄭鵬,閆明,孫淑霞,等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度[J].制造技術(shù)與機床,2011(8):44-47.

        [5] Yang Qingdong,Liu Guoping.Dynamics Analysis of Special Structure of Milling-head Machine Tool[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering ( English Edition),2008,21( 6):103-107.

        [6] 周磊,陳時錦,梁迎春,等.液壓擺角銑頭系統(tǒng)的故障樹分析及可靠性改進[J].機床與液壓,2007(9):236-238,214.

        [7] 賈志成,胡仲翔,申桂香,等.數(shù)控機床故障模式的對比分析[J].兵工學(xué)報,2009(1):86-90.

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