范晉偉，王鴻亮，張?zhí)m清，劉 超

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

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數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)的FMECA和FTA可靠性分析

范晉偉，王鴻亮，張?zhí)m清，劉 超

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

鑒于目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床可靠性較低，以某機(jī)床廠生產(chǎn)的某系列數(shù)控磨床為研究對(duì)象，進(jìn)行可靠性分析。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的故障數(shù)據(jù)分析可知頭架系統(tǒng)是該系列數(shù)控磨床發(fā)生故障率最高的系統(tǒng)，并對(duì)頭架系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了FMECA和FTA可靠性分析。通過(guò)對(duì)頭架系統(tǒng)的FMECA分析計(jì)算出頭架系統(tǒng)對(duì)數(shù)控磨床的危害度為0.003344169。通過(guò)對(duì)頭架系統(tǒng)的FTA可靠性分析確定了頭架系統(tǒng)的最小割集和發(fā)生故障原因。為提高數(shù)控磨床的可靠性，經(jīng)過(guò)故障數(shù)據(jù)的分析提出了幾點(diǎn)可靠性提升方案，對(duì)提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床可靠性具有重要意義。

頭架系統(tǒng)；可靠性分析；FMECA；FTA

0 引言

數(shù)控磨床常常作為零件高效、高精度加工的最后一道工序設(shè)備，其精度和可靠性直接影響零件的加工質(zhì)量，其中可靠性是評(píng)價(jià)數(shù)控磨床好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床在開拓國(guó)際市場(chǎng)方面面臨著巨大阻力，而且在國(guó)內(nèi)中高檔數(shù)控磨床市場(chǎng)中占有率較低，究其原因是故障率高、維修時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低[2]。為提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必須提高其可靠性。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者和專家對(duì)機(jī)床的可靠性進(jìn)行了研究，其中典型的主要有：英國(guó)的一些高校技術(shù)人員以現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)控機(jī)床可靠性信息為依據(jù)，建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理，找出了故障的分布規(guī)律和機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)[3-4]。Kim等人用故障模式分析對(duì)加工中心進(jìn)行了可靠性評(píng)估[5]。申桂香等人用故障樹對(duì)加工中心刀庫(kù)的可靠性進(jìn)行了定性分析，并提出合理的改進(jìn)方法[6]。然而在機(jī)床可靠性的研究方面，對(duì)數(shù)控磨床的研究相對(duì)較少，而且對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性的研究以整體研究為主，主要原因是數(shù)控磨床種類繁多，與其他機(jī)床結(jié)構(gòu)差異大，缺乏可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鑒于目前對(duì)數(shù)控磨床可靠性研究較少，而國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床的可靠性又較低，因此有必要對(duì)數(shù)控磨床的可靠性進(jìn)行研究。

為響應(yīng)十二五期間提出的將國(guó)產(chǎn)中高檔數(shù)控磨床的可靠性指標(biāo)MTBF提升到1500小時(shí)，以某機(jī)床廠生產(chǎn)的某系列數(shù)控磨床為研究對(duì)象，深入車間，進(jìn)行了為期一年半時(shí)間來(lái)采集故障數(shù)據(jù)。將故障數(shù)據(jù)按數(shù)控磨床子系統(tǒng)進(jìn)行分類，找出該系列磨床的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)薄弱系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行FMECA和FTA可靠性分析，通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析提出相應(yīng)的提升可靠性措施。

1 故障數(shù)據(jù)的分類

考慮到目前對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性的研究以整體研究為主，而未建立數(shù)控機(jī)床子系統(tǒng)的可靠性模型，也沒有對(duì)子系統(tǒng)的可靠性水平進(jìn)行評(píng)估。因此，作者主要對(duì)數(shù)控磨床子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。通常將數(shù)控磨床分為11個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示[5]，將采集的故障數(shù)據(jù)按對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)分類，如表1所示。

圖1 磨床的功能結(jié)構(gòu)圖

子系統(tǒng)名稱縮寫代碼故障次數(shù)比例基礎(chǔ)部件BS127．27%數(shù)控系統(tǒng)NC63．64%主軸系統(tǒng)SD2012．12%進(jìn)給系統(tǒng)FD42．42%伺服系統(tǒng)SV10．61%電控系統(tǒng)EC95．45%液壓系統(tǒng)HY116．67%冷卻系統(tǒng)CL2213．33%潤(rùn)滑系統(tǒng)LB42．42%頭架系統(tǒng)HS6136．97%量?jī)x系統(tǒng)MI159．1%

由表1可知，該系列數(shù)控磨床的主軸系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頭架系統(tǒng)和量?jī)x系統(tǒng)故障率較高，占總故障的3/4以上，其中頭架系統(tǒng)的故障率最高，是其最薄弱環(huán)節(jié)。因此，本文主要對(duì)頭架系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析。

2 頭架系統(tǒng)的可靠性分析

由上述分析可知，頭架系統(tǒng)是數(shù)控磨床最薄弱的環(huán)節(jié)，針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。常用的可靠性分析方法有故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis, FMECA)和故障樹分析(Faults Tree Analysis, FTA)分析[7]。FMECA是一種自上而下的可靠性分析方法，運(yùn)用歸納的方法系統(tǒng)地分析產(chǎn)品可能存在的每一種故障模式及其產(chǎn)生的后果和危害程度，找出薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)施重點(diǎn)改進(jìn)與控制。而FTA[8-10]是通過(guò)對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖(故障樹)，確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合及其發(fā)生概率，然后采取相應(yīng)的糾正措施，提高系統(tǒng)的可靠性。本文將分別采取這兩種方法對(duì)頭架系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。

2.1 頭架系統(tǒng)的FMECA分析

2.1.1 頭架系統(tǒng)故障模式分析

為提高頭架系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)其發(fā)生故障的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，如表2所示。

表2 頭架系統(tǒng)的故障模式

由表2可知，零部件損壞、零部件磨損和零件老化是頭架系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，故障率占一半以上。

2.1.2 危害性分析

危害性分析是在故障模式分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其產(chǎn)生的后果進(jìn)行量化處理，即分析各種故障原因?qū)ο到y(tǒng)功能影響的嚴(yán)重程度，進(jìn)而確定每個(gè)零部件或子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的危害度。通過(guò)上述故障數(shù)據(jù)按子系統(tǒng)的分類，首先介紹子系統(tǒng)危害度的計(jì)算方法，最后將頭架系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)帶入即可求得頭架系統(tǒng)的危害度。

假設(shè)第i個(gè)子系統(tǒng)的危害度為CRi，子系統(tǒng)i以故障模式j(luò)發(fā)生故障導(dǎo)致該子系統(tǒng)發(fā)生故障的危害度為CRij，CRij可以由式(1)求出。

CRij=αijβijλi

(1)

子系統(tǒng)i對(duì)整機(jī)的危害度CRi為:

CRi=∑nj=1CRij

(2)

將式(1)代入式(2)得：

CRi=∑nj=1αijβijλi

(3)

式中:n—子系統(tǒng)i出現(xiàn)的故障模式種類數(shù)；

αij—子系統(tǒng)i以故障模式j(luò)發(fā)生故障引起該子系統(tǒng)故障的故障模式概率，其計(jì)算公式為：

αij=nij/ni

(4)

式中:nij—子系統(tǒng)i以第j種故障模式發(fā)生故障的次數(shù)；

ni—子系統(tǒng)i以各種故障模式發(fā)生故障的總次數(shù)；

βij—子系統(tǒng)i以故障模式j(luò)發(fā)生故障導(dǎo)致該子系統(tǒng)損傷的概率，其值如下所示：

βij=1，表示該子系統(tǒng)肯定發(fā)生損傷；

βij=0.5，表示該子系統(tǒng)可能發(fā)生損傷；

βij=0.1，表示該子系統(tǒng)很少發(fā)生損傷；

βij=0，表示該子系統(tǒng)無(wú)影響。

λi—子系統(tǒng)i的基本故障率，本文以通過(guò)采集到的現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)計(jì)算的平均故障率作為基本故障率，其計(jì)算公式為：

λ—l=Ni/∑t

(5)

式中:Ni—子系統(tǒng)i在規(guī)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的總次數(shù)；

∑t—子系統(tǒng)i在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的累積工作時(shí)間。

采集故障數(shù)據(jù)期間，這批數(shù)控磨床的累積工作時(shí)間為13128h。由式(5)計(jì)算可得：

λ—l=0.00464655

根據(jù)采集到的故障數(shù)據(jù)和數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)的故障模式分類及公式(3)即可求出頭架系統(tǒng)的危害度，如表3所示。

表3 數(shù)控磨床頭架系統(tǒng)的危害度計(jì)算

由表3可知，頭架系統(tǒng)對(duì)數(shù)控磨床整機(jī)的危害度是0.003344169。

2.2 頭架系統(tǒng)的FTA分析

FTA分析直觀、邏輯性強(qiáng)、思路清晰，可以直接反映各事件之間的關(guān)系，而且也可以進(jìn)行定性和定量分析。FTA分析的一般流程[9]是：選擇合理的頂事件，根據(jù)故障原因建立故障樹的每層事件并用代碼表示，進(jìn)行定性分析，確定最小割集，找出薄弱環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)措施以提高系統(tǒng)可靠性。

頭架系統(tǒng)主要由頭架、尾架和砂輪修正裝置等組成，對(duì)于它們的組成元器件由于位置和工作環(huán)境的不同而且有的需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此可能造成磨損和老化等故障的發(fā)生，這也是導(dǎo)致頭架系統(tǒng)可靠性較低的主要原因。根據(jù)頭架故障數(shù)據(jù)確定各層事件及代碼如表4～表6所示，對(duì)頭架系統(tǒng)建立故障樹,如圖2所示。

表4 第一層事件及代碼

表5 第二層事件及代碼

表6 第三層事件及代碼

圖2 頭架系統(tǒng)故障樹

對(duì)頭架系統(tǒng)故障樹進(jìn)行定性分析，利用Fussell-Vesely[11]算法進(jìn)行計(jì)算，最小割集分別為{C01},{C02},{C03},{C04},{C05},{C06},{C07},{C08},{C09},{C10},{C11},{C12},{C13},{C14},{C15}。從最小割集可以看出，任一底事件發(fā)生都會(huì)影響頂事件。利用最小割集可以找到導(dǎo)致系統(tǒng)故障的薄弱環(huán)節(jié)，從而提高頭架系統(tǒng)的可靠性。

3 數(shù)控磨床可靠性提升

對(duì)數(shù)控磨床進(jìn)行可靠性分析的目的是在最小成本下提升其可靠性水平，在提升數(shù)控磨床可靠性過(guò)程中應(yīng)遵循以下流程，如圖3所示。通過(guò)建立的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，找出易發(fā)生故障的子系統(tǒng)、故障模式和故障原因，在可靠性設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)改進(jìn)。在整機(jī)組裝之前，首先通過(guò)可靠性試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，對(duì)自主設(shè)計(jì)和外購(gòu)?fù)鈪f(xié)的子系統(tǒng)均需進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。根據(jù)可靠性試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的數(shù)控磨床可靠性進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)評(píng)估結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的比較來(lái)確定是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就可以進(jìn)行裝配、調(diào)試工序和規(guī)范操作說(shuō)明，對(duì)用戶進(jìn)行培訓(xùn)，降低因使用不當(dāng)而造成的故障發(fā)生頻率，提高數(shù)控磨床的使用可靠性。如果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則需對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或重新選擇外購(gòu)?fù)鈪f(xié)廠家，并再次進(jìn)行分析、建模、評(píng)估、試驗(yàn)，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)頭架系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的分析可知，在提升數(shù)控磨床可靠性時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)外購(gòu)電子元器件的質(zhì)量監(jiān)督；

(2)合理布置元器件的位置；

(3)加強(qiáng)對(duì)企業(yè)用戶員工的專業(yè)培訓(xùn)；

(4)加強(qiáng)日常檢查工作。

圖3 數(shù)控磨床可靠性提升流程

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮到國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床的可靠性遠(yuǎn)低于國(guó)外同類規(guī)格的數(shù)控磨床，而且國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)控磨床可靠性的研究又較少，因此，對(duì)國(guó)內(nèi)一批具有典型代表的數(shù)控磨床進(jìn)行了故障數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行了可靠性分析。對(duì)故障數(shù)據(jù)按機(jī)床子系統(tǒng)進(jìn)行了分類，確定了頭架系統(tǒng)是數(shù)控磨床發(fā)生故障率最高的系統(tǒng)，因此，重點(diǎn)對(duì)頭架系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析。對(duì)頭架系統(tǒng)的故障模式和危害性進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算得到頭架系統(tǒng)對(duì)數(shù)控磨床整機(jī)的危害度為0.003344169。然后對(duì)頭架系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)建立了故障樹，確定了頭架系統(tǒng)的最小割集和發(fā)生故障的原因。通過(guò)對(duì)頭架系統(tǒng)可靠性的分析，找到了影響該批數(shù)控磨床可靠性的原因，為可靠性的提升提供

了依據(jù)。最后建立了數(shù)控磨床可靠性提升流程，對(duì)提高其的可靠性具有重要的理論意義。

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(編輯 李秀敏)

FMECA and FTA Reliability Analysis of Head Frame System of CNC Grinding Machine

FAN Jin-wei, WANG Hong-liang, ZHANG Lan-qing, LIU Chao

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)

Considering reliability of current domestic CNC grinding machine is low. With a series of CNC grinding machine of a machine tool plant production as research object for reliability analysis. After analyzing failure data collected in the field can know head frame system is the highest of failure rate in the series CNC grinding, and The article analyzed the head frame system fault data by using FMECA and FTA methods. Through FMECA analysis of head frame system, calculated the harm of head frame system for CNC grinding machine was 0.003344169. Through FTA analysis of head frame system, determined minimum cut sets and cause of the failure of head frame system. In order to improve the reliability of CNC grinding machine, this paper puts forward some improvement measures through the analysis of the failure data, is of great significance for improving reliability of the domestic CNC grinding machine.

head frame system; reliability analysis; FMECA; FTA

1001-2265(2016)11-0157-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.042

2015-12-23；

2016-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275014)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2013ZX04011013)

范晉偉(1965—)，男，河南西平人，北京工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控磨床可靠性與超精密加工，(E-mail)jwfan@bjut.edu.cn;通訊作者：王鴻亮(1987—)，男，河南寧陵人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫芗俺軘?shù)控加工及自動(dòng)化裝備，(E-mail)whl2014@emails.bjut.edu.cn。

TH596；TG58

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