巴怡曼，高通，程涵，趙博

（西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安7100071）

裝備應(yīng)用技術(shù)

數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障樹分析

巴怡曼，高通，程涵，趙博

（西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安7100071）

數(shù)控復(fù)合加工裝備是應(yīng)用于航空航天工業(yè)中的大型薄壁復(fù)雜零件加工裝備。針對數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析，了解引起其故障發(fā)生的根本原因，并基于此建立了該裝備主軸系統(tǒng)的故障樹；通過對該裝備主軸系統(tǒng)故障樹的定性分析和定量分析確定裝備的薄弱環(huán)節(jié)，為裝備的維修和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

故障樹；故障；數(shù)控加工裝備；重要度

國產(chǎn)高檔數(shù)控裝備主軸系統(tǒng)是裝備的重要零部件，其工作性能關(guān)系到整個裝備的性能及加工產(chǎn)品質(zhì)量[1]。主軸系統(tǒng)是整機(jī)中故障率高、維修時(shí)間長、可靠性低的關(guān)鍵部件，因此有必要通過對裝備的主軸系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，確定主軸系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的一些措施提高其可靠性和壽命。

國內(nèi)外有許多學(xué)者和專家對數(shù)控裝備的可靠性進(jìn)行了研究，其中典型的主要有：英國高校技術(shù)人員對現(xiàn)場采集的數(shù)控機(jī)床故障信息進(jìn)行分析與處理，找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)[2]；國內(nèi)有申桂香等用FTA方法對臥式加工中心刀庫進(jìn)行可靠性分析，找出刀庫系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)并提出合理的改進(jìn)措施[3]。

數(shù)控復(fù)合加工裝備具有專業(yè)、非標(biāo)準(zhǔn)、特種加工等特點(diǎn)，其主軸系統(tǒng)與其他裝備結(jié)構(gòu)差異大，在此前進(jìn)行的可靠性研究中，亦缺少真實(shí)的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的試驗(yàn)支撐，并且高品質(zhì)的航天產(chǎn)品要求加工裝備具有較高的可靠性，因此，提高數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)可靠性，加強(qiáng)該裝備主軸系統(tǒng)的可靠性研究就顯得十分必要。本文針對數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)建立了故障樹，并給出定性和定量分析方法。分析結(jié)果為數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、故障診斷和維修提供了有價(jià)值的參考。

1 數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障樹建造

故障樹是一種表示事件因果關(guān)系的樹狀邏輯圖，用規(guī)定的事件、邏輯門和其他符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系，是一種評價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性與安全性的重要方法。

本文以數(shù)控復(fù)合加工裝備故障作為整體故障樹的頂事件。數(shù)控復(fù)合加工裝備主要包括：進(jìn)給系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、換頭換刀系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，故次級事件根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)選取為：X方向進(jìn)給系統(tǒng)故障、Y方向進(jìn)給系統(tǒng)故障、Z方向進(jìn)給系統(tǒng)故障、主軸系統(tǒng)故障、數(shù)控系統(tǒng)故障、輔助系統(tǒng)故障、換頭換刀系統(tǒng)故障、液壓系統(tǒng)故障。數(shù)控復(fù)合加工裝備具有一般數(shù)控裝備的特點(diǎn)，另外該裝備的主軸系統(tǒng)采用自動換頭方式（激光切割部件除外），包含一只C軸和三只A軸，自動抓取，自動更換，其中A軸包括兩只轉(zhuǎn)速不同的電主軸和激光切割部件，如圖1所示為該裝備主軸頭。根據(jù)該裝備主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，逐級向下分析，找出各級事件的中間事件，直至找出引起頂事件發(fā)生的全部底事件，將各級事件用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T連接[4]。如圖2，3所示，為該裝備主軸系統(tǒng)故障樹。各級事件代號及其所對應(yīng)的故障如表1所示。

圖1 主軸頭

圖2 主軸系統(tǒng)故障樹

圖3 激光頭故障樹

表1 主軸系統(tǒng)故障代碼表

（續(xù)上表）

2 數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障樹定性分析

故障樹的定性分析就是要找出故障樹的所有最小割集。最小割集就是引起頂上事件發(fā)生必須的最低限度的割集。一個最小割集代表了系統(tǒng)的一種故障模式，全部最小割集代表系統(tǒng)的全部故障模式，求出最小割集是十分必要的[5]。

（1）求最小割集

一般求最小割集的方法有上行法和下行法[2]。本文采用上行法求出多軸聯(lián)動數(shù)控切銑復(fù)合加工裝備故障的最小割集，如表2所示。

（2）分析

最小割集定性地給出了底事件的重要程度，底事件在最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)愈多，就愈重要。根據(jù)BARIOW定律：一階最小割集中底事件結(jié)構(gòu)重要度大于多階最小割集中底事件結(jié)構(gòu)重要度[6]。本故障樹中各底事件均只出現(xiàn)了一次，且每一割集均為一階，所以每一底事件均應(yīng)引起相當(dāng)?shù)淖⒁狻?/p>

3 數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障樹定量分析

（1）頂事件發(fā)生概率

當(dāng)故障樹底事件發(fā)生的概率為已知時(shí)，按照故障樹的邏輯結(jié)構(gòu)由下而上逐級計(jì)算，即可求得故障樹頂事件發(fā)生的概率。

式中：k為最小割集的個數(shù)，P（i）為最小割集發(fā)生概率。各底事件發(fā)生的概率值建議如表2所列。

計(jì)算出數(shù)控復(fù)合加工裝備故障樹頂事件發(fā)生概率為：g=0.014 313 2.

（2）底事件概率重要度

頂事件發(fā)生概率g隨基本事件概率gi的變化率叫做底事件xi的概率重要度，其計(jì)算公式為：

概率重要度越大，說明底事件xi就越重要，對頂事件發(fā)生影響就越大[7]。各底事件概率重要度見表2。

（3）底事件關(guān)鍵重要度

關(guān)鍵性重要度Ic（i）是底事件的故障概率q（i）的變化率與頂事件發(fā)生概率g的變化率之比。定義式為

關(guān)鍵性重要度Ic（i）越大表明由底事件xi觸發(fā)系統(tǒng)故障的可能性就越大。各底事件概率重要度見表2.

表2 數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)最小割集表

（續(xù)上表）

（4）分析

根據(jù)各底事件的概率重要度和關(guān)鍵重要度，確定了對頂事件影響大的底事件，見表3.要使多軸聯(lián)動數(shù)控切銑復(fù)合加工裝備發(fā)生故障的概率迅速降低，必須減小該裝備的軸承故障、電機(jī)故障及一些零件安裝不當(dāng)發(fā)生的概率。

表3 對數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障影響大的底事件（按影響度大小依次排列）

4 結(jié)束語

（1）本文通過分析數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障模式及其發(fā)生故障原因，建立該裝備主軸系統(tǒng)故障樹，并對其定性分析得到故障樹的最小割集。

（2）對數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)故障樹通過定量分析求得其底事件概率重要度和關(guān)鍵重要度，從而找出主軸系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為數(shù)控復(fù)合加工裝備主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其維修提供了理論和實(shí)際依據(jù)。

[1]湯本金.提高國產(chǎn)數(shù)控車床可靠性的對策[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2003，32（8）：129-130.

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Fault Tree Analysis Of CNC Composite Machining Equipment Spindle System

BA Yi-man，GAO Tong，CHENG Han，ZHAO Bo
（School of Mechano-Electronic Engineering，Jidian University，Xi’an Shaanxi 710071，China）

The CNC composite machining equipment is used for large thin-walled complicated parts in aerospace industry.In this paper，the faults of CNC composite machining equipment spindle system are analyzed，then the root cause of faults are analyzed.Based on this，the fault tree is established.The weaknesses of equipment are found out by qualitative and quantitative analyses of fault tree of the equipment spindle system，providing theory for maintenance and optimal design of equipment.

fault tree；failure mode；CNC machining equipment；importance

TH113

A

1672-545X（2017）03-0050-04

2016-12-11

國家高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)“運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)制造關(guān)鍵成套設(shè)備與工藝”（2013ZX04001101）

巴怡曼（1989-），女，河南洛陽人，碩士，主要研究方向：可靠性技術(shù)研究。