李 琦

(渤海船舶職業(yè)學院，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

為提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，發(fā)動機缸體、缸蓋的制造一般采用流水線的生產(chǎn)方式[1]。生產(chǎn)線是一套串聯(lián)系統(tǒng)，一臺設(shè)備的停機將會導致整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)延誤，這就要求設(shè)備具有穩(wěn)定的生產(chǎn)能力，即可靠性[2]。加工中心作為現(xiàn)代制造業(yè)的母機，其性能的優(yōu)劣直接反映了一個國家工業(yè)的發(fā)展水平，因此，各個國家，尤其是傳統(tǒng)的制造業(yè)大國，也越來越重視加工中心可靠性的提高，而且加工中心的可靠性也被很多學者視為現(xiàn)代制造業(yè)在下一階段的主要發(fā)展方向之一。

很多專家學者在加工中心可靠性相關(guān)領(lǐng)域進行了研究。DAI等[3]基于極大似然法建立了殘存壽命函數(shù)，并對威布爾分布模型進行參數(shù)估計。Yi等[4-5]建立了馬爾可夫鏈模型，并將故障危害度分析引入模型，擴大了馬爾可夫鏈模型的描述功能。李欽奉等[6]建立了機床設(shè)備潤滑系統(tǒng)失效故障樹，并進行了可靠性定性、定量分析。Kim等[7]將FMECA和FTM方法結(jié)合建立了PHM模型，將FMECA的分析結(jié)果用于基于PHM的FTM中，最終求解得到可靠性更高的故障參數(shù)。在可靠性應(yīng)用層面，研究人員將FMECA分析方法從開始的對加工中心整機的故障分析逐漸擴展到對其各功能部件的故障分析，同時考慮了加工中心在不同故障時期的影響程度[7-8]。這些研究方法包括了加工中心可靠性評價、加工中心故障分析等，并逐漸形成了一套切實可行的可靠性分析評價體系。

上述加工中心可靠性分析方法大都是基于單臺加工中心或單條生產(chǎn)線，而對國內(nèi)外同類型加工中心的可靠性對比分析和評價鮮有提及。本文在建立加工中心可靠性綜合評價體系的基礎(chǔ)上，以國內(nèi)外同類型加工中心為實例進行研究，定量分析了國內(nèi)外加工中心性能的優(yōu)劣，并給出了提高國產(chǎn)加工中心可靠性的措施。

1 加工中心可靠性評價數(shù)學建模

1.1 二參數(shù)威布爾分布擬合方法

在進行加工中心可靠性評價之前，需建立其數(shù)學模型，這里采用二參數(shù)威布爾分布的擬合方法以獲得可靠性評價指標[9]。對采集的加工中心故障數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將無故障間隔時間數(shù)據(jù)進行分組，其計算公式為：

(1)

其中，K為分組數(shù)，n為故障數(shù)據(jù)總數(shù)。

通過公式(3)和式(4)將每一組的平均故障時間t和其對應(yīng)的中位秩函數(shù)F(t)進行威布爾轉(zhuǎn)換，變換成一元一次函數(shù)，如公式(2)所示。其中，中位秩函數(shù)F(t)可用公式(5)近似計算。

(2)

x=lnt

(3)

(4)

(5)

其中，i表示故障時間的序列號。

基于最小二乘法對轉(zhuǎn)換后的x、y值進行處理，得到WPP圖(威布爾概率紙)，以判斷加工中心的故障分布是否符合威布爾分布：

(6)

(7)

其中，

(8)

(9)

(10)

將威布爾累計概率分布函數(shù)進行威布爾分布變換，與式(6)和式(7)比較后得出：

β^=B^

(11)

(12)

將獲得的威布爾參數(shù)α和β值帶入，最終求解得到加工中心的時間間隔概率密度函數(shù)。

(13)

1.2 加工中心可靠性評價指標

基于建立的可靠性數(shù)學模型，對加工中心進行可靠性評價，主要評價指標有：平均故障間隔時間MTBF、平均維修時間MTTR和可用度A(t)[10]。MTBF是加工中心主要的壽命評價指標，其基本計算單元是故障間隔時間，故障間隔時間越長，說明下一次設(shè)備發(fā)生故障的時間就越晚，系統(tǒng)可靠性就越高。MTTR代表了系統(tǒng)故障修復(fù)時間的平均值，A(t)則是加工中心有效性的定量指標。3個評價指標的計算公式分別如下：

(14)

(15)

(16)

加工中心可靠性評價算法實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 加工中心可靠性評價算法框圖

2 加工中心FMECA故障分析算法

加工中心故障模式的發(fā)生都會對其子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，而這種影響直接決定了各子系統(tǒng)對加工中心整機可靠性的危害程度[11]。因此，需要對加工中心故障模式進行危害度分析，同時估算子系統(tǒng)對整機的影響程度。

將子系統(tǒng)i相對其他子系統(tǒng)的相對危害度用Ci表示，其計算公式如下：

(17)

其中，n表示影響子系統(tǒng)i的故障模式的個數(shù)。

此外，還需考慮故障模式對加工中心實際加工過程的影響程度，用損傷概率βij來表示故障對加工中心造成損傷的可能性，則：

Cij=a×βij

(18)

其中，a為某一故障模式發(fā)生的頻率，βij的判定準則如表1所示。

表1 損失概率評定標準

加工中心FMECA算法實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 加工中心FMECA算法框圖

3 國內(nèi)外加工中心可靠性綜合評價與分析

3.1 國內(nèi)加工中心可靠性綜合評價與分析

以國內(nèi)某缸體、缸蓋自動生產(chǎn)線上同一型號的加工中心為研究對象，由加工中心的操作人員和維修人員共同對所發(fā)生的故障數(shù)據(jù)進行記錄，連續(xù)采集5個月。在對故障數(shù)據(jù)進行初步處理的基礎(chǔ)上，將每一組的平均故障時間t和其對應(yīng)的中位秩函數(shù)F(t)進行威布爾轉(zhuǎn)換，根據(jù)式(3)和式(4)對轉(zhuǎn)換后的x、y值進行處理，得到WPP圖，如圖3所示?？梢钥闯鰔、y的分布趨近于一條直線，因此，加工中心的故障分布符合二參數(shù)威布爾分布，進而得到加工中心的時間間隔概率密度函數(shù)f(t)。最終，求得加工中心的可靠性評價指標：系統(tǒng)故障修復(fù)時間的平均值MTBF=920.125h；系統(tǒng)故障修復(fù)時間MTTR=1.936h；可用度A(t)=99.79%。

圖3 國內(nèi)加工中心威布爾概率圖紙

基于提出的FMECA故障分析算法，計算各故障模式及其所屬子系統(tǒng)的相對危害度，如表2和圖4所示。

表2 國內(nèi)加工中心相對危害度分析

續(xù)表

圖4 國內(nèi)加工中心子系統(tǒng)相對危害度

通過分析表2和圖4，可以得出如下結(jié)論：

(1)工件傳輸系統(tǒng)是加工中心可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)，其危害度達到了85.393。

(2)控制電氣系統(tǒng)的故障頻率是夾具系統(tǒng)的1.3倍，但是控制電氣系統(tǒng)的危害度與夾具系統(tǒng)的危害度已經(jīng)基本持平，控制電氣系統(tǒng)的故障頻率是刀具系統(tǒng)的1.89倍，而前者的危害度僅僅是后者的1.18倍，這說明在夾具系統(tǒng)和刀庫系統(tǒng)上發(fā)生故障造成的損害會比控制電氣系統(tǒng)上的大。

(3)進給系統(tǒng)、機床防護及基礎(chǔ)件、液壓氣動系統(tǒng)的故障頻率是主軸系統(tǒng)的1.75倍，但是主軸系統(tǒng)的故障危害度已經(jīng)與這三個系統(tǒng)基本相同，甚至比液壓氣動系統(tǒng)的大，這說明主軸系統(tǒng)的故障頻率雖然很小，但是其一旦發(fā)生就會產(chǎn)生很嚴重的影響。

(4)故障危害度分析比故障頻率分析更能體現(xiàn)各個子系統(tǒng)的性能，因此機床維護人員應(yīng)優(yōu)先以故障危害度為準則制定維修策略。

3.2 國外加工中心可靠性綜合評價與分析

以18個月采集的某發(fā)動機缸體、缸蓋進口生產(chǎn)線上的26臺加工中心的故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到WPP圖，如圖5所示?？梢钥闯觯瑇、y參數(shù)基本呈線性分布，所以故障間隔時間符合威布爾分布的變化規(guī)律。

通過最小二乘法的擬合計算，得到加工中心的時間間隔概率密度函數(shù)f(t)。最終，求得加工中心的可靠性評價指標：系統(tǒng)故障修復(fù)時間的平均值MTBF=1114.3h；系統(tǒng)故障修復(fù)時間MTTR=2.651h；可用度A(t)= 99.76%。

圖5 故障間隙時間分布圖

基于提出的FMECA故障分析算法，計算各故障模式及其所屬子系統(tǒng)的相對危害度，如表3和圖6所示。

表3 國外加工中心相對危害度分析

續(xù)表

圖6 國外加工中心子系統(tǒng)相對危害度

通過分析表3和圖6，可以得出如下結(jié)論：

(1)液壓氣動系統(tǒng)是總故障次數(shù)最多的一個系統(tǒng)，共發(fā)生了28次故障，且易發(fā)生故障的部位多在管路、氣缸、齒形帶、泵等部件。

(2)控制電氣系統(tǒng)大多由光柵尺，傳感器等電子器件組成，這些電氣元件大多為外購的標準件，易損耗。

(3)國外加工中心的每個子系統(tǒng)的危害度相差都不太大，系統(tǒng)的可靠性水平處于一種相對平衡狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)建立了加工中心可靠性綜合評價體系。在對故障數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用二參數(shù)威布爾分布的擬合方法獲得MTBF、MTTR、A(t)等可靠性評價指標，提出了加工中心可靠性數(shù)學建模算法，然后對加工中心的故障原因和危害度進行分析，提出了基于FMECA的故障分析算法。

(2)以國內(nèi)外同類型加工中心為實例進行了可靠性對比分析。雖然總體上來看，我國加工中心可靠性水平與國外加工中心的差距已經(jīng)縮小，但在故障的預(yù)防機制和可靠性設(shè)計方面仍需進行系統(tǒng)的研究和總結(jié)。