張 勇， 何振杰， 張敬芳

(1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系， 河北 邢臺 054000； 2.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心， 河北 邢臺 054000)

引言

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代化高精度加工設(shè)備，是現(xiàn)代各種工業(yè)技術(shù)的集成，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、控制的智能性、加工工藝的多樣性和加工零件的復(fù)雜性，決定了數(shù)控機(jī)床故障診斷的艱巨性[1]。液壓系統(tǒng)在整臺設(shè)備中扮演著重要角色， 有些機(jī)床甚至是全液壓系統(tǒng)控制。因此對數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的故障進(jìn)行研究, 對正確、快速排除機(jī)床液壓系統(tǒng)的故障, 提高機(jī)床運(yùn)行效率具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

我國某機(jī)床公司研制的THMC6350雙工位臥式加工中心，是一臺具有較高水平的數(shù)控設(shè)備。其雙工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠允許設(shè)備在加工零件的同時(shí)，操作人員在另一個(gè)工作臺上對毛坯件進(jìn)行安裝固定。當(dāng)加工完畢后，液壓托架升降系統(tǒng)將2個(gè)工作臺同時(shí)抬起，并利用伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)互換位置，機(jī)床直接開始下一個(gè)零件的加工，操作者清理拆卸加工完畢的成品件，以及安裝固定新毛坯件。這種設(shè)計(jì)在整個(gè)加工過程中節(jié)約了裝卸零件的時(shí)間，極大地提高了生產(chǎn)效率。但其液壓托架升降系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致成品件無法拆卸，毛坯件無法就位，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

故障樹是一種常見的可靠性分析法[3]。文獻(xiàn)[4-6]首次在故障樹分析法中引入模糊理論，用模糊乘等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的與或運(yùn)算。文獻(xiàn)[7]提出T-S模糊故障樹模型，利用T-S邏輯門梳理部件間的聯(lián)系, 為故障機(jī)理不確定等問題提供了解決方案。文獻(xiàn)[8-9]用T-S故障樹分析了導(dǎo)航系統(tǒng)，定義T-S重要度的同時(shí)給出了算法，并在其基礎(chǔ)上驗(yàn)證了基于T-S故障樹的液壓系統(tǒng)可靠性分析方法。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于T-S故障樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性分析法。文獻(xiàn)[11]通過對T-S故障樹所表示系統(tǒng)賦予性能變量，提出一種分析系統(tǒng)故障多態(tài)下的性能可靠性方法。文獻(xiàn)[12-13]進(jìn)一步拓展了T-S模糊故障樹在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

本研究以THMC6350雙工位臥式加工中心為例，將T-S故障樹應(yīng)用于其液壓托架升降系統(tǒng)可靠性分析中，通過定性分析和定量計(jì)算，確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為故障快速診斷提供可靠依據(jù)。

1 液壓托架升降系統(tǒng)原理

液壓托架升降系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

當(dāng)零件加工完畢，需要進(jìn)行工作臺換位時(shí)，三位四通電磁換向閥左位通電，油液經(jīng)吸油過濾器→變量泵→單向閥→電磁換向閥→液壓鎖→單向節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸無桿腔，有桿腔中油液經(jīng)單向節(jié)流閥→液壓鎖→三位四通電磁換向閥，回油過濾器流回油箱，液壓桿伸出，液壓缸完成升舉工作臺動(dòng)作。達(dá)到升舉高度位置后，三位四通電磁換向閥斷電，系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)，此時(shí)由伺服電機(jī)帶動(dòng)托架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行2個(gè)工作臺換位動(dòng)作。到達(dá)位置后，三位四通電磁換向閥右位通電，油液經(jīng)吸油過濾器→變量泵→單向閥→電磁換向閥→液壓鎖→單向節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸有桿腔，無桿腔中油液經(jīng)單向節(jié)流閥→液壓鎖→電磁換向閥→回油過濾器流回油箱，液壓桿收回，完成工作臺歸位動(dòng)作。

1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.電機(jī) 5.單向閥6.二位四通電磁換向閥 7.溢流閥 8.三位四通電磁換向閥9.液壓鎖 10.單向節(jié)流閥 11液壓缸圖1 液壓升降系統(tǒng)原理圖

2 液壓托架升降系統(tǒng)T-S模糊故障樹

以液壓托架升降系統(tǒng)為研究對象，建立以其故障為頂事件的T-S模糊故障樹，如圖2所示。

圖2 液壓升降系統(tǒng)T-S故障樹

頂事件y6表示液壓托架升降系統(tǒng)故障，中間事件y1～y5故障分別為泵源故障、液壓站閥組故障、油路故障、液壓站故障和液壓缸控制閥組故障。底事件x1～x12分別代表的故障模式和故障率如表1所示，其中故障率由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊及設(shè)備維修記錄綜合考慮所得[14]。

表1 底事件故障模式和故障率

所有底事件、中間事件和頂事件的故障狀態(tài)分為正常、半故障以及嚴(yán)重故障，用0，0.5，1表示，假設(shè)部件半故障狀態(tài)和嚴(yán)重故障狀態(tài)概率是相同的，通過五位設(shè)備維修方面專家對故障機(jī)理的分析，為系統(tǒng)T-S門制定如下規(guī)則，如表2～表7所示。

表2 G1門規(guī)則

表3 G2門規(guī)則

表4 G3門規(guī)則

表5 G4門規(guī)則

表6 G5門規(guī)則

表7 G6門規(guī)則

3 液壓托架升降系統(tǒng)可靠性分析

3.1 系統(tǒng)故障概率求解

為解決各種不確定因素對故障樹分析所造成的影響，用模糊數(shù)來表示部件的故障概率以及部件的故障程度。不同數(shù)值的大小對應(yīng)著部件不同的故障程度，可選取區(qū)間[0,1]上的數(shù)字作為模糊數(shù)描述部件的故障程度，0代表無故障，0.5代表半故障，1代表嚴(yán)重故障[15]。

梯形隸屬函數(shù)具有形式簡單、對數(shù)據(jù)信息要求低的優(yōu)點(diǎn)。在液壓系統(tǒng)中，各部件故障程度可以看做連續(xù)的隨機(jī)變量，為了使用方便且不失一般性，事件的描述采用梯形隸屬函數(shù)，如圖3所示，則隸屬函數(shù)F為：

F≡(F0,s1,m1,s2,m2)

(1)

式中，F(xiàn)0—— 模糊數(shù)支撐集中心

s1,s2—— 左右支撐半徑

m1，m2—— 左右模糊區(qū)[16]

圖3 隸屬函數(shù)

假定其左右對稱，即s1=s2，m1=m2，則：

(2)

已知規(guī)則l(l=1,2,…,k)，如果x1為Hl1且x2為Hl2且…且xn為Hln，則y為yl。其中，k為總的規(guī)則數(shù)量，x為前件變量，x=(x1,x2,x3,...,xn)，Hlj為模糊集。設(shè)模糊集的隸屬函數(shù)為μHlj(xj)，則：

(3)

其中，式(3)滿足：

(4)

(5)

其中，βl(x)為規(guī)則l的執(zhí)行度，計(jì)算如下：

(6)

(7)

T-S門描述如下：

(8)

則上級事件的模糊可能性為：

(9)

將表1中給出的基礎(chǔ)故障數(shù)據(jù)以及表2～表7的T-S門規(guī)則，代入公式計(jì)算可得結(jié)果如表8所示。

表8 系統(tǒng)故障概率表

結(jié)果表明，液壓托架升降系統(tǒng)發(fā)生中度故障的概率與各部件的故障概率基本處于同一個(gè)數(shù)量級，發(fā)生嚴(yán)重故障的概率比各部件的故障概率要高出一個(gè)數(shù)量級，與實(shí)際情況基本一致。

3.2 T-S重要度分析

1) T-S概率重要度計(jì)算

(10)

(11)

將數(shù)據(jù)帶入式(11)，求得各底事件的概率重要度如表9所示。

表9 各部件的T-S概率重要度

2) T-S關(guān)鍵重要度計(jì)算

(12)

其中，P(T=Tq)表示頂事件T為Tq概率。

(13)

將數(shù)據(jù)帶入式(13)，求得各底事件的關(guān)鍵重要度如表10所示。

表10 各部件的T-S關(guān)鍵重要度

概率重要度能夠反映底事件的重要性，而關(guān)鍵重要度的意義主要在于通過改進(jìn)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的可靠性。相比于概率重要度，關(guān)鍵重要度含有部件的概率重要度和其本身的故障概率2個(gè)方面。關(guān)鍵重要度不僅體現(xiàn)了部件在故障樹中的地位，而且還體現(xiàn)了部件本身的故障概率，能更客觀地體現(xiàn)部件對系統(tǒng)故障的影響[17]。

表10能夠直觀反映出，當(dāng)系統(tǒng)處于半故障狀態(tài)時(shí)，單向節(jié)流閥、液壓泵、三位四通電磁換向閥、液壓鎖重要度較高，需要給予重點(diǎn)關(guān)注。當(dāng)系統(tǒng)處于嚴(yán)重故障狀態(tài)時(shí)，二位四通電磁換向閥、單向節(jié)流閥、液壓泵、三位四通電磁換向閥重要度較高，為系統(tǒng)較薄弱環(huán)節(jié)，以此可以作為故障排查的依據(jù)。

4 結(jié)論

通過分析數(shù)控加工中心液壓托架升降系統(tǒng)原理，將T-S模糊故障樹應(yīng)用于其可靠性分析中，降低了對故障歷史數(shù)據(jù)的依賴性。并通過計(jì)算求得了系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，以及各部件的T-S概率重要度和T-S關(guān)鍵重要度，為設(shè)備日常維護(hù)及故障診斷提供了可靠依據(jù)。