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        基于FMECA與FTA的數(shù)控磨床數(shù)控系統(tǒng)可靠性分析

        2022-09-20 02:04:20范晉偉張理想劉會(huì)普潘日
        機(jī)床與液壓 2022年10期
        關(guān)鍵詞:危害故障分析

        范晉偉,張理想,劉會(huì)普,潘日

        (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)

        0 前言

        數(shù)控磨床廣泛應(yīng)用在航空、航天、汽車(chē)等高精密設(shè)備零件的加工,數(shù)控磨床的質(zhì)量直接影響被加工工件的品質(zhì)。目前,我國(guó)已經(jīng)連續(xù)十一年成為世界上最大的生產(chǎn)制造國(guó),同時(shí)也是世界上最大的機(jī)床制造國(guó)和消費(fèi)國(guó)。但是,國(guó)內(nèi)中高檔數(shù)控磨床市場(chǎng)占有率極低,原因是故障率高、維修時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低。數(shù)控系統(tǒng)的可靠性直接影響數(shù)控機(jī)床的可靠性水平,所以提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性對(duì)于提高數(shù)控磨床的質(zhì)量至關(guān)重要。因此,為有助于我國(guó)制造業(yè)更好的發(fā)展,提高中高檔磨床在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,必須提高數(shù)控磨床的可靠性。在提高數(shù)控磨床可靠性方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專(zhuān)家進(jìn)行了很多研究。KIM等用故障模式和影響性分析(Failure Model and Effects Analysis,F(xiàn)MEA)進(jìn)行機(jī)床的可靠性研究。GONZALEZ-GONZALEZ等分析可靠性數(shù)據(jù),并利用極大似然法對(duì)分布模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。YANG等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)加工中心進(jìn)行了可靠性分析。申桂香等用故障樹(shù)法對(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。章浩然等提出一種基于模糊評(píng)判的故障模式危害度評(píng)估方法。

        為改善我國(guó)中高檔數(shù)控磨床在國(guó)際市場(chǎng)中的占有率,促進(jìn)數(shù)控磨床行業(yè)的發(fā)展,對(duì)北京第二機(jī)床廠生產(chǎn)的某系列數(shù)控磨床進(jìn)行跟蹤,收集并記錄一系列故障數(shù)據(jù),分析故障數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的故障頻率較高。因此,對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析以有效提高整機(jī)的可靠性。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行FMECA(Failure Modes,Effects,and Criticality Analysis)和FTA(Fault Tree Analysis)分析,確定引起故障的原因,針對(duì)故障原因提出改善措施,從而提高數(shù)控磨床的可靠性。

        1 數(shù)控系統(tǒng)FMECA分析

        根據(jù)故障數(shù)據(jù)可知,數(shù)控系統(tǒng)為數(shù)控磨床的薄弱環(huán)節(jié),對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行故障模式影響及危害性分析(FMECA),通過(guò)統(tǒng)計(jì)存在的故障模式和故障產(chǎn)生原因并計(jì)算危害度,提出針對(duì)性的改進(jìn)措施。

        1.1 故障模式分析

        根據(jù)收集的故障數(shù)據(jù),進(jìn)行故障模式分類(lèi)。數(shù)控系統(tǒng)的故障模式如表1所示。

        表1 數(shù)控系統(tǒng)故障模式

        由表1可知,電器元件損壞是數(shù)控系統(tǒng)故障的最主要模式,占比達(dá)到了19.48%,其次分別是CNC、伺服、變頻等參數(shù)不符,電子元件損壞和CNC不能輸入、顯示和保存數(shù)據(jù),它們的故障頻率分別為11.69%、10.39%和9.09%,這些故障模式累計(jì)占比超過(guò)了50%。

        1.2 故障原因分析

        只有詳細(xì)地分析故障產(chǎn)生的原因,才能針對(duì)性地提出改進(jìn)措施。本文作者根據(jù)數(shù)控磨床生產(chǎn)過(guò)程的宏觀步驟,將故障原因分為設(shè)計(jì)、制造、外購(gòu)?fù)鈪f(xié)、裝配、調(diào)試、儲(chǔ)運(yùn)、使用和老化等。統(tǒng)計(jì)得數(shù)控系統(tǒng)的故障頻數(shù)及頻率如表2所示

        表2 數(shù)控系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        由表2可知:設(shè)計(jì)是造成數(shù)控系統(tǒng)故障的最主要原因,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件選型等,故障率為40.26%;其次分別是使用、外購(gòu)?fù)鈪f(xié)和調(diào)試,占比分別為23.38%、15.58%、14.29%。這些故障占總故障的93.51%。針對(duì)不同故障采取針對(duì)性的措施,主要是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件選型,其次是改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)選擇更優(yōu)的外購(gòu)?fù)鈪f(xié)產(chǎn)品減少故障發(fā)生,對(duì)操作人員和設(shè)備管理人員進(jìn)行培訓(xùn),避免因使用不當(dāng)而造成的故障,對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行定期檢測(cè),預(yù)防潛在的故障發(fā)生。

        1.3 危害性分析

        危害性分析是在故障模式影響分析的基礎(chǔ)上,對(duì)故障影響后果進(jìn)行量化處理,通過(guò)故障模式頻數(shù)比、故障影響概率和基本故障概率確定故障模式的危害度。危害度的分析對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)具有重要意義。

        假設(shè),以故障模式發(fā)生故障導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障的危害度為,可由式(1)表示:

        =

        (1)

        式中:為故障模式頻數(shù)比,由式(2)表示;為故障影響概率,指的是數(shù)控系統(tǒng)以故障模式發(fā)生故障時(shí),發(fā)生損傷的概率,取值范圍如表3所示;為數(shù)控系統(tǒng)的基本故障概率,文中用平均故障率代替基本故障率,由式(3)表示。

        表3 故障影響概率β1取值

        (2)

        式中:為數(shù)控系統(tǒng)以第種故障模式發(fā)生的故障次數(shù);為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障的總次數(shù)。

        (3)

        式中:∑為數(shù)控系統(tǒng)累計(jì)工作的時(shí)間,文中為30 960 h。

        數(shù)控系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的危害度如式(4)所示:

        (4)

        式中:為數(shù)控系統(tǒng)故障模式的數(shù)量。

        由表4可知數(shù)控系統(tǒng)的危害度為0.001 889 932。

        表4 數(shù)控系統(tǒng)危害度分析結(jié)果

        2 數(shù)控系統(tǒng)的FTA分析

        故障樹(shù)分析法(FTA)由美國(guó)貝爾電話研究所(BTL)提出,直到1974年發(fā)表了關(guān)于核反應(yīng)堆安全性研究的拉斯姆報(bào)告,F(xiàn)TA才得到了廣泛的推廣和應(yīng)用,它是一種直觀的、富于邏輯的圖形演繹方法。利用FTA能直觀地判斷造成系統(tǒng)故障的最直接原因,為提高數(shù)控系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)。

        在故障樹(shù)的可靠性分析中,將最不愿發(fā)生的故障作為故障樹(shù)的頂事件,事件符號(hào)為A;再根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)確定各層事件,并對(duì)數(shù)控系統(tǒng)建立故障樹(shù)。第2、3、4層事件及符號(hào)如表5—表7所示。

        表5 第2層事件及符號(hào)

        表6 第3層事件及符號(hào)

        表7 第4層事件及符號(hào)

        圖1所示為建立的故障樹(shù),可知最小割集為{D01}、{D02}、{D03}、{D04}、{D05}、{D06}、{D07}、{D08}、{D09}、{D10}、{D11}、{D12}、{D13}、{D14}、{D15}、{D16}、{D17}、{D18}、{D19}、{D20}、{D21}、{D22}、{D23}、{D24}、{D25}、{D26}、{D27}、{D28}、{D29}、{D30}、{D31}、{D32},可以得出造成數(shù)控系統(tǒng)故障的直接原因,任意底事件的發(fā)生都會(huì)造成數(shù)控系統(tǒng)故障。針對(duì)故障原因提出可靠的改善措施,提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。

        圖1 數(shù)控系統(tǒng)故障樹(shù)

        3 數(shù)控系統(tǒng)可靠性改善措施

        根據(jù)上述分析知,造成數(shù)控系統(tǒng)故障的主要原因有開(kāi)關(guān)損壞、電機(jī)過(guò)載、數(shù)控按鍵失靈、零部件松動(dòng)、程序出錯(cuò)、面板硬件故障和零部件損耗等。針對(duì)這些故障原因,提出的改善措施如下所示:

        (1)定期檢查容易松動(dòng)和耗損的零部件,及時(shí)更換維修,避免因此發(fā)生故障;

        (2)對(duì)于外購(gòu)?fù)鈪f(xié)的零部件,加強(qiáng)與企業(yè)溝通,確保零部件質(zhì)量,提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性;

        (3)對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)而言,時(shí)常會(huì)因操作人員的失誤而造成故障,所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn),確保數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。

        4 結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù),本文作者分別對(duì)數(shù)控磨床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式及危害性分析和故障樹(shù)分析,得出了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的危害度為0.001 889 932,以及造成數(shù)控系統(tǒng)故障的直接原因;通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性分析,提出了具體的改善措施。研究結(jié)果為數(shù)控磨床的設(shè)計(jì)和制造提供參考。

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