基于危害性分析的冷卻系統可靠性改進技術*

申桂香 李懷洋 張英芝 李全普 王志瓊

(①吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 130025;②大連機床集團有限責任公司，遼寧大連 116620)

加工中心高速度、高精度和柔性化的迅速發展，對現有冷卻系統的冷卻效率和可靠性水平提出了更高的要求。改善冷卻系統的冷卻效率，提高冷卻系統的可靠性，已成為精密加工中心的重要研究課題［1－2］。因此，根據可靠性試驗現場收集到的冷卻系統故障信息，結合影響冷卻系統故障的因素，應用模糊綜合評判的方法對加工中心冷卻系統的故障模式進行危害度分析，根據分析結果利用熱管技術改進冷卻系統，改善冷卻系統的冷卻效率，提高冷卻系統的可靠性水平勢在必行。

1 加工中心冷卻系統危害性分析

1.1 冷卻系統故障信息

利用可靠性數據處理軟件，將受試加工中心的故障數據按故障部位進行查詢，得到冷卻系統的故障信息，如表1所示。根據冷卻系統的故障信息，綜合考慮故障頻率、故障嚴重度、測試難易程度和維修難易程度4個影響因素，應用模糊綜合評判的方法對加工中心冷卻系統的故障進行分析，計算出各故障模式的危害度等級。根據分析、計算結果找出冷卻系統危害度等級較大的故障模式，以探詢可靠性改進設計的方向。

表1 冷卻系統故障信息表

1.2 模糊綜合評判過程［3］

1.2.1 建立因素集

本文將與危害度分析相關冷卻系統的故障發生頻率、故障嚴重程度、故障檢測和維修難易程度4方面因素構成1 個因素集U，U={u1，u2，u3，u4}。其中u1為故障發生頻率;u2為故障嚴重程度;u3為故障檢測難易程度;u4為維修難易程度。

1.2.2 建立評價集

根據加工中心冷卻系統在實際使用過程中的故障信息，將各故障模式的評價集劃分為5個等級，如表2所示。5個等級分別用5級語言變量表示，這5個語言變量構成 1 個評判集V，V={v1，v2，v3，v4，v5}，其中，v1為很低;v2為低;v3為中等;v4為高;v5為很高。5個語言變量反映了專家及工作人員對故障影響的模糊看法，它們連續的隸屬函數可以取三角形分布、正態分布和梯形分布等。通過對加工中心冷卻系統故障模式的分析和實踐發現，采用三角形分布能夠比較符合實際。評分采用10分制，5個等級的分值和相應的隸屬函數uVi見圖 1。

表2 故障模式的等級劃分表

對于v1，隸屬函數表達式為

表示隸屬于等級“很低”的可能性。同樣，v2、v3、v4、v5的隸屬函數uv2、uv3、uv4、uv5依次表示隸屬于等級“低”“中”“高”“很高”的可能性。

1.2.3 建立單因素評判矩陣

冷卻系統7個故障模式的模糊判別矩陣經歸一化處理后分別為

1.2.4 建立因素權重集

根據使用部門、設計部門共同評定得到冷卻系統7種故障模式的權重集分別為

1.2.5 一級模糊綜合評判模型

故障模式零部件損壞的模糊綜合評判模型為

計算故障模式零部件損壞的危害度值，即

現將語言值用對應的加權值表示為 1、2、3、4、5，則其綜合危害度等級為C1=3.275，相當于FMECA中的危害度值。同理可以得出其他6個故障模式的綜合危害度等級，C2=3.26，C3=2.75，C4=2.995，C5=2.93，C6=2.975，C7=3.085。

所以模糊綜合危害度排序為:零部件損壞＞液、氣、油堵塞＞氣液控制失靈＞冷卻液不足＞溫升過高＞液、氣、油元器件損壞＞液、氣、油滲漏。排序結果表明冷卻系統的故障模式中，零部件損壞和液、氣、油堵塞的模糊綜合評判危害度等級遠遠大于其他故障模式，是可靠性改進的重點。

2 熱管技術在冷卻系統中的應用

熱管是一種封閉的管狀元件，它利用管內工作介質的相變化(汽化和冷凝)所產生的高潛熱和毛細抽吸現象進行傳熱，高效、節能、無需外界動力，在各個領域得到了廣泛應用［4］。

2.1 熱管結構

標準熱管是由殼體、吸液芯和工作液體(也稱工作介質)組成的密閉系統。殼體材料可選取銅、鋁、不銹鋼等。殼體內壁覆蓋有多孔材料構成的毛細吸液芯，其中吸滿液態工作介質，工作介質可為甲醇、水、汞等物質。將殼體抽成高度真空(負壓0.13～1.3×－10－4Pa)后充入適當的工作介質，密閉殼體便成為1只熱管，結構如圖2所示［5］。

2.2 熱管工作原理

蒸發段溫度升高時，液體工作介質通過管壁吸收外界熱源的熱量，沸騰蒸發為蒸汽，產生液－汽相變，吸收大量的熱量，蒸汽的產生導致蒸發段壓力上升，在壓力的作用下蒸汽迅速移向冷凝段。由于冷凝段溫度低，蒸汽冷凝為液體，產生汽－液相變，釋放出大量的熱量，熱量通過管壁傳遞給冷源。蒸汽經過汽－液相變后在吸液芯內凝結成液體，液體靠毛細抽吸力返回到蒸發端。工作介質如此周而復始，連續循環，不斷地把熱量從熱源快速傳送到冷源，從而迅速降低熱源的溫度。

2.3 熱管技術應用

熱管技術在冷卻系統中的應用主要有2個方面:

一方面，利用熱管技術在現有冷卻系統的基礎上，增加熱管的冷卻環節，提高冷卻效率。根據文獻［6］中利用熱管技術對液壓系統的改進方案，在冷卻系統中的冷卻水箱或者油箱內增加一個同樣的熱管冷卻系統，可以有效地抑制冷卻液的溫升，提高冷卻系統的冷卻效率。

另一方面，在加工中心易發熱的部位采用熱管散熱技術替代部分冷卻系統。加工中心主軸定子的冷卻一般是靠油冷機帶著冷卻油在管路內循環流動來完成的。現利用熱管技術改進該部分冷卻系統，將冷卻定子的管路內部注入適當的工作介質，抽成高度真空后密封，制成一個嵌在主軸定子內部的微型熱管。因熱管散熱不需要額外的動力提供機構，故能夠節省冷卻泵或油冷機等易損外購件，減少零部件的損壞，簡化冷卻系統結構;同時熱管利用蒸汽傳導熱量，消除了該部分的液、氣、油堵塞現象。因此，采用熱管技術減少了主軸定子冷卻系統零部件的損壞和液、氣、油堵塞現象，能夠有效地提高加工中心冷卻系統的可靠性水平。

3 結語

利用熱管技術改進冷卻系統后，由于熱管本身不需要外界動力，從而省略了油冷機等易損件零部件，減少零部件的損壞，簡化加工中心冷卻系統結構;同時熱管利用2種相變(汽化和液化)和蒸汽進行熱傳導，熱傳導效率高、速度快，沒有液、氣、油堵塞現象，勢必改善加工中心冷卻系統的冷卻效率，提高加工中心冷卻系統的可靠性水平。

［1］戴怡，賈亞洲，申桂香.立式加工中心的故障分析與改進措施［J］.中國機械工程，2001，12(11):1209 －1211.

［2］王桂萍，賈亞洲，喬巍巍，等.故障比重比在數控機床故障分析中的應用［J］.機床與液壓，2008，36(1):174 －177.

［3］王桂萍，賈亞洲，申桂香，等.加工中心冷卻系統故障模式危害性模糊評價分析［J］.農業機械學報，2008，39(3):171 －174.

［4］由宏君.熱管技術的應用進展［J］.四川化工，2005，8(3):47 －51.

［5］莊駿.熱管技術及其工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2000.

［6］李全普.應用熱管冷卻液壓系統［J］.液壓與氣動，1998(5):26－27.