“數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)”專題（二）可靠性增長體系

張根保 范秀君

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

為了滿足用戶對機(jī)床可靠性日益提高的需求，機(jī)床制造企業(yè)應(yīng)該具備持續(xù)提升其產(chǎn)品可靠性的能力，可靠性增長體系的建立就是提高機(jī)床可靠性的重要手段。可靠性增長思想始于20世紀(jì)50年代，而有關(guān)可靠性增長體系的研究則以1981年美軍頒布的可靠性增長管理標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)志，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及管理流程已成功地應(yīng)用在電子產(chǎn)品和軍品的開發(fā)研制過程中[1]。近年來，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家（如德國、日本等）的機(jī)床企業(yè)相繼掌握了機(jī)床產(chǎn)品的可靠性核心技術(shù)，建立起保障產(chǎn)品可靠性持續(xù)提升的技術(shù)手段[2]。而國內(nèi)的相關(guān)研究工作則起步較晚，技術(shù)積累薄弱，仍處于發(fā)展階段。針對國內(nèi)機(jī)床企業(yè)可靠性方面存在的問題，國內(nèi)機(jī)床可靠性的研究單位相繼開展了可靠性增長體系的研究工作，取得一批研究成果，已經(jīng)形成一套比較成熟、理論性和操作性強(qiáng)的可靠性增長體系和系列實用技術(shù)。

所謂的可靠性增長就是在保證設(shè)計任務(wù)書確定的可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過不斷發(fā)現(xiàn)和消除產(chǎn)品在設(shè)計和制造中的缺陷，逐步提高產(chǎn)品可靠性的過程。可靠性增長的核心是要持續(xù)提高產(chǎn)品的固有可靠性水平，只有在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)，不斷開展“發(fā)現(xiàn)缺陷—分析缺陷—糾正缺陷”可靠性增長活動，才能實現(xiàn)固有可靠性的持續(xù)提升。

為了幫助國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)打造自身的可靠性增長能力，持續(xù)提升國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性水平，本文重點介紹可靠性增長體系的整體架構(gòu)，論述了可靠性增長體系所涵蓋的內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及其實施流程。

1 可靠性增長體系的整體構(gòu)架

由可靠性增長的內(nèi)涵可知，可靠性增長是針對產(chǎn)品的固有可靠性而言的，它通過各種可靠性試驗數(shù)據(jù)和用戶反饋的故障信息，發(fā)現(xiàn)和不斷改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計制造缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，從而逐步提高產(chǎn)品可靠性的螺旋式改進(jìn)提升過程。電子產(chǎn)品及軍品的可靠性增長主要以可靠性增長試驗為故障或缺陷的激發(fā)手段，是通過對可靠性試驗的管理、規(guī)劃和評估實現(xiàn)的。對于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品而言，其可靠性的增長同樣需要有系統(tǒng)科學(xué)的增長體系予以支撐。結(jié)合國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)的現(xiàn)狀及特點，筆者給出了機(jī)床產(chǎn)品可靠性增長體系的整體構(gòu)架，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床可靠性增長體系構(gòu)架

從圖1可以看出，該構(gòu)架以產(chǎn)品的壽命周期為主線，包括基于分析預(yù)測的正向改進(jìn)提升和基于故障數(shù)據(jù)的逆向改進(jìn)增長兩種機(jī)制。可靠性增長活動遵循PDCA循環(huán)的工作模式，通過各種有計劃的分析和試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的缺陷，然后分析缺陷產(chǎn)生的原因，制定改進(jìn)措施，最后監(jiān)控落實改進(jìn)措施，使產(chǎn)品的可靠性得到逐步提升。其中，可靠性分析手段包括故障樹分析（FTA）、故障模式及影響分析（FMEA）、熱應(yīng)力平衡分析、機(jī)械應(yīng)力均衡分析、整機(jī)匹配性分析、可靠性評審等內(nèi)容。故障數(shù)據(jù)主要來源于各種可靠性試驗活動和產(chǎn)品的運行過程，包括樣機(jī)可靠性試驗、研發(fā)階段的早期故障消除試驗、工藝可靠性試驗、產(chǎn)品定型試驗、外購件入廠可靠性驗收試驗、整機(jī)可靠性評估及鑒定試驗、整機(jī)可靠性驗收試驗，來自用戶現(xiàn)場的產(chǎn)品運行維護(hù)及故障數(shù)據(jù)等。

2 實現(xiàn)可靠性增長的主要技術(shù)

實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的可靠性增長是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涵蓋內(nèi)容廣泛，下面給出可靠性增長的部分關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 可靠性數(shù)據(jù)的收集

機(jī)床在其壽命周期內(nèi)的可靠性數(shù)據(jù)是實施可靠性增長的基本出發(fā)點。可靠性增長數(shù)據(jù)主要包括：(1)對于新設(shè)計的產(chǎn)品，首先收集提取與其具有相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的故障信息，分析在新品設(shè)計過程中是否存在相同的設(shè)計缺陷，避免同樣的問題在不同型號機(jī)床的設(shè)計過程中重復(fù)出現(xiàn)。此外，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，通過各種分析也會產(chǎn)生大量的故障數(shù)據(jù)。設(shè)計階段的可靠性數(shù)據(jù)也來源于可靠性評審活動；(2)可靠性試驗是最重要的可靠性數(shù)據(jù)來源，在進(jìn)行可靠性試驗過程中要對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析；(3)對于已制造出廠的機(jī)床，要注重收集其運行故障信息，包括：產(chǎn)品型號、生產(chǎn)日期、故障時間、故障部位、故障模式、故障原因、故障處理情況和維修起止時間等；(4)機(jī)床故障與其載荷和工況具有相關(guān)性，有必要收集機(jī)床的實際運行狀態(tài)信息，包括機(jī)床載荷信息、工況信息（環(huán)境狀態(tài)），這部分信息可以通過研究機(jī)床載荷譜和工況譜的形式處理；(5)專家知識經(jīng)驗，專家信息雖然主觀性強(qiáng)，但對于擴(kuò)展信息量具有重要意義，尤其是當(dāng)某些故障之間的因果關(guān)系很難通過試驗驗證時，專家知識顯得尤為重要；(6)仿真試驗數(shù)據(jù)，主要是對機(jī)床及功能部件實際運行狀態(tài)的仿真數(shù)據(jù)。

2.2 可靠性試驗

在機(jī)床產(chǎn)品可靠性增長過程中實施的可靠性試驗包括：樣機(jī)可靠性試驗、研發(fā)階段的早期故障消除試驗、工藝可靠性試驗、產(chǎn)品定型試驗、外購件入廠可靠性驗收試驗、整機(jī)可靠性評估及鑒定試驗、整機(jī)可靠性驗收試驗等。在樣機(jī)試制階段，需要進(jìn)行樣機(jī)可靠性試驗和研發(fā)階段的早期故障消除試驗以激發(fā)機(jī)床及其功能部件的潛在故障或者缺陷，保證機(jī)床的設(shè)計可靠性；在小批量試制階段，進(jìn)行工藝可靠性試驗和產(chǎn)品定型試驗以暴露制造過程中存在的各種問題，保證機(jī)床的制造可靠性；在機(jī)床出廠前，一般進(jìn)行整機(jī)可靠性評估及鑒定試驗或整機(jī)可靠性驗收試驗以對可靠性增長效果進(jìn)行評定。可靠性試驗的內(nèi)容包括可靠性試驗的方案設(shè)計（包括試驗項目和試驗方法）、可靠性試驗臺搭建、可靠性試驗規(guī)劃制定、可靠性試驗規(guī)范建立、試驗過程記錄、試驗結(jié)果處理等。

2.3 機(jī)床故障及缺陷分析

機(jī)床產(chǎn)品的故障可概括為功能故障和性能故障兩類。所謂功能故障是指產(chǎn)品喪失完成特定功能的能力。性能故障是指發(fā)生故障時，產(chǎn)品表現(xiàn)出性能指標(biāo)迅速衰退或性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。故障分析是實施機(jī)床可靠性增長的必要措施。目前，主要采用故障樹分析和故障模式影響及其危害性分析方法以及由此而派生的一些方法，例如考慮了FTA的不確定性、動態(tài)特性、底事件及中間事件間的相關(guān)性等，考慮了FMECA的風(fēng)險性、不確定性、評價指標(biāo)的多樣性等[4]。而缺陷通常隱匿于機(jī)床的設(shè)計和制造過程中，一般在試驗或用戶使用階段才會被激發(fā)。因此，需要針對機(jī)床缺陷進(jìn)行分析，例如對于機(jī)床設(shè)計缺陷，需要從結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡性、機(jī)電參數(shù)匹配性、電磁干擾特性等方面進(jìn)行分析；對于制造過程需要進(jìn)行加工和裝配過程質(zhì)量異常波動分析，分析在此過程中存在的缺陷及缺陷源。

2.4 可靠性評審

可靠性評審是可靠性增長過程中必不可少的環(huán)節(jié)，是可靠性管理活動的關(guān)鍵內(nèi)容。可靠性評審是以機(jī)床全壽命周期的關(guān)鍵評審節(jié)點為對象，對產(chǎn)品壽命周期的可靠性狀況和保障措施進(jìn)行的評議和審查，以便于及早發(fā)現(xiàn)和消除影響機(jī)床可靠性的隱患，進(jìn)而制定改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品可靠性水平。在評審過程中，需要對系統(tǒng)的功能、任務(wù)、環(huán)境條件進(jìn)行全面分析；對技術(shù)途徑、設(shè)計試驗方法、使用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、裝配工藝、調(diào)試方法、試驗和用戶使用情況進(jìn)行系統(tǒng)全面的審查，對所有影響機(jī)床可靠性的因素進(jìn)行認(rèn)真研究和鑒別；對系統(tǒng)最終形成的所有軟、硬件的圖紙、文件等成果進(jìn)行正式的評審和論證；對體系文件、管理活動、改進(jìn)活動的有效性和充分性進(jìn)行審查。

3 可靠性增長體系的建立與運行

可靠性增長體系實施的基本過程如圖2所示。

圖2 可靠性增長體系實施過程

3.1 建立可靠性增長體系

(1）全面調(diào)研摸底：調(diào)研企業(yè)質(zhì)量管理和可靠性保障能力現(xiàn)狀，了解現(xiàn)有產(chǎn)品存在的主要可靠性問題,評估現(xiàn)有產(chǎn)品的可靠性水平。

(2）統(tǒng)一企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層對可靠性增長的認(rèn)識：領(lǐng)導(dǎo)是企業(yè)的核心和決策者，對增長體系的建立、機(jī)構(gòu)的設(shè)置、人員配置、職能劃分和企業(yè)資源的配置等起著決定性作用。因此，在建立體系之前，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層必須統(tǒng)一思想認(rèn)識。

(3）對企業(yè)員工進(jìn)行全員培訓(xùn)：企業(yè)員工是實施可靠性增長體系的主體，必須使他們充分理解可靠性增長體系的重要性，明確自身在體系中的職責(zé)和作用。

(4）制定可靠性增長方針和目標(biāo)：可靠性增長目標(biāo)是制定可靠性增長計劃和工作內(nèi)容的前提，也是衡量可靠性增長體系運行有效性的關(guān)鍵指標(biāo)。

(5) 識別可靠性增長體系的過程及要素：在可靠性增長方針和目標(biāo)確定之后，應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身可靠性工作的能力和現(xiàn)狀，確定可實施可靠性增長的環(huán)節(jié)，識別其中的關(guān)鍵過程和重點要素，并以此作為可靠性增長體系建立和運行的基本依據(jù)。

(6）設(shè)置可靠性組織機(jī)構(gòu)、明確職能劃分：企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身實際狀況，合理地設(shè)置組織機(jī)構(gòu)，明確機(jī)構(gòu)職能和主要工作內(nèi)容，同時規(guī)定各可靠性工作的歸口管理部門和相關(guān)責(zé)任部門以及其間的接口和協(xié)調(diào)方式，避免職能空缺或重復(fù)。

(7) 編制可靠性增長體系文件：可靠性增長體系文件是規(guī)范企業(yè)可靠性活動，實現(xiàn)可靠性增長方針和目標(biāo)的依據(jù)。可靠性增長體系文件的編制應(yīng)結(jié)合企業(yè)的可靠性職能分配進(jìn)行，按所選擇的可靠性增長體系要素，逐個展開各項可靠性增長活動。

3.2 運行可靠性增長體系

可靠性增長體系運行是執(zhí)行體系文件、實現(xiàn)目標(biāo)、保持增長體系持續(xù)有效運行的過程。體系文件必須得到貫徹實施，才能達(dá)到消除故障及缺陷，實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性增長的目的。這一階段的主要內(nèi)容包括：(1)對企業(yè)人員進(jìn)行可靠性增長體系文件相關(guān)內(nèi)容、流程的培訓(xùn)；(2)全員參與可靠性增長體系的運行，執(zhí)行相應(yīng)的體系文件；(3)記錄體系實施證據(jù)；(4)建立可靠性增長體系的運行監(jiān)督機(jī)制。

3.3 評審可靠性增長體系運行效果

為了能夠確保可靠性增長體系的有效實施和保持，驗證體系文件的有效性、適宜性，需要對體系進(jìn)行評審，評審內(nèi)容包括：(1)可靠性增長管理評審；(2)可靠性增長技術(shù)評審；(3)可靠性增長活動效果評審。

3.4 改進(jìn)可靠性增長體系

(1)發(fā)現(xiàn)、糾正、預(yù)防可靠性增長管理存在的不足；(2)發(fā)現(xiàn)、糾正、預(yù)防可靠性增長技術(shù)存在的缺陷；(3)改進(jìn)措施的實施。

4 應(yīng)用實例：數(shù)控轉(zhuǎn)臺的可靠性增長

重慶大學(xué)與國內(nèi)某知名機(jī)床企業(yè)合作，開展了該企業(yè)的可靠性增長體系建設(shè)項目。本文以其臥式加工中心產(chǎn)品的主要功能部件——連續(xù)分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺為例，闡述其可靠性增長過程，如圖3所示。

圖3 數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性增長實施過程

(1)在前期調(diào)研階段，首先進(jìn)行企業(yè)內(nèi)部調(diào)研，掌握企業(yè)各職能部門的工作內(nèi)容、流程以及存在的問題，了解數(shù)控轉(zhuǎn)臺的可靠性現(xiàn)狀；其次，對企業(yè)主要用戶進(jìn)行調(diào)研，了解數(shù)控轉(zhuǎn)臺在使用過程中存在的主要問題，收集用戶對企業(yè)的意見和建議；第三，對供應(yīng)商進(jìn)行調(diào)研，考察關(guān)鍵零部件供應(yīng)商質(zhì)量控制和可靠性保證現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問題，對供應(yīng)商提出質(zhì)量和可靠性改進(jìn)建議；最后，制定項目實施工作計劃。此階段的工作輸出為《可靠性調(diào)研報告》和《項目實施計劃》。

(2)在企業(yè)培訓(xùn)階段，分別開展了面向企業(yè)中高層領(lǐng)導(dǎo)的可靠性知識培訓(xùn)講座和面向企業(yè)員工的可靠性裝配工藝培訓(xùn)、油品管理培訓(xùn)、清潔裝配培訓(xùn)，同時在企業(yè)內(nèi)部開辦了可靠性工作簡報，增強(qiáng)了企業(yè)員工對可靠性的理解。此階段的工作輸出為《培訓(xùn)記錄表》。

(3)成立了由企業(yè)質(zhì)量總工程師牽頭，由設(shè)計、工藝、加工、裝配、采購、售后維修、財務(wù)部門人員組成的可靠性工作小組，制定了數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性增長目標(biāo)——平均無故障工作時間3 000 h。

(4)編制了《數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性強(qiáng)化試驗方案》：可靠性強(qiáng)化試驗時間為750 h，加速應(yīng)力選擇切削液流量、負(fù)載、轉(zhuǎn)速和液壓壓力四種類型。其中，切削液的流量選用正常使用流量的120%，充分模擬加工環(huán)境，轉(zhuǎn)臺負(fù)重選用其最大設(shè)計極限的載荷塊1 500 kg，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速選用其設(shè)計最高轉(zhuǎn)速10 r/min，液壓系統(tǒng)壓力選用7.5 MPa，其最大使用極限為6.5 MPa）。試驗設(shè)置四種不同的旋轉(zhuǎn)角度（a1、a2、a3、a4）覆蓋轉(zhuǎn)臺的分度范圍，采用連續(xù)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和正反轉(zhuǎn)交替三種旋轉(zhuǎn)方式模擬轉(zhuǎn)臺的分度。通過建立綜合應(yīng)力剖面，以模擬“轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)分度→到位后停止→4個夾緊油缸夾緊→延時后夾緊油缸放松→轉(zhuǎn)臺繼續(xù)旋轉(zhuǎn)分度”等時序動作。環(huán)境應(yīng)力篩選試驗綜合應(yīng)力剖面如圖4所示[3]。

圖4 綜合應(yīng)力剖面

(5)在進(jìn)行可靠性試驗時，數(shù)控轉(zhuǎn)臺依次出現(xiàn)：液壓管接頭漏油、軸向精度不穩(wěn)、喪失回轉(zhuǎn)精度、夾緊油缸夾不緊、轉(zhuǎn)臺回零不準(zhǔn)、拉抓斷裂、轉(zhuǎn)動時異響故障。經(jīng)FMECA分析，確認(rèn)拉抓斷裂故障的嚴(yán)酷度等級為Ⅰ類，是首要解決的故障模式。對拉爪斷裂故障（以此故障模式為例）進(jìn)行FTA分析，發(fā)現(xiàn)電磁換向閥、彈簧性能、拉爪材質(zhì)均處于正常狀態(tài)，不是斷裂主要原因，而“壓力開關(guān)參數(shù)設(shè)置錯誤，導(dǎo)致其感應(yīng)信號時續(xù)時斷，造成托板交換動作與拉抓松開動作時序錯誤”才是產(chǎn)生拉抓斷裂故障的主要原因。在確定問題主因后，更換斷裂的拉抓，將壓力開關(guān)的高、低壓值分別設(shè)置為5 MPa和1 MPa，重新進(jìn)行試驗，該故障沒有再發(fā)生，證明此次改進(jìn)措施是有效的。最后，將改進(jìn)措施形成正式整改文件并落實到相關(guān)責(zé)任部門。

(6)在改進(jìn)措施正式發(fā)布后運行后，組織相關(guān)人員對改進(jìn)措施的有效性和適宜性進(jìn)行評審，同時對可靠性試驗方案和數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性增長效果進(jìn)行評審，對評審不合要求的內(nèi)容制定進(jìn)一步的改進(jìn)計劃。

5 結(jié)語

目前，國產(chǎn)制造裝備可靠性與國外產(chǎn)品還存在著較大的差距,這就需要裝備制造企業(yè)在關(guān)注產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的同時,還必須注重產(chǎn)品的可靠性。要提高產(chǎn)品的可靠性，企業(yè)必須充分合理地實施可靠性工程，從可靠性意識、能力、方法、軟硬件保障等各個方面入手，對產(chǎn)品全壽命周期過程中存在的問題進(jìn)行控制，建立起適用于企業(yè)自身實際的可靠性增長體系，才能實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性快速平穩(wěn)地增長。

[1] 王華偉.液體火箭發(fā)動機(jī)可靠性增長管理研究[D].長沙,國防科技大學(xué),2003.

[2] 楊兆軍,陳傳海,陳菲,等. 數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報,2013,49(20):130-139.

[3] 范秀君,許靜琳,張根保,等.數(shù)控機(jī)床早期故障消除技術(shù)[J].中國機(jī)械工程,2013,24(16):2241-2247.

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