數(shù)控立車故障分析及可靠性增長(zhǎng)技術(shù)研究

摘要：我國(guó)是世界上最大的數(shù)控機(jī)床消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)。2013年市場(chǎng)保有量上國(guó)產(chǎn)機(jī)床僅占3成左右，國(guó)產(chǎn)機(jī)床在可靠性上遠(yuǎn)低于進(jìn)口機(jī)床，企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性選擇了價(jià)格昂貴的進(jìn)口機(jī)床，造成了國(guó)產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)份額低的現(xiàn)象。通過對(duì)機(jī)床可靠性進(jìn)行分析，可有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，因此提高機(jī)床的可靠性成為近幾年機(jī)床技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控立車；故障分析；可靠性增長(zhǎng)技術(shù)；數(shù)控機(jī)床；國(guó)產(chǎn)機(jī)床 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG659 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0301

1 數(shù)控裝備故障分析技術(shù)

故障分析（FMEA）技術(shù)主要以對(duì)故障的模式（Fault Mode）及其影響（Fault Effect）分析和故障樹（FTA）分析為主要內(nèi)容和方法。

FMEA是對(duì)設(shè)備的某一故障進(jìn)行全面的分析，提出改進(jìn)辦法進(jìn)而提高設(shè)備可靠度，屬于一種預(yù)防性的分析技術(shù)。通過不斷完善和發(fā)展FMEA逐漸演變成FMECA（Fault Mode，Effect and Criticality Analysis），即故障模式、影響及危害度分析。首先獲取設(shè)備故障的大量數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析找到故障的薄弱環(huán)節(jié)和產(chǎn)生故障的原因并進(jìn)行反饋，以便采取有針對(duì)性的措施消除或減輕這些影響，從而提高設(shè)備的可靠性。

故障樹分析法（FTA）以故障樹形式展示可能導(dǎo)致設(shè)備規(guī)定故障的各分項(xiàng)目故障模式、外部事件或它們的組合，以便進(jìn)行分析。

2 數(shù)控立車故障分析

應(yīng)用FMEA技術(shù)針對(duì)整機(jī)各故障部位、故障模式和故障原因進(jìn)行分析，進(jìn)而從整體上掌握重型數(shù)控車床的故障發(fā)生情況，是對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行故障分析的基礎(chǔ)。

數(shù)控車床故障主要分為損壞型、松動(dòng)型、堵塞或滲漏型、失調(diào)型、功能型等類型。損壞型包括零部件元器件等損壞或有害磨損；松動(dòng)型包括緊固件或應(yīng)連接牢固的部件發(fā)生松動(dòng)或脫落引發(fā)的故障；堵塞或滲漏型通常指液、氣、油的堵塞或滲漏；失調(diào)型包括部件間隙超過標(biāo)準(zhǔn)值、壓力或行程不當(dāng)以及電機(jī)過載等運(yùn)動(dòng)軌跡或速度不正確導(dǎo)致的故障；功能型指按標(biāo)準(zhǔn)操作程序后仍實(shí)現(xiàn)功能的故障。

數(shù)控車床故障部位主要有主傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)、刀架、軸進(jìn)給系統(tǒng)統(tǒng)、橫梁、龍門架、CNC系統(tǒng)、伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)、冷卻和排屑系統(tǒng)、液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床電源模塊、裝卡工具、電氣控制系統(tǒng)以及防護(hù)裝置等部位。

2.1 故障統(tǒng)計(jì)分析

通過對(duì)某型號(hào)數(shù)控立車故障采集數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析得到以下結(jié)果：故障模式主要分布在元器件損壞（頻率0.2124）、零部件損壞（頻率0.1865）；故障部位主要分布在液壓系統(tǒng)（頻率0.2613）、電氣控制系統(tǒng)（頻率0.1382）、刀架系統(tǒng)（頻率0.1162）、伺服電機(jī)控制系統(tǒng)（頻率0.0847）和主傳動(dòng)系統(tǒng)（頻率0.0933）；故障原因主要分布在外購(gòu)?fù)鈪f(xié)（頻率0.3886）、裝配（頻率0.3109）、制造（頻率0.1865）。

通過上述數(shù)據(jù)可以得出：損壞型與失調(diào)型故障是機(jī)床失效的主要模式；主要發(fā)生在液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及刀架部位；在對(duì)故障原因的分析中可以得出外購(gòu)?fù)鈪f(xié)部件是引發(fā)故障的首要原因。

2.2 數(shù)控立車危害性分析

危害性分析是建立在FMEA的基礎(chǔ)上通過對(duì)零部件某一故障模式的概率、頻率以及發(fā)生故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析，得出零部件發(fā)生故障對(duì)整機(jī)的危害程度。通常用危害度CRk來表示：

式中：n為零部件故障模式的種類數(shù)；表示零部件k以故障模式j(luò)發(fā)生故障的概率；通常將的值設(shè)置為1、0.5、0.1、0，分別用來表示零部件k發(fā)生故障的可能性，即必然發(fā)生損傷、經(jīng)常發(fā)生損傷、幾乎不會(huì)發(fā)生損傷、不會(huì)發(fā)生損傷；為零部件k的基本故障率。

平均故障率為：

式中：為在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)零部件k發(fā)生故障總次數(shù)；為零部件k在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間實(shí)際工作時(shí)間。

通過上式計(jì)算得到數(shù)控車床各個(gè)故障部位的危害度。當(dāng)?shù)奈：Χ仁?.000313時(shí)，數(shù)控刀架的危害度為0.000531；當(dāng)?shù)奈：Χ仁?.000935時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)的危害度為0.000503；當(dāng)?shù)奈：Χ仁?.000648時(shí)，液壓系統(tǒng)的危害度為0.000394；當(dāng)?shù)奈：Χ仁?.000185時(shí)，伺服控制單元的危害度為0.000168；當(dāng)?shù)奈：Χ仁?.000165時(shí)，數(shù)控刀架的危害度為0.000124。

危害度最高的部位是數(shù)控刀架，是影響其可靠性的最關(guān)鍵部件。危害度比較高的系統(tǒng)依次是主傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、伺服控制單元、橫梁。因此在進(jìn)行可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以此為重點(diǎn)來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 數(shù)控立車可靠性增長(zhǎng)技術(shù)

通過文中第二部分分析可以得出外購(gòu)?fù)鈪f(xié)、裝配和制造是引發(fā)故障的主要原因。主要分析外購(gòu)?fù)鈪f(xié)可靠性增長(zhǎng)技術(shù)、裝配可靠性增長(zhǎng)技術(shù)和制造可靠性增長(zhǎng)

技術(shù)。

外購(gòu)?fù)鈪f(xié)可靠性增長(zhǎng)技術(shù)：數(shù)控裝備每個(gè)零部件的可靠性都直接關(guān)系著整機(jī)的可靠性。因此應(yīng)在符合設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求的基礎(chǔ)上對(duì)外購(gòu)部件進(jìn)行可靠度R（t）分析，以提升外購(gòu)部件的使用壽命。

數(shù)控機(jī)床機(jī)構(gòu)復(fù)雜零部件眾多，外購(gòu)?fù)鈪f(xié)件涵蓋機(jī)械電氣等多個(gè)領(lǐng)域，要對(duì)外購(gòu)?fù)鈪f(xié)件的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行逐一檢查需要大量的設(shè)備、人力和時(shí)間，因此一套完善的外購(gòu)?fù)鈪f(xié)部件質(zhì)量監(jiān)督和保證體系十分重要。只有確立了完善的體系，才能真正地降低因外購(gòu)?fù)鈪f(xié)件質(zhì)量問題引發(fā)的故障率。

裝配增長(zhǎng)可靠性技術(shù)：該技術(shù)以保證設(shè)備對(duì)裝配的要求為目標(biāo)，包括其精度、運(yùn)行噪音和振動(dòng)等方面。通過分析影響裝配質(zhì)量的因素有：（1）裝配體中零部件的加工精度；（2）裝配工藝規(guī)程。因此為達(dá)到裝配要求，需要對(duì)零部件進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，防止不合格品的裝機(jī)，在某情況下甚至需要對(duì)零部件進(jìn)行分選以保證機(jī)床的最佳性能；選取適當(dāng)?shù)难b配工藝，嚴(yán)禁非標(biāo)準(zhǔn)的裝配操作，以避免在裝配時(shí)因裝配方式不正確對(duì)零部件造成的損傷。

制造可靠性增長(zhǎng)技術(shù)：數(shù)控立車制造過程中出現(xiàn)的故障原因分為兩大類：研傷和表面精度與加工精度，主要發(fā)生在軸承表面、導(dǎo)軌和軸頸等部分。因此應(yīng)對(duì)研傷和零部件精度進(jìn)行嚴(yán)格的管控，同時(shí)應(yīng)改進(jìn)工藝方法以降低由于制造導(dǎo)致故障的頻率。

針對(duì)制造過程中研傷導(dǎo)致整機(jī)故障的改進(jìn)措施

如下：

（1）軸承表面研傷。檢查軸承的步驟為：首先按照工藝規(guī)程將軸承拆下檢查軸承外觀，確認(rèn)剩余潤(rùn)滑劑的量并對(duì)潤(rùn)滑劑采樣，做好相關(guān)記錄；然后清洗軸承在粗洗軸承時(shí)可用刷子清除軸承上面的附著物但不可以轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，粗洗后可進(jìn)行精細(xì)軸承，完成清洗后對(duì)軸承進(jìn)行檢測(cè)。最后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定是否更換軸承。

（2）導(dǎo)軌研傷。針對(duì)導(dǎo)軌的研傷一般采用如下方法進(jìn)行修復(fù)：首先可以對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行精加工以將研傷部分修平，再根據(jù)導(dǎo)軌加工后尺寸的變化量，可以選擇更換滑板、在滑板導(dǎo)軌上粘接補(bǔ)償材料、在導(dǎo)軌上鑲上熱處理后的鋼導(dǎo)軌或淬硬鋼帶以完成修復(fù)。

（3）軸頸研傷發(fā)現(xiàn)軸頸有研傷后，通常采用如下兩種修復(fù)方法。可將軸頸略微磨小，更換滑動(dòng)軸承的方法；焊補(bǔ)研傷，更換滑動(dòng)軸承的方法。若采用焊補(bǔ)時(shí)，應(yīng)考慮主軸受高溫對(duì)其幾何精度、機(jī)械強(qiáng)度及表面硬度的影響。為使修補(bǔ)后的設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其原始性能，需要對(duì)軸及軸承進(jìn)行定期的檢查，以防止因軸頸研傷導(dǎo)致故障的發(fā)生。

4 結(jié)語

通過對(duì)某型數(shù)控機(jī)床的故障分析，得到了該型機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)并提出了整改的建議。若能依據(jù)該分析提出改進(jìn)措施，便可有效地確保其可靠性。本文采用的FMEA分析技術(shù)可以對(duì)機(jī)床的故障進(jìn)行預(yù)防分析，進(jìn)而降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 涂春泰.現(xiàn)代制造系統(tǒng)的可靠性分析方法及應(yīng)用研究[D].上海大學(xué)，2002.

[2] 康銳，石榮德.FMECA技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：張洋（1979-），男（滿族），遼寧鳳城人，中捷機(jī)床有限公司工程師，碩士，研究方向：數(shù)控立式車銑中心的研發(fā)與設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）