“數(shù)控機床可靠性技術(shù)”專題（十五）早期故障消除技術(shù)

張根保 夏長江 婁金花

（重慶大學(xué)機械學(xué)院，重慶 400044）

1 引言

故障是產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)。而故障模式是故障的表現(xiàn)形式，如短路、開路、斷裂、過度耗損、軸的斷裂等。一般在研究產(chǎn)品的故障時往往是從產(chǎn)品的故障現(xiàn)象（即故障模式）入手，進(jìn)而通過現(xiàn)象找出故障原因。大量的實踐表明，產(chǎn)品的故障可分為早期故障、偶然故障和損耗故障三類。對典型加工中心故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)果表明早期故障占產(chǎn)品壽命周期的一半以上。說明早期故障對數(shù)控機床的可靠性有著重大影響。早期故障解決不好，會造成國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性不足，從而影響用戶對國產(chǎn)機床信心，所以消除早期故障勢在必行。

2 早期故障的概念

在可靠性研究中，可以用故障率浴盆曲線（如圖1）來表示機床的故障率和時間之間的關(guān)系。利用浴盆曲線，可以較直觀地分辨出產(chǎn)品在壽命周期中各個階段出現(xiàn)故障的概率的大小。

按照浴盆曲線的形狀特征，可以將其分為三段：在最左邊的部分（0至t1）被稱為早期故障期，這段時期故障率隨著時間的增加迅速遞減，機床運行越來越穩(wěn)定。這段時間內(nèi)的故障主要是由于前期的工作沒有做到足夠詳細(xì)，例如產(chǎn)品設(shè)計失誤、零部件質(zhì)量控制不嚴(yán)、裝配工藝缺陷、沒有足夠的“磨合”等造成的；曲線中間部分(t1至t2)被稱為偶然故障期，這段時期產(chǎn)品的故障率近似保持不變，這段時間的故障多是由于誤用、濫用、不恰當(dāng)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)、使用環(huán)境變化等偶然因素造成的；曲線的最右段(t2以后)為耗損故障期，這段時期故障率隨著時間的增加迅速遞增，主要原因與這個時期產(chǎn)品的大多數(shù)零部件已經(jīng)達(dá)到設(shè)計的使用壽命，而且與零部件的腐蝕、老化、磨損和疲勞等有著密切的關(guān)系。

將早期故障定義為發(fā)生在產(chǎn)品早期故障期內(nèi)，主要由設(shè)計、制造等過程的缺陷造成并且具有共性的故障。早期故障呈現(xiàn)出一些鮮明的特點：早期故障頻率高，所占比重大，故障間隔時間短，故障影響程度大，故障模式和故障原因比較集中。

早期故障的這些特點大大增加了主機廠的售后成本，影響用戶的生產(chǎn)效率，而且由于數(shù)控機床在早期故障期的性能是否穩(wěn)定，是用戶從感性認(rèn)識上判斷產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，早期故障頻繁無疑會在無形中損害產(chǎn)品市場形象。另一方面，由于早期故障又具有故障模式和故障原因比較集中的特點，易于從設(shè)計、制造等過程中對故障進(jìn)行控制和改善。因此，盡可能在機床出廠前對早期故障進(jìn)行消除是提升數(shù)控機床可靠性的重要途徑。

3 早期故障消除體系

早期故障消除技術(shù)按實施階段可劃分為故障信息收集、故障信息分析、可靠性試驗、故障消除4個階段。早期故障消除技術(shù)體系框架如圖2所示,其中實線代表早期故障消除技術(shù)實施流程,虛線代表信息傳遞關(guān)系。

（1）故障信息采集

實施早期故障消除技術(shù)的首要任務(wù)是全面采集機床功能特性狀態(tài)信息，例如機床故障信息、機床運行狀態(tài)信息、使用工況等。故障數(shù)據(jù)的收集應(yīng)該具有周密的計劃。第一步，要進(jìn)行需求分析，明確數(shù)據(jù)收集的內(nèi)容及目的；第二步，確定數(shù)據(jù)收集點，如廠內(nèi)試驗數(shù)據(jù)就選實驗室、產(chǎn)品生產(chǎn)檢測點等作為數(shù)據(jù)收集點；第三步，制定故障數(shù)據(jù)的收集表格如表1所示，根據(jù)需求制定所需內(nèi)容的統(tǒng)一、規(guī)范化表格，便于計算機處理，也便于在企業(yè)內(nèi)部各部門之間流通；第四步，要采用有效的數(shù)據(jù)收集方法，在建立了完善的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)之后，數(shù)據(jù)可以依其傳送的途徑，按正常流通渠道進(jìn)行，當(dāng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)運行不完善時，可以派專人下到現(xiàn)場，按預(yù)先制定好的計劃進(jìn)行。

（2）故障分析

收集產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)最終是要根據(jù)所提供的故障信息對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，因此，分析故障數(shù)據(jù)得到引發(fā)故障的原因，為改進(jìn)提供依據(jù)。

故障分析階段應(yīng)涵蓋四部分內(nèi)容：產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡分析、故障樹分析（fault tree analysis,FTA）、故障模式影響及危害度分析（failure modes and effects analysis,FMECA）等。

分析產(chǎn)品故障原因和產(chǎn)生機理首先要進(jìn)行產(chǎn)品功能級運動分析。將產(chǎn)品按照“譜系－功能－運動－動作”的順序進(jìn)行分解，利用可靠性建模方法建立產(chǎn)品整機加工功能與動作實現(xiàn)的邏輯關(guān)系，從而實現(xiàn)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)到功能運動的映射。FTA以故障事件作為頂事件，按照“從上到下”的原則進(jìn)行原因分析，最終建立故障與設(shè)計、制造和使用過程中的缺陷的對應(yīng)關(guān)系，從物理失效的角度研究故障的失效機理，從而有針對性地提出改進(jìn)措施。FMECA的核心是對故障影響作出判斷并確定嚴(yán)酷度級別，分析潛在故障發(fā)生的物理參數(shù)類型并確定其檢測方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)，以此作為可靠性試驗和仿真中的應(yīng)力參數(shù)類型和水平的參考。

（3）可靠性試驗

可靠性試驗階段包括可靠性試驗方案設(shè)計、試驗建模與仿真、試驗監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集和試驗結(jié)果分析與評價四部分內(nèi)容。

可靠性試驗就是與可靠性有關(guān)的試驗，簡單地說就是激發(fā)潛在故障的試驗。產(chǎn)品從開發(fā)到使用的各個階段，都會成為試驗的對象。通過故障數(shù)據(jù)的采集和故障分析的工作，可以充分了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)要求等基本信息，還得到了產(chǎn)品所有可能的潛在故障，并且得到了所有潛在故障對整個產(chǎn)品的危害度排序，因此可以根據(jù)對整個產(chǎn)品影響程度的不同，確定可靠性試驗的實施順序。

表1 故障采集表

通過可靠性試驗，可以激發(fā)出早期故障。獲得故障數(shù)據(jù)后，需要對早期故障進(jìn)行定性分析，找出早期故障的原因；對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，確定故障模型，進(jìn)而可以對故障的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行消除。

（4）故障消除

故障消除應(yīng)遵循PDCA循環(huán)的原理。試驗結(jié)果分析完成后，確定故障產(chǎn)生的具體原因和產(chǎn)生機理，在設(shè)計（結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、外購件選型）、制造（加工工藝、裝配工藝、工作環(huán)境）、使用維護(hù)（使用工況、操作技能、維護(hù)保養(yǎng)）等各方面在合適的時間點采取相應(yīng)措施對故障的原因進(jìn)行隔離，通過將故障原因反饋到設(shè)計和制造過程中消除早期故障，進(jìn)而可以達(dá)到避免被迫停機造成重大損失、提高運行效率、縮減維修成本、提高產(chǎn)品固有可靠性的目的。故障消除之后要及時歸納整理故障產(chǎn)生部位、產(chǎn)生的根本原因、故障機理、詳細(xì)的解決措施以及達(dá)到的效果等，對以后的加工中心產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配及試驗等環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)。

4 早期故障期的定量化建模和分析

對機床浴盆曲線的早期故障期持續(xù)時間t1（如圖1）進(jìn)行定量化分析，即要確定早期故障期和偶然故障期的轉(zhuǎn)折時間點，以便合理確定可靠性試驗時間、辨識早期故障。

文獻(xiàn)[1]應(yīng)用兩重威布爾分段模型對早期故障期的持續(xù)時間進(jìn)行了研究。兩重威布爾分段模型可靠度函數(shù)的表達(dá)式為

對于兩參數(shù)威布爾分段模型，我們可知t2＇就是其分段函數(shù)的分界點及時間轉(zhuǎn)折點，并且其可靠度函數(shù)與概率密度函數(shù)在其分界點處連續(xù)，則有：

對式（3）和（4）使用極大似然法對參數(shù)進(jìn)行估計，可以得到t1，該時間點即為早期故障期與偶然故障期的拐點。通過上述方法可以確定早期故障期所持續(xù)的時間。確定浴盆曲線的關(guān)鍵拐點t1，在t1之前為早期故障期。確定早期故障期的拐點是進(jìn)行早期故障消除的基礎(chǔ)。

5 早期故障的形成原因與消除方法

5.1 早期故障的形成原因

早期故障多發(fā)的現(xiàn)象往往體現(xiàn)在新產(chǎn)品中，主要原因是新產(chǎn)品往往采用了新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，還有配套這些技術(shù)所引進(jìn)的新設(shè)備，而這些技術(shù)和設(shè)備要被企業(yè)所熟練掌握，需要一個過程，在這個過程中會出現(xiàn)新技術(shù)所帶來新的故障模式，這類故障大多出現(xiàn)在產(chǎn)品的使用初期，形成早期故障。

機床產(chǎn)品功能得以實現(xiàn)是由設(shè)計階段、加工階段、裝配階段、采購階段和使用階段共同作用的結(jié)果，其早期故障的形成亦與這些過程中存在的缺陷有關(guān)。表2是早期故障形成的階段和原因，可以看出早期故障主要反映的是新產(chǎn)品設(shè)計不合理、制造加工缺陷和裝配質(zhì)量薄弱等問題，統(tǒng)計這些故障信息，加以分類，再針對性地分析改進(jìn)，有利于提出相應(yīng)的消除措施，通過可靠性試驗來驗證其有效性，從而提高產(chǎn)品的可靠性。圖3是各階段在早期故障的成因的比重圖。

表2 早期故障形成的階段和原因

5.2 早期故障消除方法

實踐表明，機床產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程決定了機床的固有可靠性，在不同的階段，機床早期故障的成因也不同，相應(yīng)的故障消除機理也將不同。表3為各階段早期故障消除方法。

表3 各階段早期故障消除方法

機床產(chǎn)品的早期故障的消除機理可以認(rèn)為是以可靠性設(shè)計與分析技術(shù)、加工和裝配過程一致性控制技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以可靠性試驗技術(shù)為激發(fā)手段，以可靠性管理技術(shù)為保障，通過提出和實施改進(jìn)措施以達(dá)到消除設(shè)計和制造過程中存在的缺陷為目的的消除故障的過程。

6 案例分析

數(shù)控機床的早期故障消除可以先從其功能部件入手，然后再過渡到整機的早期故障消除。砂輪架子系統(tǒng)作為數(shù)控磨床關(guān)鍵功能部件，其工作性能好壞直接影響所加工零件質(zhì)量高低，因此以MKS1632型號的數(shù)控外圓磨床的砂輪架子系統(tǒng)為研究案例，來闡述早期故障消除技術(shù)的實施應(yīng)用流程。

6.1 數(shù)控磨床砂輪架子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分析

砂輪架子系統(tǒng)的主要功能包括：驅(qū)動砂輪以可接受的精度完成規(guī)定的運動軌跡。該系統(tǒng)由動力組件（01）、主軸組件（02）、進(jìn)給組件（03）、砂輪組件（04）組成。依照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 1391－2006，結(jié)合產(chǎn)品的實際特性，進(jìn)行砂輪架系統(tǒng)的層次劃分。初始約定層次為MKS16系列數(shù)控磨床，約定層次和對應(yīng)的最低約定層次為由動力組件01（主軸驅(qū)動電動機、皮帶輪、皮帶罩殼、傳動皮帶）、主軸組件02（主軸、軸承組件、過濾元件、供油裝置）、進(jìn)給組件03（絲杠螺母副、支撐組件、伺服電動機）、砂輪組件04（砂輪、砂輪修整器、砂輪防護(hù)罩、平衡塊）組成。

分析砂輪架子系統(tǒng)的組成，各組成部件對應(yīng)的功能，建立其結(jié)構(gòu)層次與功能層次對應(yīng)關(guān)系。

6.2 砂輪架子系統(tǒng)的可靠性分析

（1）產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)分析

收集到的可靠性相關(guān)信息，建立產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)庫。對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，統(tǒng)計出產(chǎn)品發(fā)生故障時累積工作時間、各種故障模式的發(fā)生頻次和故障發(fā)生部位的頻次。接著針對確定的研究對象，即砂輪架子系統(tǒng)，分析其相對應(yīng)的故障率概率密度分布，計算該分布函數(shù)的相關(guān)參數(shù)，逐步建立和完善基礎(chǔ)零部件故障率等基本可靠性數(shù)據(jù)，為可靠性預(yù)計和可靠性分配提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，同時也為可靠性試驗的參數(shù)設(shè)定提供了參考依據(jù)。

（2）故障率浴盆曲線分析

對可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化分析，計算出砂輪架子系統(tǒng)的早期故障期持續(xù)時間，以作為可靠性試驗參數(shù)設(shè)置的依據(jù)，從而設(shè)計可靠性試驗來激發(fā)主機或功能部件的潛在故障。

（3）早期故障分析

通過對相似產(chǎn)品、可靠性試驗信息、用戶使用信息的統(tǒng)計分析以及專家工程經(jīng)驗方面的分析，利用FMECA和FTA等可靠性分析工具，來確定砂輪架子系統(tǒng)的早期故障模式，并找出對應(yīng)的故障原因。對砂輪架子系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析可以得出，對應(yīng)砂輪架子系統(tǒng)常見的故障模式有：傳動皮帶松動損壞、電機震動異響、主軸不轉(zhuǎn)、漏油、軸承損壞、主軸振動異響、砂輪轉(zhuǎn)速異常等。而其中電機故障、主軸不轉(zhuǎn)和主軸振動異響尤為嚴(yán)重，因此對這三種故障模式進(jìn)行FTA故障樹分析。進(jìn)而找到主要故障模式的故障原因，以便有針對性地提出改進(jìn)建議。

①主軸部分為故障常發(fā)生部位，主要原因有潤滑油不干凈，長期未更換。在使用過程中應(yīng)該定期維護(hù)、清洗油路、更換主軸油。

②電機安裝過程應(yīng)當(dāng)注意螺釘?shù)臄Q緊力，裝配完要進(jìn)行試運行，排除造成電機震動的原因。

③傳動皮帶作為外購件，需要對供應(yīng)商進(jìn)行考核評估，確保皮帶精度及制造一致性。在入場檢驗時需對皮帶松緊度進(jìn)行試驗考評。需要更換皮帶時最好一次性全部更換。

6.3 砂輪架子系統(tǒng)的可靠性試驗方案設(shè)計和實施

進(jìn)行可靠性強化試驗的目的在于采用加速應(yīng)力高效地激發(fā)潛在故障，通過消除故障來提高產(chǎn)品的可靠性。按照圖4的流程來進(jìn)行可靠性試驗，對于每一個環(huán)節(jié)再詳細(xì)地展開，同時實時監(jiān)測記錄試驗數(shù)據(jù)。結(jié)合可靠性強化試驗收集的數(shù)據(jù)及環(huán)境應(yīng)力篩選試驗與早期故障現(xiàn)場跟蹤試驗所得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計分析，以綜合給出應(yīng)對措施。

6.4 砂輪架子系統(tǒng)的改進(jìn)措施

根據(jù)前面進(jìn)行的砂輪架子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、FMECA分析、FTA分析及可靠性試驗分析結(jié)果，給出砂輪架子系統(tǒng)的關(guān)鍵故障的消除建議，并切實地加以改進(jìn)，直至將其排除。改進(jìn)后也可以再借助可靠性試驗來測試和對比改進(jìn)前后的效果。

根據(jù)前面步驟的工作，給出相應(yīng)的措施，如表4砂輪架子系統(tǒng)的早期故障消除建議表。依據(jù)早期故障消除管理體系，各職責(zé)部門根據(jù)該表對相應(yīng)的部件的故障進(jìn)行排除，最終達(dá)到產(chǎn)品出廠前早期故障已消除的目的，從而盡可能地將生產(chǎn)廠家和用戶的損失降低到最小程度。

7 結(jié)語

針對國產(chǎn)數(shù)控機床早期故障率高這一問題，本文對早期故障消除體系和技術(shù)進(jìn)行了介紹，在論述早期故障概念的基礎(chǔ)上，建立了故障率浴盆曲線的數(shù)學(xué)模型，量化確定機床的早期故障期。通過識別早期故障期拐點和分析早期故障產(chǎn)生的原因，借助早期故障消除的技術(shù)體系，從故障收集、故障分析、可靠性試驗、故障消除階段4個方面論述了早期故障消除的方法。最后，給出一個具體的案例。

表4 砂輪架子系統(tǒng)早期故障消除建議表

[1]廖小波.機床故障率浴盆曲線定量化建模及應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[2]許智.加工中心及其功能部件可靠性技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

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