高速沖床可靠性加速試驗研究*

陳　蘭　張新洲　楊　進

(①江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013；②江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；③江蘇森威集團有限責任公司，江蘇 大豐 224100)

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高速沖床可靠性加速試驗研究*

陳蘭①張新洲②楊進③

(①江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013；②江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；③江蘇森威集團有限責任公司，江蘇 大豐 224100)

通過分析高速沖床的維修數據，找出影響其可靠性的主要故障模式，發現高速沖床的主要故障模式是油、氣部件損壞、零部件損壞和油、氣滲漏。通過故障可測性和失效機理加速性分析，選定沖壓載荷和沖壓速度作為可靠性加速試驗的加速應力，并確定了高速沖床可靠性加速試驗的試驗內容和監控項目，以此為基礎設計高速沖床的可靠性加速試驗方案，最終為高速沖床的可靠性增長奠定基礎。

高速沖床；故障模式；可靠性加速試驗

高速沖床是一種高效、高精度及自動化程度高的沖壓設備。一般用在生產產品數量比較大、產品精度要求比較高的沖壓件，在航空航天、汽車制造、交通運輸、冶金化工等重要工業部門得到廣泛應用。尤其是近年來，以汽車為龍頭的制造業的飛速發展，使得高速沖壓機床成套設備的需求量大大增加。然而，縱觀國內市場，高端的高速沖床設備市場主要由國外廠家占據，國內生產廠家的生產數量已達到較大規模，但在性能及可靠性方面仍須提高。

可靠性加速試驗技術被廣泛應用來激發產品潛在缺陷，以較少的試驗時間獲取更多的可靠性信息[1]。通過對故障或失效的分析，最終達到可靠性增長的目的。可靠性加速試驗技術在國外已獲得了廣泛的使用，然而在國內，由于試驗方法和設備的限制，應用較少[2]。Nelson[3]描述了加速退化試驗數據的模型與分析方法，給出了一種估計產品失效時間分布的方法。Oliveira[4]對比分析了幾種基于退化試驗數據的失效分布估計方法，包括解析方法、數值方法和近似方法。Chinnam[5]采用多項式回歸模型研究了基于退化數據的個體產品在線可靠性評估問題。張英芝[6]研究了數控沖床的故障概率分布模型，為進行故障分析、預測及實現可靠性增長提供了理論依據。張根保[7]研究了加工中心數控轉臺可靠性強化試驗方法。

可靠性加速試驗技術在高速沖床上應用及研究很少。本文將對高速沖床可靠性加速試驗技術進行研究，通過加速試驗技術，最終達到可靠性增長的目的。

1　高速沖床故障分析

1.1故障部位分析

高速沖床是一個復雜的高度自動化系統，由眾多零部件和元器件構成，為了能夠科學地準確地對高速沖床的故障進行分析，查找薄弱環節，提出可靠性增長措施，將其劃分為多個子系統[8-9]。每個子系統都能獨立完成一定的功能，各個子系統相互配合以實現高速沖床的整機功能。

根據高速沖床的特點，將其劃分為9個子系統，如圖1所示。

因條件限制及其他原因，未取得針對某幾臺機床的長時間連續記錄的運行狀態及故障情況，在此以某公司的維修記錄近似分析高速沖床的故障模式。根據某公司的維修記錄統計分析，高速沖床的故障部位分布如表1所示。從表1可以看出，高速沖床故障多發部位主要是冷卻潤滑系統(30%)、氣動系統(26%)、主傳動系統(15%)和平衡導向系統(13%)。這4個系統發生的故障占高速沖床的84%。而電氣系統、送料系統及其他系統的故障較少。

表1高速沖床故障部位頻次表

代碼故障部位頻次頻率L冷卻潤滑系統240.30P氣動系統210.26T主傳動系統120.15B平衡導向系統110.13R其他60.08E電氣系統50.07F送料系統10.01

1.2故障模式分析

根據高速沖床的特點，其故障類型可分為以下幾種：損壞型、松動型、滲漏型、失調型、功能型、狀態型、工藝型及其他型等。再具體劃分為44種故障模式，由于篇幅的原因，在此從略。

根據維修記錄統計分析，得到高速沖床的故障模式分布如表2所示。

表2高速沖床故障模式頻次表

代碼故障模式頻次頻率0103油、氣部件損壞260.330101零部件損壞150.190301油、氣滲漏150.190102電氣件損壞60.080302油、氣堵塞不暢60.080801其他50.060602機床噪音大或異響20.020609潤滑不良20.020402壓力調整不當10.010404電氣開關位置設置不當10.010701平衡調整不當10.01

從表2中可以看出，高速沖床最頻繁的故障模式是油、氣部件損壞(33%)。頻率較高的故障模式還有零部件損壞(19%)，油、氣滲漏(19%)，電氣件損壞(8%)，油、氣堵塞不暢(8%)，其他(6%)等。機床噪聲大或異響、潤滑不良、壓力調整不當、電氣開關位置設置不當、平衡調整不當等故障模式出現的頻次較少。

1.3故障原因分析

高速沖床常見故障及其原因分析如下：

(1)油、氣部件損壞：主要由油管、氣管、接頭、閥門等破裂的故障組成，是高速沖壓機床頻次最高的故障模式。主要原因：高速沖床長時間連續工作，工況較差；因為價格及成本的原因，采購的零部件質量不高，可靠性較差。

(2)零部件損壞：高速沖床在工作過程中，滑塊一直處于高速往復運動狀態，因此機床一直處于振動狀態。在長期連續工作過程中，零部件在振動應力的作用下，出現故障的概率較高。

(3)油、氣滲漏：也是高速沖床出現頻率較高的故障模式。其滲漏的原因是各種密封件的磨損。

(4)其余的故障模式出現頻次較低，從已有的數據中未發現其規律性。

以上失效模式影響分析假設了高速沖床的主要故障原因，還需通過可靠性試驗找出其真正的失效機理，為后續的設計奠定基礎，最終從根本上進行故障的消除。

1.4故障可測性分析

針對高速沖床出現的各種故障，進行可測性分析，如表3所示。

表3故障可測性分析

故障模式故障現象可測性分析油、氣部件損壞油氣管破裂油、氣泵壞油氣閥門壞無法直接檢測,可通過油、氣的壓力、流量等參數間接監控零部件損壞緊固件壞難以檢測保險墊壞通過沖壓載荷檢測傳動帶斷裂通過傳遞扭矩檢測油、氣滲漏密封圈壞通過壓力間接檢測電氣件損壞變壓器壞通過檢測系統電壓、電流等參數間接檢測控制開關壞難以檢測油、氣堵塞不暢油路堵塞通過清潔度檢測機床噪音大或異響噪聲大通過噪聲檢測潤滑不良潤滑不良通過潤滑油壓力檢測

根據對故障的可測性分析得知，高速沖床的許多故障可以直接檢測或通過其他參數間接檢測其變化情況。但仍有很多故障無法通過某種參數的檢測得出，只能盡可能地檢測與之相關的參數，通過數據的分析來預測或分析此類故障的發生情況。為了深入地分析高速沖床的失效機理及性能退化機理，需根據以上可測性分析及其他相關理論，設計高速沖床的可靠性試驗系統。通過分析試驗數據，揭示其故障形成及性能退化機理。

2　高速沖床可靠性加速試驗方案

2.1失效機理的加速性分析

加速性是指在加速試驗中，受試產品在短時間高應力作用下表現出的特性與產品在長時間低應力作用下表現出的特性是一致的。因此，首先要對高速沖床的失效過程是否存在加速性進行判斷。加速性的存在與否的判斷原則[10]：

(1)失效機理的一致性：在不同的應力水平下產品的失效機理保持不變。通常通過試驗設計保證。

(2)失效過程的規律性：產品壽命與應力之間存在一個確定的函數關系，即加速模型的存在性。

(3)失效分布的同一性：在不同的應力水平下產品的壽命服從同一形式的分布。

以上3個條件是加速試驗設計和分析的必備條件。根據高速沖床下死點精度測量數據分析，隨著沖壓速度的增大，下死點動態重復精度有所降低。因此，高速沖床的下死點精度退化具有加速性，可以通過增大沖壓速度來加速高速沖床下死點性能退化，且這種加速性不會改變其失效機理。同時沖壓速度的增大也將加快其他性能及零部件的退化甚至失效。

因此，通過科學合理的試驗設計，在不改變失效機理的前提下，可以達到高速沖床可靠性加速試驗的目的。

2.2可靠性加速因子

加速因子應該能夠在試驗中激發出產品的故障或加速產品性能的退化，且不能改變產品正常使用時的失效機理。通過高速沖壓機床故障模式的分析，初步選定的加速因子為機床的沖壓載荷和沖壓速度。

增大機床的沖壓載荷和沖壓速度能夠考核由電動機、飛輪、離合器、曲軸、連桿、和滑塊等組成的傳動系統的可靠性。其中，曲軸會因為負載的增加和轉速的提高使摩擦力矩增大，產生大量的熱，使得曲軸發生熱變形，影響傳動精度。

另外，沖壓載荷和沖壓速度的增大使得高速沖壓機床的慣性載荷增大，從而提高機床的振動應力，能夠加速機床的性能退化和激發其故障。隨著沖壓載荷和沖壓速度的增大，常見的應力模型失效機理也會加速表現出來，如機械疲勞、機械磨損和斷裂等。

2.3可靠性加速模型

為了應用高應力狀態下的特征去外推正常應力下的性能特征，需要建立兩者之間的關系，即加速模型，又稱加速方程。

通過與失效機理相關的物理原理推導可得到不同的加速模型，即為物理加速模型。其數學表達形式為已知，只是模型參數待定，需要通過試驗對模型參數進行辨識。

對于加速退化試驗，由于其得到的不是產品失效壽命，需要尋找針對加速性能退化數據的加速方程模型。加速退化數據處理中常用的幾種加速方程模型[11]：

這里x表示產品性能指標值或退化量，K為反應速度或退化速度，A和α為常數，S表示應力水平，E代表退化機理的激活能，k表示Boltzman常數，T為絕對溫度。

以上模型在電子產品、電工產品及機械產品的加速試驗中都有著廣泛的應用。針對高速沖床的特點，重點考慮溫度和振動應力對其性能的影響，本文初步選用Eyring模型作為加速退化數據的處理模型。

2.4可靠性加速試驗內容

可靠性試驗的內容應能夠反映高速沖床的工作狀態下的各種技術指標，分析機床運行過程中各種參數的變化。根據高速沖床的失效機理分析，制定的試驗內容如圖2所示。

通過對以上各種指標的測試，分析高速沖壓機床在運行過程中性能退化情況及失效狀況。

2.5可靠性加速試驗平臺

其數據采集平臺如圖3所示。需要測量的各種信號通過相應的傳感器及信號調理卡，由數據采集卡采集到計算機，然后再進行后續的處理。

為了實時監控試驗中高速沖床的性能和精度的變化情況，根據試驗內容制定的監控項目如表4所示。

表4監控項目

監控項目監控內容監控點數量下死點動態精度滑塊水平前后方向1滑塊水平左右方向1滑塊下死點重復定位精度1沖壓載荷滑塊垂直方向載荷1關鍵部位溫升曲軸溫度3離合器溫度1曲軸轉速曲軸轉速波動1扭矩測量曲軸扭矩1噪聲測量機床噪聲1電參數測量系統電壓1系統電流1潤滑系統潤滑油壓力1潤滑油流量1潤滑油清潔度1氣動系統氣動系統壓力1氣動系統流量1

根據以上確定的各種監控項目，制定詳細的試驗方案，配置試驗平臺及各種傳感器，并設計相應的試驗軟件，進行高速沖床的可靠性試驗。

3　結語

(1)本文對高速沖床進行了故障模式分析，并通過故障模式頻次表，得出了高速沖床故障頻次最高的故障模式是油、氣部件損壞。

(2)對高速沖床進行了故障原因分析，并通過故障可測性和失效機理加速性分析，確定了高速沖床可靠性加速試驗的加速因子為沖壓載荷和沖壓速度。

(3)基于故障分析提出了高速沖床可靠性加速試驗的試驗內容及監控項目，為高速沖床的可靠性試驗和評價奠定基礎。

(4)文中提出的試驗方案，對于其他類似設備的可靠性試驗與分析具有一定的借鑒意義。

[1]鄧愛民，陳循，張春華，等. 加速退化試驗技術綜述[J]. 兵工學報，2007，28(8)：1002-1007.

[2]陳循，張春華. 加速試驗技術的研究、應用與發展[J]. 機械工程學報，2009，45(8)：130-136.

[3]Nelson W B. Analysis of performance-degradation data from accelerated tests[J]. IEEE Transactions on Reliability，1981，30(2)：149-154.

[4]Oliveira V R B，Colosimo E A. Comparison of methods to estimation the time-to-failure distribution in degradation tests[J]. Quality and Reliability Engineering International，2004，20：363-373.

[5]Chinnam R.B. On-line reliability estimation for individual components using statistical degradation signal models[J].Quality and Reliability Engineering International，2002，18：53-73.

[6]張英芝，賈亞洲，張學文，等. 數控沖床的故障概率分布模型[J]. 吉林大學學報：工學版，2004，34(2)：264-267.

[7]張根保，許智，何文輝，等. 加工中心數控轉臺可靠性強化試驗方法研究[J]. 中國機械工程，2011，22(8)：948-951.

[8]唐珂. 數控沖床可靠性關鍵技術研究[D]. 長春：吉林大學，2006.

[9]韓燁. 基于FTA的數控沖床重要度分析[D]. 長春：吉林大學，2008.

[10](日)鹽見弘. 可靠性工程基礎[M]. 北京：科學出版社，1982.

[11](日)鹽見弘. 失效物理基礎[M]. 北京：科學出版社，1982.

(編輯譚弘穎)

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Research on reliability accelerated test for high speed punch

CHEN Lan①, ZHANG Xinzhou②, YANG Jin③

(① Jingjiang College, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, CHN; ②School of Mechanical Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, CHN;③Jiangsu Sunway Group Co., Ltd. , Dafeng 224100, CHN)

The main fault mode, oil/gas parts damage, parts damage and oil/gas leakage, was analyzed. Through analyzing common failures signal measurability and accelerated character of failure mechanism, punch load and punch velocity were chosen as the accelerated stress, and the test and monitoring contents of the reliability accelerated test for high speed punch were given. And it's important for the design of the reliability accelerated test of the high speed punch. This paper lays a solid foundation for reliability growth of the high speed punch.

high speed punch; fault mode; reliability accelerated test

TG385.1

A

陳蘭，女，1985年生，助教，主要從事先進加工工藝及裝備、產品快速成型研究。

2015-11-10)

160418

*江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB460005)；江蘇省博士后科研資助計劃資助項目(1501102C)；江蘇大學高級人才科研啟動基金(14JDG138)