基于ISM與FMECA的加工中心故障分析*

孫曙光，申桂香，張英芝?，王曉燕，戚曉燕，4，吳茂坤

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022； 2．山東師范大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；3.沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136； 4.空軍航空大學(xué) 飛行器與動(dòng)力系，吉林 長(zhǎng)春 130022)

基于ISM與FMECA的加工中心故障分析*

孫曙光1,2，申桂香1，張英芝1?，王曉燕3，戚曉燕1，4，吳茂坤1

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022； 2．山東師范大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；3.沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136； 4.空軍航空大學(xué) 飛行器與動(dòng)力系，吉林 長(zhǎng)春 130022)

故障分析是實(shí)現(xiàn)加工中心可靠性水平增長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)，因此提高故障分析的準(zhǔn)確性至關(guān)重要.鑒于此，本文首先充分考慮加工中心故障子系統(tǒng)間影響關(guān)系，基于ISM法構(gòu)建遞階結(jié)構(gòu)模型，使得關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)間復(fù)雜影響關(guān)系層次化，以求得深層故障子系統(tǒng)，確定可靠性改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié).其次對(duì)所得薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行FMECA分析，進(jìn)而確定關(guān)鍵故障模式，為提高加工中心可靠性奠定基礎(chǔ).最后以某系列加工中心現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)例研究，證明了ISM和FMECA法在加工中心故障分析中的準(zhǔn)確有效性.

加工中心；ISM；FMECA；故障分析

加工中心作為復(fù)雜機(jī)電一體化產(chǎn)品，其功能先進(jìn)性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致內(nèi)部故障存在關(guān)聯(lián)性，一個(gè)單元或子系統(tǒng)發(fā)生故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分出現(xiàn)故障，引起多米諾效應(yīng)，嚴(yán)重影響其可靠性[1].因此，進(jìn)行故障關(guān)聯(lián)分析并找出故障傳播對(duì)系統(tǒng)影響的有效方法以阻止該情況發(fā)生很有必要.

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)故障關(guān)聯(lián)的研究主要集中于單向關(guān)聯(lián)故障的研究.有基于可靠性模型的串聯(lián)相關(guān)故障分析和共因失效分析等[2-5].對(duì)于雙向故障關(guān)聯(lián)性的研究還較少涉足，在文獻(xiàn)[1]中，采用自相關(guān)矩陣考慮各因素間直接關(guān)系的同時(shí)卻忽視了多層次故障傳遞鏈條中因素間的間接關(guān)聯(lián)關(guān)系.而作為復(fù)雜系統(tǒng)分析方法的重要方法——解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)卻能考慮系統(tǒng)各故障子系統(tǒng)間直接間接關(guān)系，有效進(jìn)行系統(tǒng)故障分析.該法于1973年由美國(guó)Warfield教授提出，可將復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)要素，實(shí)現(xiàn)多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建[6].它借助圖形表示出系統(tǒng)要素間所有直接、間接關(guān)系，并據(jù)此分析找出影響整個(gè)系統(tǒng)可靠性的根本因素，進(jìn)而對(duì)這些根本因素進(jìn)行重點(diǎn)改善，這也就為系統(tǒng)進(jìn)行ISM模型分析提供了理論依據(jù)[7-9].實(shí)踐證明，該方法既適用于分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，又適用于學(xué)習(xí)理解相互關(guān)系較復(fù)雜的各種問題[10].但就當(dāng)前看，尚未有學(xué)者將其應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床故障分析中，因此本文基于加工中心故障關(guān)聯(lián)復(fù)雜性，立足宏觀，將其引入該領(lǐng)域，借助ISM法將眾多要素相互影響的邏輯關(guān)系用多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀表示，明確關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)層級(jí)，找出深層子系統(tǒng)，確定可靠性改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié).并對(duì)其進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis， FMECA)，進(jìn)而確定其關(guān)鍵故障模式.

1 ISM與FMECA的原理與方法

1.1 解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)

ISM基本原理是采用各種創(chuàng)造性技術(shù)，提取系統(tǒng)構(gòu)成要素，利用有向圖、矩陣等工具，構(gòu)造出一個(gè)多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型，從而將要素間的依賴關(guān)系與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)關(guān)系條理化、層次化[11].本文將其應(yīng)用于加工中心故障關(guān)聯(lián)分析中，實(shí)施基本步驟為：

2)依據(jù)故障關(guān)聯(lián)有向圖得到鄰接矩陣A.

式中：aij表示子系統(tǒng)i引起子系統(tǒng)j發(fā)生故障.

4)區(qū)域分解和級(jí)位劃分.借助對(duì)可達(dá)集R(Si)和先行集A(Si)的計(jì)算，對(duì)可達(dá)矩陣M進(jìn)行區(qū)域分解和級(jí)位劃分.將R(Si)∩A(Si)定義為共同集合，把共同集R(Si)∩A(Si)=A(Si)的要素定義為起始集B，對(duì)于B中的要素Si和Sj，若R(Si)∩A(Si)=Φ，則Si和Sj不屬同一區(qū)域，反之為同一區(qū)域，如此可實(shí)現(xiàn)區(qū)域的劃分.區(qū)域劃分的結(jié)果可記為P(S)=P1,P2,…,Pk,…,Pm；Pk為第k個(gè)相對(duì)獨(dú)立區(qū)域的要素集合.對(duì)于同一區(qū)域P，可依次獲得滿足R(Si)∩A(Si)=R(Si)的要素，找出各等級(jí)集合：

L1={Si/Si∈P-L0,R(Si)∩A(Si)=R(Si),

i=1,2,…,n}；

L2={Si/Si∈P-L1,R(Si)∩A(Si)=R(Si),

i

…

Lk={Si/Si∈P-L1-…-Lk-1,R(Si)∩A(Si)=

R(Si),i

5)構(gòu)建遞階結(jié)構(gòu)模型，獲取深層要素.

對(duì)可達(dá)矩陣M進(jìn)行越級(jí)二元關(guān)系的去除，并去除自身到達(dá)的二元關(guān)系，獲取骨架矩陣,繼而構(gòu)建遞階結(jié)構(gòu)模型.

1.2 故障模式、影響及危害性分析(FMECA)

根據(jù)ISM所得結(jié)果，獲取深層要素，確定可靠性薄弱環(huán)節(jié)，從而對(duì)其進(jìn)行FMECA分析，以獲取關(guān)鍵故障模式.其中FMECA是一種用于可靠性分析的主要方法，該方法有如下步驟[12]．

1)準(zhǔn)備工作.該步驟是在對(duì)系統(tǒng)做FMECA分析之前進(jìn)行的，是收集準(zhǔn)備充分資料的階段，這些資料包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝流程與使用維護(hù)等方面，同時(shí)還包括類似設(shè)備在使用、維護(hù)與安裝過程中的常見故障模式.

2)功能定義.明確設(shè)備能完成的功能與在整個(gè)系統(tǒng)中所處地位.

3)確定故障模式.明確待分析設(shè)備系統(tǒng)中主要零部件潛在故障模式.

4)故障原因和后果分析.分析引發(fā)故障發(fā)生的各可能因素，找到各故障模式所有可能潛在原因，并預(yù)計(jì)故障產(chǎn)生后果.

5)確定檢測(cè)方法.提出或收集以往對(duì)系統(tǒng)和各元器件的故障模式檢測(cè)方法.

6)危險(xiǎn)性評(píng)估.危險(xiǎn)性評(píng)估方法主要有危害度等級(jí)評(píng)定法和危險(xiǎn)順序數(shù)(RPN)排序法等.在此采用RPN(Risk Priority Number)排序法，該方法兼顧了故障模式的嚴(yán)酷程度與發(fā)生概率及其查明難易程度，并給出了適當(dāng)?shù)脑u(píng)定系數(shù)，公式為

RPN=S×O×D．

式中：S表示嚴(yán)酷度，在1～10范圍內(nèi)取值；O表示發(fā)生概率，在1～10范圍內(nèi)取值；D表示查明難度，在1～10范圍內(nèi)取值.可通過統(tǒng)計(jì)方法或經(jīng)驗(yàn)來確定S，O，D的評(píng)定原則[13].另采用各部件故障模式的平均值簡(jiǎn)化計(jì)算部件對(duì)應(yīng)的故障風(fēng)險(xiǎn)值，用RPN′表示.

2 實(shí)例分析

2.1 基于ISM的關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)模型構(gòu)建

通過對(duì)某系列加工中心故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)故障統(tǒng)計(jì)表,如表1所示.

表1 加工中心關(guān)聯(lián)故障統(tǒng)計(jì)表

得到關(guān)聯(lián)故障有向圖，如圖1所示.

S1-刀庫系統(tǒng)，S2-進(jìn)給系統(tǒng)，S3-主軸系統(tǒng),S4-電氣系統(tǒng)，S5-排屑系統(tǒng)，S6-氣動(dòng)系統(tǒng)，S7-防護(hù)系統(tǒng)，S8-冷卻系統(tǒng), S9-數(shù)控系統(tǒng)，S10-潤(rùn)滑系統(tǒng)，S11-液壓系統(tǒng)

結(jié)合上述有向圖可獲得關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)鄰接矩陣

借助MATLAB軟件計(jì)算求得可達(dá)矩陣

對(duì)上述可達(dá)矩陣進(jìn)行區(qū)域劃分，如表2所示.由該表可知所有要素均屬同一區(qū)域，因此在此基礎(chǔ)上進(jìn)行要素的級(jí)位劃分，如表3所示.

表2 可達(dá)集、先行集、共同集和起始集表

表3 級(jí)位劃分過程表

即整個(gè)系統(tǒng)可以分為四級(jí)：

L1={S1,S2,S3,S7,S8}，

L2={S6,S9,S11}，

L3={S5}，

L4={S4,S10}.

構(gòu)建關(guān)聯(lián)故障子系統(tǒng)遞階結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示.

由圖2可知，該模型為一個(gè)四級(jí)遞階層次結(jié)構(gòu)模型.其中刀庫(S1)、進(jìn)給系統(tǒng)(S2)、主軸系統(tǒng)(S3)、防護(hù)系統(tǒng)(S7)、冷卻系統(tǒng)(S8)是表層要素，為易受其他子系統(tǒng)影響的故障子系統(tǒng)，本身不對(duì)其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響.氣動(dòng)系統(tǒng)(S6)、數(shù)控系統(tǒng)(S9)、液壓系統(tǒng)(S11)是淺層要素，這三個(gè)要素對(duì)第一層要素有直接影響，其中氣動(dòng)系統(tǒng)(S6)對(duì)第一層要素產(chǎn)生影響的同時(shí)，受到下一層要素對(duì)其產(chǎn)生的影響，而數(shù)控系統(tǒng)(S9)和液壓系統(tǒng)(S11)僅對(duì)上層要素產(chǎn)生影響，不受其他要素的影響.排屑系統(tǒng)(S5)是中層要素，該要素對(duì)上層要素產(chǎn)生直接或間接的影響，同時(shí)受下層子系統(tǒng)要素的影響.電氣系統(tǒng)(S4)和潤(rùn)滑系統(tǒng)(S10)是深層要素，它們通過不同方式對(duì)其他故障子系統(tǒng)產(chǎn)生直接或間接的影響，自身并不受其他子系統(tǒng)的影響.說明這兩個(gè)故障子系統(tǒng)地位尤其重要，為關(guān)鍵子系統(tǒng)，要對(duì)其加強(qiáng)可靠性改進(jìn).為明確關(guān)鍵子系統(tǒng)具體改進(jìn)方向，需要對(duì)其進(jìn)行FMECA分析，以下以電氣系統(tǒng)為例進(jìn)行關(guān)鍵故障模式和關(guān)鍵設(shè)備的探尋.

圖2 遞階結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 FMECA分析

由對(duì)國(guó)內(nèi)某系列加工中心的故障數(shù)據(jù)收集信息，可得到電氣系統(tǒng)的故障模式、影響和危害度分析表格，如表4所示.主要包括各種開關(guān)、電燈、電源、接觸器、變頻器、電源線、繼電器等的FMECA.

表4 電氣系統(tǒng)FMECA表

由表4可知，該系列加工中心電氣系統(tǒng)中繼電器、變頻器和接觸器的危險(xiǎn)順序數(shù)最大，是需注意的關(guān)鍵設(shè)備，因此應(yīng)該重點(diǎn)檢測(cè)其安全狀態(tài).此外，單就故障模式來說，危險(xiǎn)順序數(shù)較大的故障模式依次為繼電器損壞、變頻器損壞、接觸器損壞、電燈鎮(zhèn)流器損壞、電磁感應(yīng)開關(guān)損壞、制動(dòng)開關(guān)損壞，這六個(gè)故障模式是該系列加工中心的關(guān)鍵故障模式，應(yīng)著重進(jìn)行可靠性改進(jìn).這些故障多為元器件損壞，電氣系統(tǒng)元器件主要是外購(gòu)獲得，因此，加工中心企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)外購(gòu)件采購(gòu)質(zhì)量管理，入廠前元器件進(jìn)行篩選實(shí)驗(yàn)；同時(shí)設(shè)計(jì)部門在選用元器件時(shí)，須從優(yōu)選手冊(cè)目錄中選取，若須采用目錄之外的元器件，需經(jīng)質(zhì)量部門認(rèn)定為可靠補(bǔ)入目錄后才能用于選取.另外，用戶也要在使用中注意對(duì)設(shè)備加強(qiáng)維護(hù)，加強(qiáng)操作培訓(xùn)，以提高設(shè)備使用可靠性.

由以上分析知，相比傳統(tǒng)FMECA方法并未考慮故障之間的相互影響，只對(duì)各故障模式危害性獨(dú)立地進(jìn)行分析，本文所使用的ISM法則充分考慮和反映故障間直接與間接關(guān)系，從系統(tǒng)角度出發(fā)，確定加工中心薄弱環(huán)節(jié)，即關(guān)鍵子系統(tǒng)，得出了符合工程實(shí)際的結(jié)論，從而為系統(tǒng)可靠性分析提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).接著對(duì)所得關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，確定了關(guān)鍵故障模式以及關(guān)鍵設(shè)備，更加明確了可靠性改進(jìn)方向.

3 結(jié) 論

1)采用ISM法分析各子系統(tǒng)間關(guān)系，建立了加工中心故障關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)遞階結(jié)構(gòu)模型，將故障關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)劃分為表層故障子系統(tǒng)、淺層故障子系統(tǒng)、中層故障子系統(tǒng)和深層故障子系統(tǒng)，從而使故障傳遞關(guān)系得以直觀而深刻地表現(xiàn)，為故障快速診斷提供了新方法，并對(duì)可靠性改進(jìn)具有重要意義.

2)對(duì)運(yùn)用ISM法所得深層子系統(tǒng)進(jìn)行了FMECA分析，確定了關(guān)鍵故障模式及關(guān)鍵設(shè)備，明確了可靠性改進(jìn)方向.

3)ISM與FMECA法為明確關(guān)鍵子系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備與關(guān)鍵故障模式提供了簡(jiǎn)單快捷的新思路，完善了現(xiàn)有故障分析方法體系.

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Failure Analysis of Machining Center Based on ISM and FMECA

SUN Shu-guang1，2, SHEN Gui-xiang1,ZHANG Ying-zhi1?,WANG Xiao-yan3, QI Xiao-yan1,4,WU Mao-kun1

(1. College of Mechanical Science and Engineering,Jilin Univ, Changchun,Jilin 130022,China;2．College of Management Science and Engineering, Shandong Normal Univ, Jinan,Shandong 250000,China;3. College of Electronic Engineering, Shenyang Aerospace Univ, Shenyang,Liaoning 110136,China;4.Dept of Aircraft and Driving Force, Aviation Univ of Air Force, Changchun, Jilin 130022,China)

Failure analysis is an important part of realizing the growth of machining center reliability level, so it is important to improve the accuracy of failure analysis. In view of this, this paper first considered the relationship and influence among failure subsystem elements of machining center, constructed the hierarchical structure model based on ISM method, made clear the class of interrelated failure subsystem, found out the deep failure subsystem elements and determined the weak link in the reliability improvement. Secondly, it analyzed the subsystem with FMECA, and determined the critical failure modes of the subsystem and laid a foundation for improving the reliability of machining center. Finally, it did the case study based on the field failure data of a series of machining center. The result has proved that the above method is accurate and effective in the failure analysis of machining center.

machining center; ISM;FMECA;failure analysis

1674-2974(2015)08-0047-06

2014-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275205)，National Natural Science Foundation of China(51275205)

孫曙光(1957-)，女，河南濮陽人，吉林大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail:zyzycx@sohu.com

TG659

A