數(shù)控立車故障分析及可靠性增長技術(shù)研究

摘要：我國是世界上最大的數(shù)控機床消費國和進口國。2013年市場保有量上國產(chǎn)機床僅占3成左右，國產(chǎn)機床在可靠性上遠低于進口機床，企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性選擇了價格昂貴的進口機床，造成了國產(chǎn)機床市場份額低的現(xiàn)象。通過對機床可靠性進行分析，可有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量，進而達到提升產(chǎn)品競爭力，因此提高機床的可靠性成為近幾年機床技術(shù)研究的一個熱點。

關(guān)鍵詞：數(shù)控立車；故障分析；可靠性增長技術(shù)；數(shù)控機床；國產(chǎn)機床 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG659 文章編號：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是對設(shè)備的某一故障進行全面的分析，提出改進辦法進而提高設(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)生故障的原因并進行反饋，以便采取有針對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)定故障的各分項目故障模式、外部事件或它們的組合，以便進行分析。

2 數(shù)控立車故障分析

應(yīng)用FMEA技術(shù)針對整機各故障部位、故障模式和故障原因進行分析，進而從整體上掌握重型數(shù)控車床的故障發(fā)生情況，是對數(shù)控車床進行故障分析的基礎(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；松動型包括緊固件或應(yīng)連接牢固的部件發(fā)生松動或脫落引發(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準值、壓力或行程不當以及電機過載等運動軌跡或速度不正確導(dǎo)致的故障；功能型指按標準操作程序后仍實現(xiàn)功能的故障。

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

2.1 故障統(tǒng)計分析

通過對某型號數(shù)控立車故障采集數(shù)據(jù)進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）、伺服電機控制系統(tǒng)（頻率0.0847）和主傳動系統(tǒng)（頻率0.0933）；故障原因主要分布在外購?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；在對故障原因的分析中可以得出外購?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)上通過對零部件某一故障模式的概率、頻率以及發(fā)生故障的嚴重程度進行分析，得出零部件發(fā)生故障對整機的危害程度。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、幾乎不會發(fā)生損傷、不會發(fā)生損傷；為零部件k的基本故障率。

平均故障率為：

式中：為在標準時間內(nèi)零部件k發(fā)生故障總次數(shù)；為零部件k在標準時間實際工作時間。

通過上式計算得到數(shù)控車床各個故障部位的危害度。當?shù)奈：Χ仁?.000313時，數(shù)控刀架的危害度為0.000531；當?shù)奈：Χ仁?.000935時，主傳動系統(tǒng)的危害度為0.000503；當?shù)奈：Χ仁?.000648時，液壓系統(tǒng)的危害度為0.000394；當?shù)奈：Χ仁?.000185時，伺服控制單元的危害度為0.000168；當?shù)奈：Χ仁?.000165時，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)依次是主傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、伺服控制單元、橫梁。因此在進行可靠性改進設(shè)計時應(yīng)該以此為重點來進行改進設(shè)計。

3 數(shù)控立車可靠性增長技術(shù)

通過文中第二部分分析可以得出外購?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?fù)鈪f(xié)可靠性增長技術(shù)、裝配可靠性增長技術(shù)和制造可靠性增長

技術(shù)。

外購?fù)鈪f(xié)可靠性增長技術(shù)：數(shù)控裝備每個零部件的可靠性都直接關(guān)系著整機的可靠性。因此應(yīng)在符合設(shè)計參數(shù)和性能要求的基礎(chǔ)上對外購部件進行可靠度R（t）分析，以提升外購部件的使用壽命。

數(shù)控機床機構(gòu)復(fù)雜零部件眾多，外購?fù)鈪f(xié)件涵蓋機械電氣等多個領(lǐng)域，要對外購?fù)鈪f(xié)件的技術(shù)參數(shù)進行逐一檢查需要大量的設(shè)備、人力和時間，因此一套完善的外購?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?fù)鈪f(xié)件質(zhì)量問題引發(fā)的故障率。

裝配增長可靠性技術(shù)：該技術(shù)以保證設(shè)備對裝配的要求為目標，包括其精度、運行噪音和振動等方面。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。因此為達到裝配要求，需要對零部件進行嚴格檢測，防止不合格品的裝機，在某情況下甚至需要對零部件進行分選以保證機床的最佳性能；選取適當?shù)难b配工藝，嚴禁非標準的裝配操作，以避免在裝配時因裝配方式不正確對零部件造成的損傷。

制造可靠性增長技術(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)對研傷和零部件精度進行嚴格的管控，同時應(yīng)改進工藝方法以降低由于制造導(dǎo)致故障的頻率。

針對制造過程中研傷導(dǎo)致整機故障的改進措施

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，確認剩余潤滑劑的量并對潤滑劑采樣，做好相關(guān)記錄；然后清洗軸承在粗洗軸承時可用刷子清除軸承上面的附著物但不可以轉(zhuǎn)動軸承，粗洗后可進行精細軸承，完成清洗后對軸承進行檢測。最后根據(jù)檢測結(jié)果決定是否更換軸承。

（2）導(dǎo)軌研傷。針對導(dǎo)軌的研傷一般采用如下方法進行修復(fù)：首先可以對導(dǎo)軌進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，更換滑動軸承的方法；焊補研傷，更換滑動軸承的方法。若采用焊補時，應(yīng)考慮主軸受高溫對其幾何精度、機械強度及表面硬度的影響。為使修補后的設(shè)備在長時間內(nèi)保持其原始性能，需要對軸及軸承進行定期的檢查，以防止因軸頸研傷導(dǎo)致故障的發(fā)生。

4 結(jié)語

通過對某型數(shù)控機床的故障分析，得到了該型機床的薄弱環(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)可以對機床的故障進行預(yù)防分析，進而降低研發(fā)風(fēng)險。

參考文獻

[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：國防工業(yè)出版社，2006.

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

（責(zé)任編輯：秦遜玉）