高速沖床可靠性加速試驗(yàn)研究*

陳　蘭　張新洲　楊　進(jìn)

(①江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；②江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；③江蘇森威集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 大豐 224100)

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高速沖床可靠性加速試驗(yàn)研究*

陳蘭①張新洲②楊進(jìn)③

(①江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；②江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；③江蘇森威集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 大豐 224100)

通過分析高速沖床的維修數(shù)據(jù)，找出影響其可靠性的主要故障模式，發(fā)現(xiàn)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(jī)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(yàn)的加速應(yīng)力，并確定了高速沖床可靠性加速試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容和監(jiān)控項(xiàng)目，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)高速沖床的可靠性加速試驗(yàn)方案，最終為高速沖床的可靠性增長奠定基礎(chǔ)。

高速沖床；故障模式；可靠性加速試驗(yàn)

高速沖床是一種高效、高精度及自動化程度高的沖壓設(shè)備。一般用在生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量比較大、產(chǎn)品精度要求比較高的沖壓件，在航空航天、汽車制造、交通運(yùn)輸、冶金化工等重要工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來，以汽車為龍頭的制造業(yè)的飛速發(fā)展，使得高速沖壓機(jī)床成套設(shè)備的需求量大大增加。然而，縱觀國內(nèi)市場，高端的高速沖床設(shè)備市場主要由國外廠家占據(jù)，國內(nèi)生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)數(shù)量已達(dá)到較大規(guī)模，但在性能及可靠性方面仍須提高。

可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用來激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，以較少的試驗(yàn)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(dá)到可靠性增長的目的?？煽啃约铀僭囼?yàn)技術(shù)在國外已獲得了廣泛的使用，然而在國內(nèi)，由于試驗(yàn)方法和設(shè)備的限制，應(yīng)用較少[2]。Nelson[3]描述了加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型與分析方法，給出了一種估計(jì)產(chǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)的失效分布估計(jì)方法，包括解析方法、數(shù)值方法和近似方法。Chinnam[5]采用多項(xiàng)式回歸模型研究了基于退化數(shù)據(jù)的個體產(chǎn)品在線可靠性評估問題。張英芝[6]研究了數(shù)控沖床的故障概率分布模型，為進(jìn)行故障分析、預(yù)測及實(shí)現(xiàn)可靠性增長提供了理論依據(jù)。張根保[7]研究了加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法。

可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)在高速沖床上應(yīng)用及研究很少。本文將對高速沖床可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究，通過加速試驗(yàn)技術(shù)，最終達(dá)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(fù)雜的高度自動化系統(tǒng)，由眾多零部件和元器件構(gòu)成，為了能夠科學(xué)地準(zhǔn)確地對高速沖床的故障進(jìn)行分析，查找薄弱環(huán)節(jié)，提出可靠性增長措施，將其劃分為多個子系統(tǒng)[8-9]。每個子系統(tǒng)都能獨(dú)立完成一定的功能，各個子系統(tǒng)相互配合以實(shí)現(xiàn)高速沖床的整機(jī)功能。

根據(jù)高速沖床的特點(diǎn)，將其劃分為9個子系統(tǒng)，如圖1所示。

因條件限制及其他原因，未取得針對某幾臺機(jī)床的長時間連續(xù)記錄的運(yùn)行狀態(tài)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(jù)某公司的維修記錄統(tǒng)計(jì)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(fā)部位主要是冷卻潤滑系統(tǒng)(30%)、氣動系統(tǒng)(26%)、主傳動系統(tǒng)(15%)和平衡導(dǎo)向系統(tǒng)(13%)。這4個系統(tǒng)發(fā)生的故障占高速沖床的84%。而電氣系統(tǒng)、送料系統(tǒng)及其他系統(tǒng)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(tǒng)240.30P氣動系統(tǒng)210.26T主傳動系統(tǒng)120.15B平衡導(dǎo)向系統(tǒng)110.13R其他60.08E電氣系統(tǒng)50.07F送料系統(tǒng)10.01

1.2故障模式分析

根據(jù)高速沖床的特點(diǎn)，其故障類型可分為以下幾種：損壞型、松動型、滲漏型、失調(diào)型、功能型、狀態(tài)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(jù)維修記錄統(tǒng)計(jì)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(jī)床噪音大或異響20.020609潤滑不良20.020402壓力調(diào)整不當(dāng)10.010404電氣開關(guān)位置設(shè)置不當(dāng)10.010701平衡調(diào)整不當(dāng)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(jī)床噪聲大或異響、潤滑不良、壓力調(diào)整不當(dāng)、電氣開關(guān)位置設(shè)置不當(dāng)、平衡調(diào)整不當(dāng)?shù)裙收夏Ｊ匠霈F(xiàn)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(jī)床頻次最高的故障模式。主要原因：高速沖床長時間連續(xù)工作，工況較差；因?yàn)閮r格及成本的原因，采購的零部件質(zhì)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(fù)運(yùn)動狀態(tài)，因此機(jī)床一直處于振動狀態(tài)。在長期連續(xù)工作過程中，零部件在振動應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)故障的概率較高。

(3)油、氣滲漏：也是高速沖床出現(xiàn)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(xiàn)頻次較低，從已有的數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)其規(guī)律性。

以上失效模式影響分析假設(shè)了高速沖床的主要故障原因，還需通過可靠性試驗(yàn)找出其真正的失效機(jī)理，為后續(xù)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，最終從根本上進(jìn)行故障的消除。

1.4故障可測性分析

針對高速沖床出現(xiàn)的各種故障，進(jìn)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(xiàn)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(shù)間接監(jiān)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(tǒng)電壓、電流等參數(shù)間接檢測控制開關(guān)壞難以檢測油、氣堵塞不暢油路堵塞通過清潔度檢測機(jī)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(jù)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(shù)間接檢測其變化情況。但仍有很多故障無法通過某種參數(shù)的檢測得出，只能盡可能地檢測與之相關(guān)的參數(shù)，通過數(shù)據(jù)的分析來預(yù)測或分析此類故障的發(fā)生情況。為了深入地分析高速沖床的失效機(jī)理及性能退化機(jī)理，需根據(jù)以上可測性分析及其他相關(guān)理論，設(shè)計(jì)高速沖床的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示其故障形成及性能退化機(jī)理。

2　高速沖床可靠性加速試驗(yàn)方案

2.1失效機(jī)理的加速性分析

加速性是指在加速試驗(yàn)中，受試產(chǎn)品在短時間高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長時間低應(yīng)力作用下表現(xiàn)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(jìn)行判斷。加速性的存在與否的判斷原則[10]：

(1)失效機(jī)理的一致性：在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機(jī)理保持不變。通常通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)保證。

(2)失效過程的規(guī)律性：產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間存在一個確定的函數(shù)關(guān)系，即加速模型的存在性。

(3)失效分布的同一性：在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一形式的分布。

以上3個條件是加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析的必備條件。根據(jù)高速沖床下死點(diǎn)精度測量數(shù)據(jù)分析，隨著沖壓速度的增大，下死點(diǎn)動態(tài)重復(fù)精度有所降低。因此，高速沖床的下死點(diǎn)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(diǎn)性能退化，且這種加速性不會改變其失效機(jī)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(xué)合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在不改變失效機(jī)理的前提下，可以達(dá)到高速沖床可靠性加速試驗(yàn)的目的。

2.2可靠性加速因子

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

增大機(jī)床的沖壓載荷和沖壓速度能夠考核由電動機(jī)、飛輪、離合器、曲軸、連桿、和滑塊等組成的傳動系統(tǒng)的可靠性。其中，曲軸會因?yàn)樨?fù)載的增加和轉(zhuǎn)速的提高使摩擦力矩增大，產(chǎn)生大量的熱，使得曲軸發(fā)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(jī)床的慣性載荷增大，從而提高機(jī)床的振動應(yīng)力，能夠加速機(jī)床的性能退化和激發(fā)其故障。隨著沖壓載荷和沖壓速度的增大，常見的應(yīng)力模型失效機(jī)理也會加速表現(xiàn)出來，如機(jī)械疲勞、機(jī)械磨損和斷裂等。

2.3可靠性加速模型

為了應(yīng)用高應(yīng)力狀態(tài)下的特征去外推正常應(yīng)力下的性能特征，需要建立兩者之間的關(guān)系，即加速模型，又稱加速方程。

通過與失效機(jī)理相關(guān)的物理原理推導(dǎo)可得到不同的加速模型，即為物理加速模型。其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為已知，只是模型參數(shù)待定，需要通過試驗(yàn)對模型參數(shù)進(jìn)行辨識。

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

這里x表示產(chǎn)品性能指標(biāo)值或退化量，K為反應(yīng)速度或退化速度，A和α為常數(shù)，S表示應(yīng)力水平，E代表退化機(jī)理的激活能，k表示Boltzman常數(shù)，T為絕對溫度。

以上模型在電子產(chǎn)品、電工產(chǎn)品及機(jī)械產(chǎn)品的加速試驗(yàn)中都有著廣泛的應(yīng)用。針對高速沖床的特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮溫度和振動應(yīng)力對其性能的影響，本文初步選用Eyring模型作為加速退化數(shù)據(jù)的處理模型。

2.4可靠性加速試驗(yàn)內(nèi)容

可靠性試驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)能夠反映高速沖床的工作狀態(tài)下的各種技術(shù)指標(biāo)，分析機(jī)床運(yùn)行過程中各種參數(shù)的變化。根據(jù)高速沖床的失效機(jī)理分析，制定的試驗(yàn)內(nèi)容如圖2所示。

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

2.5可靠性加速試驗(yàn)平臺

其數(shù)據(jù)采集平臺如圖3所示。需要測量的各種信號通過相應(yīng)的傳感器及信號調(diào)理卡，由數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，然后再進(jìn)行后續(xù)的處理。

為了實(shí)時監(jiān)控試驗(yàn)中高速沖床的性能和精度的變化情況，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容制定的監(jiān)控項(xiàng)目如表4所示。

表4監(jiān)控項(xiàng)目

監(jiān)控項(xiàng)目監(jiān)控內(nèi)容監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量下死點(diǎn)動態(tài)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(diǎn)重復(fù)定位精度1沖壓載荷滑塊垂直方向載荷1關(guān)鍵部位溫升曲軸溫度3離合器溫度1曲軸轉(zhuǎn)速曲軸轉(zhuǎn)速波動1扭矩測量曲軸扭矩1噪聲測量機(jī)床噪聲1電參數(shù)測量系統(tǒng)電壓1系統(tǒng)電流1潤滑系統(tǒng)潤滑油壓力1潤滑油流量1潤滑油清潔度1氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng)壓力1氣動系統(tǒng)流量1

根據(jù)以上確定的各種監(jiān)控項(xiàng)目，制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案，配置試驗(yàn)平臺及各種傳感器，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)軟件，進(jìn)行高速沖床的可靠性試驗(yàn)。

3　結(jié)語

(1)本文對高速沖床進(jìn)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(jìn)行了故障原因分析，并通過故障可測性和失效機(jī)理加速性分析，確定了高速沖床可靠性加速試驗(yàn)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(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容及監(jiān)控項(xiàng)目，為高速沖床的可靠性試驗(yàn)和評價奠定基礎(chǔ)。

(4)文中提出的試驗(yàn)方案，對于其他類似設(shè)備的可靠性試驗(yàn)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(yàn)技術(shù)綜述[J]. 兵工學(xué)報，2007，28(8)：1002-1007.

[2]陳循，張春華. 加速試驗(yàn)技術(shù)的研究、應(yīng)用與發(fā)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2009，45(8)：130-136.

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[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(xué)文，等. 數(shù)控沖床的故障概率分布模型[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2004，34(2)：264-267.

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[8]唐珂. 數(shù)控沖床可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2006.

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

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

[11](日)鹽見弘. 失效物理基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)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(jìn)加工工藝及裝備、產(chǎn)品快速成型研究。

2015-11-10)

160418

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