姚銀歌,張 濤,朱宇騰,王廣輝,俞 蓬
(洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039)
電主軸產品作為機床功能核心部件,相當于機床的心臟,其重要程度不言而喻。因此,對電主軸進行可靠性分析尤為重要。借鑒航天、航空、艦船、汽車、醫(yī)療等領域常用的失效模式及影響分析(FMEA),分析電主軸系統(tǒng)的潛在失效模式及后果,以期提高電主軸可靠性,從而保證電主軸運轉的穩(wěn)定性。
吳明陽等[1]通過仿真與試驗相結合的方法研究系統(tǒng)冷卻能力,提出螺旋優(yōu)于循環(huán)冷卻系統(tǒng);聶萌[2]利用獲取的主軸故障數(shù)據(jù)對數(shù)控機床主軸從可靠性建模、故障分析、可靠性分配及提高可靠性措施進行分析。還有其他諸多關于電主軸可靠性研究的文獻,這些文獻大多從理論設計或者故障分析角度對主軸系統(tǒng)進行可靠性分析,電主軸的設計開發(fā)與質量控制相結合的可靠性分析較少。本文通過在電主軸設計開發(fā)階段,運用D-FMEA、P-FMEA分析方法,將設計開發(fā)與質量控制相結合,對電主軸冷卻系統(tǒng)進行潛在失效模式及后果影響分析,分析出影響冷卻系統(tǒng)可靠性的因素為冷卻結構內表面磨削質量,并采取預防控制措施,為電主軸其他部分功能可靠性的設計提供了參考,對電主軸整體可靠性設計的提高具有重大意義。
FMEA是失效模式及影響分析(Failure Mode and Ef?fects Analysis),其作為可靠性分析的一種方法,自20世紀50年代初,美國格魯門飛機公司初次應用于研制飛機主操作系統(tǒng)并取得良好效果后,廣泛應用于軍用系統(tǒng),逐漸滲透到機械、汽車、醫(yī)療設備等民用工業(yè)領域中。QS9000將其作為設計與過程分析的方法和認證要求;ISO9004將其作為對設計、開發(fā)產品和過程的確認并進行風險評估。FMEA的應用領域更加廣泛[3]。
電主軸主要由冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和轉子系統(tǒng)3大系統(tǒng)組成,這3大系統(tǒng)是高速電主軸不可或缺的系統(tǒng),必須將其作為研發(fā)和生產制造的重點內容考慮。電主軸結構如圖1所示。
圖1 電主軸結構
冷卻系統(tǒng)的作用是通過循環(huán)的冷卻水帶走電主軸工作時電機及軸承產生的熱量,使主軸穩(wěn)態(tài)運行。冷卻系統(tǒng)由后蓋、殼體和水套組合件、前大蓋和前軸承座組合件組成。冷卻系統(tǒng)工作時,溫度在18~22℃的冷卻水先通過后蓋的接咀通入電機冷卻腔(殼體和水套組合件構成),帶走電機產生的熱量后,進入主軸前端的軸承冷卻腔(前大蓋和軸承座構成),再帶走軸承產生的熱量,冷卻水回到水冷機內,如此循環(huán)帶走電主軸本體產生的熱量,保證主軸的正常運行[4]。
潤滑系統(tǒng)一般有油脂、油霧、油氣3種。油脂潤滑是將適合的潤滑脂涂抹至軸承溝道內,該潤滑方式清潔簡單,不需要單獨設計潤滑系統(tǒng)。油霧及油氣潤滑系統(tǒng)宏觀結構基本一致,目的都是將潤滑油輸送至軸承滾道內,軸承工作時起到良好的潤滑作用。常見的油霧潤滑系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 電主軸潤滑系統(tǒng)
主軸工作時,轉軸、轉子及轉軸上所有的旋轉件構成轉子系統(tǒng),轉子系統(tǒng)如圖1所示。
主軸在正常工作時,若冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄漏,冷卻液進入主軸內部,將造成軸承精度喪失,電機絕緣性能下降,嚴重時引發(fā)安全事故。因此,主軸冷卻系統(tǒng)在設計開發(fā)、生產制造及產品應用環(huán)節(jié)至關重要。主軸在生產制造階段,冷卻系統(tǒng)的試漏工序是重要的質量控制點,100%檢測,且不允許讓步接收。故以冷卻系統(tǒng)中電機冷卻部分為例,進行FE?MA分析,驗證有成效后,其他系統(tǒng)設計及工藝可參考實施。
表2 電主軸產品故障原因頻度準則
表3 電主軸產品故障原因探測度準則
對嚴重度(S)、發(fā)生的頻度(O)和檢測度(D)制定準則表,如表1~3所示。根據(jù)經驗,制定接受準則:S<7,RPN<100。
表1 電主軸產品故障失效后果嚴重度準則
分析制定D-FMEA表,如表4所示。對S≥7或RPN≥100的故障模式原因,制定改進措施,在采取行動之后,根據(jù)評價準則,重新確定S、O、D值,并重新計算RPN值,以評估所采取行動的效果,當RPN不符合接受準則時,需要重新改進,直到符合接受準則[5]。從表中可以看出,冷卻水腔的配合面形位公差要求低,存在潛在的導致冷卻系統(tǒng)失效的風險,RPN=120。制定改進措施為提高配合面形位公差(圓度、圓柱度、粗糙度),重新計算RPN=36,該措施可有效解決該問題。提高配合面形位公差應在工藝過程階段的P-FMEA中給予重點關注。
表4 ××型號電主軸電機冷卻系統(tǒng)產品設計潛在故障失效模式及后果分析(DFMEA)
表5 ××型號過程潛在失效模式及后果分析
電機冷卻系統(tǒng)結構過程實現(xiàn)原理:利用“熱脹冷縮”的原理,加熱包容件,將過盈配合的兩個零件(殼體和水套)連接起來,形成可循環(huán)的封閉水腔。熱壓過程不可逆。
對殼體和水套的實現(xiàn)過程進行P-FMEA(準則表不再一一列舉),如表5所示,以提升過程質量。從表中可以看出,內磨工序RPN=120,產生不合格的風險較大,與D-FMEA分析結果相一致。從工藝及設計角度制定改進措施,重新計算RPN值為90和48,理論上改進有效。
按照FMEA表制定改進措施進行實施,并統(tǒng)計生產過程階段同類產品試漏合格率。經統(tǒng)計,試漏合格率由上一年度同期82%提高至96%,提升14%,充分證明基于FMEA的冷卻系統(tǒng)可靠性分析效果顯著。用戶現(xiàn)場冷卻系統(tǒng)失效情況有待售后部門反饋,結果值得期待。
在產品設計開發(fā)階段結合質量管理開展FMEA活動,可達到將潛在失效風險控制到最低,提高產品設計的可靠性,降低產品開發(fā)成本的目的。本文通過對電主軸冷卻系統(tǒng)進行FMEA分析,梳理出設計和工藝過程存在的潛在風險,并對RPN指數(shù)高的項目制定改進措施,生產過程取得了顯著的效果。該可靠性分析方法為電主軸其他系統(tǒng)功能可靠性的設計提供了參考,對電主軸整體可靠性設計的提高具有重大意義。