基于危害性分析的冷卻系統(tǒng)可靠性改進(jìn)技術(shù)*

申桂香 李懷洋 張英芝 李全普 王志瓊

(①吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130025;②大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大連 116620)

加工中心高速度、高精度和柔性化的迅速發(fā)展，對現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的冷卻效率和可靠性水平提出了更高的要求。改善冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，提高冷卻系統(tǒng)的可靠性，已成為精密加工中心的重要研究課題［1－2］。因此，根據(jù)可靠性試驗(yàn)現(xiàn)場收集到的冷卻系統(tǒng)故障信息，結(jié)合影響冷卻系統(tǒng)故障的因素，應(yīng)用模糊綜合評判的方法對加工中心冷卻系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行危害度分析，根據(jù)分析結(jié)果利用熱管技術(shù)改進(jìn)冷卻系統(tǒng)，改善冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，提高冷卻系統(tǒng)的可靠性水平勢在必行。

1 加工中心冷卻系統(tǒng)危害性分析

1.1 冷卻系統(tǒng)故障信息

利用可靠性數(shù)據(jù)處理軟件，將受試加工中心的故障數(shù)據(jù)按故障部位進(jìn)行查詢，得到冷卻系統(tǒng)的故障信息，如表1所示。根據(jù)冷卻系統(tǒng)的故障信息，綜合考慮故障頻率、故障嚴(yán)重度、測試難易程度和維修難易程度4個(gè)影響因素，應(yīng)用模糊綜合評判的方法對加工中心冷卻系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析，計(jì)算出各故障模式的危害度等級。根據(jù)分析、計(jì)算結(jié)果找出冷卻系統(tǒng)危害度等級較大的故障模式，以探詢可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向。

表1 冷卻系統(tǒng)故障信息表

1.2 模糊綜合評判過程［3］

1.2.1 建立因素集

本文將與危害度分析相關(guān)冷卻系統(tǒng)的故障發(fā)生頻率、故障嚴(yán)重程度、故障檢測和維修難易程度4方面因素構(gòu)成1 個(gè)因素集U，U={u1，u2，u3，u4}。其中u1為故障發(fā)生頻率;u2為故障嚴(yán)重程度;u3為故障檢測難易程度;u4為維修難易程度。

1.2.2 建立評價(jià)集

根據(jù)加工中心冷卻系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中的故障信息，將各故障模式的評價(jià)集劃分為5個(gè)等級，如表2所示。5個(gè)等級分別用5級語言變量表示，這5個(gè)語言變量構(gòu)成 1 個(gè)評判集V，V={v1，v2，v3，v4，v5}，其中，v1為很低;v2為低;v3為中等;v4為高;v5為很高。5個(gè)語言變量反映了專家及工作人員對故障影響的模糊看法，它們連續(xù)的隸屬函數(shù)可以取三角形分布、正態(tài)分布和梯形分布等。通過對加工中心冷卻系統(tǒng)故障模式的分析和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用三角形分布能夠比較符合實(shí)際。評分采用10分制，5個(gè)等級的分值和相應(yīng)的隸屬函數(shù)uVi見圖 1。

表2 故障模式的等級劃分表

對于v1，隸屬函數(shù)表達(dá)式為

表示隸屬于等級“很低”的可能性。同樣，v2、v3、v4、v5的隸屬函數(shù)uv2、uv3、uv4、uv5依次表示隸屬于等級“低”“中”“高”“很高”的可能性。

1.2.3 建立單因素評判矩陣

冷卻系統(tǒng)7個(gè)故障模式的模糊判別矩陣經(jīng)歸一化處理后分別為

1.2.4 建立因素權(quán)重集

根據(jù)使用部門、設(shè)計(jì)部門共同評定得到冷卻系統(tǒng)7種故障模式的權(quán)重集分別為

1.2.5 一級模糊綜合評判模型

故障模式零部件損壞的模糊綜合評判模型為

計(jì)算故障模式零部件損壞的危害度值，即

現(xiàn)將語言值用對應(yīng)的加權(quán)值表示為 1、2、3、4、5，則其綜合危害度等級為C1=3.275，相當(dāng)于FMECA中的危害度值。同理可以得出其他6個(gè)故障模式的綜合危害度等級，C2=3.26，C3=2.75，C4=2.995，C5=2.93，C6=2.975，C7=3.085。

所以模糊綜合危害度排序?yàn)?零部件損壞＞液、氣、油堵塞＞氣液控制失靈＞冷卻液不足＞溫升過高＞液、氣、油元器件損壞＞液、氣、油滲漏。排序結(jié)果表明冷卻系統(tǒng)的故障模式中，零部件損壞和液、氣、油堵塞的模糊綜合評判危害度等級遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他故障模式，是可靠性改進(jìn)的重點(diǎn)。

2 熱管技術(shù)在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

熱管是一種封閉的管狀元件，它利用管內(nèi)工作介質(zhì)的相變化(汽化和冷凝)所產(chǎn)生的高潛熱和毛細(xì)抽吸現(xiàn)象進(jìn)行傳熱，高效、節(jié)能、無需外界動力，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［4］。

2.1 熱管結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)熱管是由殼體、吸液芯和工作液體(也稱工作介質(zhì))組成的密閉系統(tǒng)。殼體材料可選取銅、鋁、不銹鋼等。殼體內(nèi)壁覆蓋有多孔材料構(gòu)成的毛細(xì)吸液芯，其中吸滿液態(tài)工作介質(zhì)，工作介質(zhì)可為甲醇、水、汞等物質(zhì)。將殼體抽成高度真空(負(fù)壓0.13～1.3×－10－4Pa)后充入適當(dāng)?shù)墓ぷ鹘橘|(zhì)，密閉殼體便成為1只熱管，結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。

2.2 熱管工作原理

蒸發(fā)段溫度升高時(shí)，液體工作介質(zhì)通過管壁吸收外界熱源的熱量，沸騰蒸發(fā)為蒸汽，產(chǎn)生液－汽相變，吸收大量的熱量，蒸汽的產(chǎn)生導(dǎo)致蒸發(fā)段壓力上升，在壓力的作用下蒸汽迅速移向冷凝段。由于冷凝段溫度低，蒸汽冷凝為液體，產(chǎn)生汽－液相變，釋放出大量的熱量，熱量通過管壁傳遞給冷源。蒸汽經(jīng)過汽－液相變后在吸液芯內(nèi)凝結(jié)成液體，液體靠毛細(xì)抽吸力返回到蒸發(fā)端。工作介質(zhì)如此周而復(fù)始，連續(xù)循環(huán)，不斷地把熱量從熱源快速傳送到冷源，從而迅速降低熱源的溫度。

2.3 熱管技術(shù)應(yīng)用

熱管技術(shù)在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有2個(gè)方面:

一方面，利用熱管技術(shù)在現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加熱管的冷卻環(huán)節(jié)，提高冷卻效率。根據(jù)文獻(xiàn)［6］中利用熱管技術(shù)對液壓系統(tǒng)的改進(jìn)方案，在冷卻系統(tǒng)中的冷卻水箱或者油箱內(nèi)增加一個(gè)同樣的熱管冷卻系統(tǒng)，可以有效地抑制冷卻液的溫升，提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率。

另一方面，在加工中心易發(fā)熱的部位采用熱管散熱技術(shù)替代部分冷卻系統(tǒng)。加工中心主軸定子的冷卻一般是靠油冷機(jī)帶著冷卻油在管路內(nèi)循環(huán)流動來完成的。現(xiàn)利用熱管技術(shù)改進(jìn)該部分冷卻系統(tǒng)，將冷卻定子的管路內(nèi)部注入適當(dāng)?shù)墓ぷ鹘橘|(zhì)，抽成高度真空后密封，制成一個(gè)嵌在主軸定子內(nèi)部的微型熱管。因熱管散熱不需要額外的動力提供機(jī)構(gòu)，故能夠節(jié)省冷卻泵或油冷機(jī)等易損外購件，減少零部件的損壞，簡化冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu);同時(shí)熱管利用蒸汽傳導(dǎo)熱量，消除了該部分的液、氣、油堵塞現(xiàn)象。因此，采用熱管技術(shù)減少了主軸定子冷卻系統(tǒng)零部件的損壞和液、氣、油堵塞現(xiàn)象，能夠有效地提高加工中心冷卻系統(tǒng)的可靠性水平。

3 結(jié)語

利用熱管技術(shù)改進(jìn)冷卻系統(tǒng)后，由于熱管本身不需要外界動力，從而省略了油冷機(jī)等易損件零部件，減少零部件的損壞，簡化加工中心冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu);同時(shí)熱管利用2種相變(汽化和液化)和蒸汽進(jìn)行熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)效率高、速度快，沒有液、氣、油堵塞現(xiàn)象，勢必改善加工中心冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，提高加工中心冷卻系統(tǒng)的可靠性水平。

［1］戴怡，賈亞洲，申桂香.立式加工中心的故障分析與改進(jìn)措施［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(11):1209 －1211.

［2］王桂萍，賈亞洲，喬巍巍，等.故障比重比在數(shù)控機(jī)床故障分析中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(1):174 －177.

［3］王桂萍，賈亞洲，申桂香，等.加工中心冷卻系統(tǒng)故障模式危害性模糊評價(jià)分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(3):171 －174.

［4］由宏君.熱管技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展［J］.四川化工，2005，8(3):47 －51.

［5］莊駿.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［6］李全普.應(yīng)用熱管冷卻液壓系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，1998(5):26－27.