數(shù)控砂帶磨床故障分析*

賈敬陽 曲興田 張雷 李德平 張發(fā) 孫惠芳

（①吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130025;②東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

通過對近些年數(shù)控機(jī)床市場調(diào)查，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率很低，其主要的原因在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性水平總體偏低［1］。本文以數(shù)控砂帶磨床作為研究對象，對5臺數(shù)控砂帶磨床進(jìn)行了長達(dá)10個月的跟蹤記錄，將故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對該數(shù)控砂帶磨床做故障模式影響及危害性分析（FMECA）。找出該機(jī)床產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的弱點(diǎn)，并把故障分析的結(jié)果反饋給設(shè)計、制造及使用的部門，以便從設(shè)計、制造、使用和維護(hù)等諸多方面采取相應(yīng)的對策，提高機(jī)床產(chǎn)品的可靠性已成為當(dāng)務(wù)之急［2］。

1 數(shù)控砂帶磨床整機(jī)故障分析

對數(shù)控砂帶磨床的整機(jī)故障分析應(yīng)包括:故障部位分析、故障模式分析和故障原因分析，下面將從這3個方面對該系列機(jī)床進(jìn)行故障分析。

1．1 數(shù)控砂帶磨床故障部位分析

本文根據(jù)數(shù)控砂帶磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)控砂帶磨床使用中的具體情況，將數(shù)控砂帶磨床劃分為16個子系統(tǒng)，建立該機(jī)床的故障數(shù)據(jù)庫。再根據(jù)實(shí)際采集的故障數(shù)據(jù)，將故障數(shù)據(jù)按照故障部位進(jìn)行分類匯總，統(tǒng)計出該數(shù)控砂帶磨床各故障部位發(fā)生的故障頻率，如表1所示。

表1 故障部位頻率表

由故障部位頻率表1可以看出，該數(shù)控砂帶磨床的故障多發(fā)部位為砂帶磨削裝置（27.27%）、數(shù)控系統(tǒng)（15.91%）、冷卻系統(tǒng)（9.1%）和 Z軸進(jìn)給系統(tǒng)（9.1%）等。由結(jié)果分析可得，砂帶磨削裝置是出現(xiàn)故障頻率最高的部位，數(shù)控系統(tǒng)緊隨其后，而X軸進(jìn)給系統(tǒng)、Y軸進(jìn)給系統(tǒng)和排屑系統(tǒng)等是出現(xiàn)故障次數(shù)較少的部位。

1．2 故障模式分析

類似的，根據(jù)數(shù)控砂帶磨床的自身特點(diǎn)和長期的調(diào)查總結(jié)，以及對以往常見數(shù)控機(jī)床的研究，將數(shù)控砂帶磨床故障模式進(jìn)行分類。由采集的故障數(shù)據(jù)，再根據(jù)故障模式分類表，統(tǒng)計出該數(shù)控砂帶磨床故障模式頻率表，如表2。該表僅列出部分高頻的故障模式。

表2 數(shù)控砂帶磨床故障模式頻率表

由數(shù)控砂帶磨床的故障模式頻率表可以很直觀地看出，該數(shù)控砂帶磨床常出現(xiàn)的故障模式是發(fā)出異響、零部件損壞、運(yùn)動部件無動作和系統(tǒng)出錯等，在機(jī)床出現(xiàn)類似的故障模式時，應(yīng)該給予足夠的重視。

1．3 故障原因分析

六坐標(biāo)數(shù)控砂帶磨床是較復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，其故障原因也是各種各樣的，本文根據(jù)數(shù)控砂帶磨床實(shí)際工作中出現(xiàn)的故障，對其故障的機(jī)理進(jìn)行深入分析，借鑒以往機(jī)床設(shè)備的故障原因分析方法和相關(guān)的資料，將該數(shù)控砂帶磨床的故障原因進(jìn)行總結(jié)。對收集的數(shù)控砂帶磨床故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，按照故障原因和故障原因分類將所采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總，做出故障原因頻率表3和故障原因分類頻率表4。

表3 數(shù)控砂帶磨床故障原因頻率表

表4 數(shù)控砂帶磨床故障原因分類頻率表

經(jīng)過對數(shù)控砂帶磨床的故障原因分析，從分析結(jié)果中可以看出，零部件損壞是該數(shù)控機(jī)床最為常見的故障原因，除此之外，數(shù)控系統(tǒng)故障以及磨損等也是較常出現(xiàn)的故障原因。從原因分類分析的結(jié)果中可以看出，引起故障最大的原因在于外購件，因此在選擇外購件的時候，應(yīng)該做細(xì)致的調(diào)查。

2 危害度分析

危害度分析是對故障影響后果量化的最關(guān)鍵一步，其目的是按照每一種故障模式的嚴(yán)重性級別和發(fā)生概率的綜合影響來研究故障模式，以便更全面地評價每一種故障模式的影響［3］。部件的危害度是對部件發(fā)生故障后果的危害程度的綜合評價，反應(yīng)子系統(tǒng)或部件發(fā)生故障時，對整機(jī)的功用、性能、周圍環(huán)境及員工安全的影響程度。通過對整機(jī)危害度分析，可以得出影響數(shù)控砂帶磨床可靠性的關(guān)鍵部件，摸清機(jī)床產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，以便有針對性地進(jìn)行可靠性改進(jìn)設(shè)計。

根據(jù)機(jī)床可靠性分析的需要，將數(shù)控砂帶磨床分成14個子系統(tǒng)，依次為:磨頭（CR1）、數(shù)控系統(tǒng)（CR2）、冷卻系統(tǒng)（CR3）、Z軸（CR4）、電氣系統(tǒng)（CR5）、液壓系統(tǒng)（CR6）、其他（CR7）、潤滑系統(tǒng)（CR8）、A軸（CR9）、Y軸（CR10）、排屑系統(tǒng)（CR11）、氣動系統(tǒng)（CR12）、X軸（CR13）、主軸系統(tǒng)（CR14）。

子系統(tǒng)i以故障模式j(luò)發(fā)生故障致使該零部件發(fā)生故障的危害度CRij，其計算公式為:

子系統(tǒng)i對整機(jī)的危害度為:

將式（1）代入式（2）得:

式中n——子系統(tǒng)i出現(xiàn)的故障模式的種類數(shù)

αij——子系統(tǒng)i以故障模式j(luò)而引起該零部件發(fā)生故障的故障模式概率，其計算公式為αij=ni/nj。其中，nj表示子系統(tǒng)i第j種故障模式出現(xiàn)的次數(shù)，ni表示子系統(tǒng)i的全部故障模式發(fā)生的總次數(shù)

βij——子系統(tǒng)i以故障模式j(luò)發(fā)生故障造成該子系統(tǒng)損傷的概率，國標(biāo)草案將其稱為喪失功能的條件概率，其值規(guī)定如下:βij=1表示該子系統(tǒng)肯定發(fā)生損傷;βij=0．5表示該子系統(tǒng)可能發(fā)生損傷;βij=0．1表示該子系統(tǒng)發(fā)生的損傷可能很小;βij=0表示該子系統(tǒng)無影響

λi——子系統(tǒng)i的基本故障率，在本文中為通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得到的平均故障率λi，其計算公式為

式中:Ni為子系統(tǒng)i在規(guī)定時間內(nèi)的故障總次數(shù);∑t為子系統(tǒng)i在規(guī)定時間內(nèi)累積工作時間，5臺數(shù)控砂帶磨床的累積工作時間為23 720 h（雙班制）。

根據(jù)公式（4）計算得:

將 αij、βij、代入式（3），經(jīng)過計算得各部件的危害度CRi為:

將數(shù)控砂帶磨床子系統(tǒng)危害度排列如表5。

由表中統(tǒng)計可以得出，磨頭是該數(shù)控砂帶磨床危害度最高的部位，是影響數(shù)控砂帶磨床可靠性的關(guān)鍵部件，之后依次為數(shù)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、Z軸、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等?？梢钥闯?，該數(shù)控砂帶磨床的磨頭和數(shù)控系統(tǒng)是薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)的可靠性改進(jìn)設(shè)計，而冷卻系統(tǒng)、Z軸、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)也比較薄弱，也應(yīng)給予足夠重視。

表5 數(shù)控砂帶磨床危害度表

3 結(jié)語

（1）由以上分析結(jié)果看以看出，砂帶磨削裝置是該數(shù)控機(jī)床故障發(fā)生頻率最高的部位，故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位，砂帶磨削裝置是影響該數(shù)控砂帶磨床可靠性的主要因素，其主要的故障模式為發(fā)出異響和零部件損壞等，其主要問題是軸承損壞、接觸輪磨損和設(shè)計問題等。要足夠重視砂帶磨削裝置的可靠性問題，砂帶磨削裝置的可靠性提高，整機(jī)的可靠性將會獲得很大的提高。

（2）數(shù)控系統(tǒng)是排在第二位的故障部位，發(fā)生故障的概率也比較高，其主要問題是元器件損壞以及控制軟件故障問題，應(yīng)從設(shè)計方面和外購件方面給予改善。

［1］賈亞洲．提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性水平［J］．?dāng)?shù)控機(jī)床市場，2006（5）:92－98．

［2］王桂萍，賈亞洲．?dāng)?shù)控機(jī)床可靠性分析方法［J］．吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，22（3）:13－16．

［3］王超，王金．機(jī)械可靠性工程［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1992．

［4］Wang Yiqiang，Yam R C M，Zuo M J．A comprehensive reliability allocation method for design of CNC lathes［J］．Reliability Engineering and System Safety，2001，72（3）:247－252．

［5］文廣．我國數(shù)控機(jī)床可靠性的現(xiàn)狀及對策［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2003，16（2）:5－6．

［6］梁靜，郭慶鼎，張新．?dāng)?shù)控機(jī)床電氣故障分析［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006，34（9）:43－44．