基于FMECA的缸蓋機(jī)加生產(chǎn)線故障分析*

崔欣哲，叢 明，王冠雄，謝書文，潘大慶

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2.長安汽車股份有限公司工藝部，重慶 404120)

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基于FMECA的缸蓋機(jī)加生產(chǎn)線故障分析*

崔欣哲1，叢 明1，王冠雄1，謝書文2，潘大慶2

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2.長安汽車股份有限公司工藝部，重慶 404120)

通過對國內(nèi)某汽車廠商發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線故障情況的跟蹤，建立該生產(chǎn)線故障數(shù)據(jù)庫，對其進(jìn)行了部件層級的故障模式及影響危害度分析。首先定義生產(chǎn)線系統(tǒng)模型，劃分約定層級并明確故障判據(jù)，從生產(chǎn)功能實(shí)現(xiàn)的角度將故障部位分成十個子系統(tǒng)，對比了各子系統(tǒng)、工序設(shè)備和故障源部件的故障頻次。其次對生產(chǎn)線設(shè)備故障原因分析歸納，最后給出系統(tǒng)故障頻發(fā)部位的故障模式和危害度分析結(jié)果。找出了發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線的薄弱環(huán)節(jié)，提出改善建議和措施，為發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線可靠性管理和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線；可靠性；故障模式；危害度

0 引言

故障模式、影響及危害度分析(FMECA)是當(dāng)前可靠性研究的重要方法，被廣泛用于可靠性技術(shù)研究工作[1-3]。該方法最早由美國Grumman公司提出，用于研制飛機(jī)主操縱系統(tǒng)，隨后逐漸應(yīng)用于機(jī)械、汽車、醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域[4-6]。近年來，國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)將此方法應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的可靠性研究中，并取得顯著成果。文獻(xiàn)[7-9]分析了數(shù)控機(jī)床的故障模式，計(jì)算了各子系統(tǒng)層級對整機(jī)的危害度。然而，國內(nèi)現(xiàn)在對生產(chǎn)線整體系統(tǒng)的FMECA研究還比較少，如何將FMECA方法應(yīng)用于由多臺設(shè)備組成的復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)線的可靠性技術(shù)研究，尚需進(jìn)一步的探討。

1 生產(chǎn)線系統(tǒng)模型定義

在對生產(chǎn)線系統(tǒng)實(shí)施FMECA前，要先定義分析對象的系統(tǒng)模型，劃分FMECA的約定層級并明確故障判據(jù)。如圖1所示，該發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線主要由臥式加工中心、壓裝機(jī)、清洗機(jī)、涂油機(jī)、泄檢機(jī)、等設(shè)備組成，從生產(chǎn)功能實(shí)現(xiàn)的角度，可以將其歸結(jié)為十個功能子系統(tǒng)：切削系統(tǒng)、裝夾系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓氣動系統(tǒng)、伺服傳動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、清濾系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)。

約定層級包含“初始約定層級”、“約定層級”和“最低約定層級”，本文中研究對象的初始約定層級為發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線，約定層級為各工序設(shè)備和生產(chǎn)線功能子系統(tǒng)，最低約定層級為發(fā)生故障的源部件。

由產(chǎn)品可靠性和故障的定義可知，故障發(fā)生的判定是一個相對化的概念，本文將該發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線系統(tǒng)的故障判據(jù)定義為：導(dǎo)致設(shè)備停工，并且維修時(shí)間超過0.5小時(shí)，則定義為故障發(fā)生。本文建立的生產(chǎn)線故障數(shù)據(jù)庫中，生產(chǎn)線的總運(yùn)行時(shí)間為5040小時(shí)。

圖1 生產(chǎn)線系統(tǒng)模型圖

2 生產(chǎn)線故障部位分析

對各約定層級做出故障發(fā)生頻次分析對比，得出：

(1)由圖2可知，在分系統(tǒng)層級中，裝夾系統(tǒng)、液壓氣動系統(tǒng)和切削系統(tǒng)的故障比重幾乎占到生產(chǎn)線故障次數(shù)的一半。裝夾系統(tǒng)的故障發(fā)生次數(shù)最多，其中包括導(dǎo)管閥座的壓裝、軸蓋擰緊、工件夾緊等環(huán)節(jié)，主要的故障模式體現(xiàn)為不能正常壓裝、壓裝或擰緊偏差、物料或工件脫落以及不能夾緊等。液壓氣動系統(tǒng)的故障頻次為第二位，體現(xiàn)在氣缸、泵、閥等部件的損壞。其次為切削系統(tǒng)，刀柄和刀具是該系統(tǒng)故障發(fā)生的主要部件。

圖2 生產(chǎn)線功能系統(tǒng)故障頻率圖

(2)對比各工序設(shè)備發(fā)生故障的頻率，見圖3，可以看出，該發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線故障頻發(fā)設(shè)備為G140壓裝機(jī)、G190擰緊機(jī)和G50 、G60、G70加工中心。實(shí)際生產(chǎn)中，這幾個工序由于故障頻發(fā)而成為影響生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的瓶頸環(huán)節(jié)。

圖3 生產(chǎn)線各工序故障頻率圖

(3)對最低約定層級故障源部件故障頻次的分析結(jié)果表明，氣缸、刀柄、傳感器、機(jī)械手等部件是該生產(chǎn)線的主要故障源部件，如表1所示。

表1 生產(chǎn)線故障部件頻次表(top20)

3 生產(chǎn)線故障原因分析

故障原因的分析為生產(chǎn)線可靠性的改善提供了切入點(diǎn)，找出故障發(fā)生的原因，進(jìn)而采取針對性的改進(jìn)措施，減少或預(yù)防故障發(fā)生。

表2 生產(chǎn)線故障原因頻率表

從表2可以看出，導(dǎo)致該生產(chǎn)線設(shè)備發(fā)生故障的原因主要分為兩方面：一方面是導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生功能故障或潛在故障的物理、化學(xué)或生物變化過程等的直接原因；另一方面是由外部因素(如其他零件故障、使用、環(huán)境和人為因素等)導(dǎo)致發(fā)生故障的間接原因。

該發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線故障發(fā)生的主要原因?yàn)镃NC參數(shù)錯、積屑(水)、元器件損壞和零部件的結(jié)構(gòu)損壞等。為了減少或者預(yù)防故障發(fā)生，需要調(diào)整相應(yīng)的控制參數(shù)，定期清理積屑來防止加工殘屑積留，加強(qiáng)對基本元器件和零部件的質(zhì)量控制。環(huán)境因素也是在故障原因分析中必須考慮的重要因素，該生產(chǎn)線所在地域氣溫較高和空氣潮濕，這就間接對生產(chǎn)線的氣動裝置和空調(diào)冷卻裝置的提出了更高的要求。

4 故障模式及危害度分析

基于發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線故障數(shù)據(jù)庫，按照生產(chǎn)線系統(tǒng)模型中約定層級，結(jié)合故障判據(jù)的具體要求，參考GJB/Z 1391-2006[10]，對發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線進(jìn)行故障模式、影響及危害度分析。

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

CRij=αijβijλi

(1)

部件i對系統(tǒng)的危害度為：

(2)

將(1)式代入(2)式得：

(3)

αij=nj/ni

(4)

(5)

其中，n為部件i出現(xiàn)故障模式的種類數(shù)；αij為部件i以故障模式j(luò)而引起的該零件發(fā)生故障的故障模式頻數(shù)比；nj為部件i第j種故障模式出現(xiàn)的次數(shù)，ni為部件i全部故障模式發(fā)生的總次數(shù)；βij為部件i以故障模式j(luò)發(fā)生故障造成該部件損傷的概率(國際草案將此稱為喪失功能的條件概率，其值如下：βij=1表示該件肯定發(fā)生損傷，βij=0.5表示該件可能發(fā)生損傷，βij=0.1 表示該件很少發(fā)生損傷，βij=0表示該件無影響);λi為部件i的基本故障率，是通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)計(jì)算的平均故障率;Ni為部件i在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的故障總次數(shù)，∑t為其累積的總工作時(shí)間。

本文給出故障頻發(fā)工序設(shè)備G140中部分故障部件的故障模式、影響及危害度分析結(jié)果，見表3。

表3 生產(chǎn)線故障多發(fā)部位FMECA表

通過對故障現(xiàn)象的描述，歸納故障模式，分析故障模式的影響并進(jìn)行嚴(yán)酷度評級，然后分析該故障模式的故障原因，最后計(jì)算部件危害度。通過上面的FMECA分析表可以看出，在工序G140壓裝機(jī)設(shè)備的各個故障部件中，壓裝頭、氣缸和機(jī)器人手爪對設(shè)備系統(tǒng)的危害度相對較大，分別達(dá)到了9.92、6.15和5.36(10-4/h)。其中機(jī)器人手爪的故障發(fā)生頻率最高而且故障影響的嚴(yán)酷度也較大，主要故障模式表現(xiàn)為動作不到位、錯誤動作、錯誤位置、動作不順等，主要的故障原因分別為卡住、位置調(diào)整不當(dāng)、程序不合理。從設(shè)備整體角度來看，故障所產(chǎn)生的影響主要為物料中斷和卡滯，無法壓裝或壓裝偏差，工件脫落等。針對以上的故障源部件發(fā)生的故障模式可以采取如下改進(jìn)措施：

(1)對壓裝頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是壓裝頭和壓裝工件接觸部分。調(diào)整彈簧圈尺寸并增強(qiáng)其耐磨度。

(2)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)行程序，設(shè)定合理的動作執(zhí)行順序，減少由非必要動作導(dǎo)致的精度偏差。手爪部位需要定期檢查維護(hù)。

(3)對物料管道要經(jīng)常進(jìn)行清理，防止異物或零件堵塞積壓在管路中。

(4)氣動三聯(lián)件故障頻發(fā)，主要由于積水和密封不當(dāng)導(dǎo)致，須降低氣動系統(tǒng)中的壓縮空氣含水量，注意過濾干燥和密封位置。

5 結(jié)論

本文分析了發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線故障部位和原因，給出故障頻發(fā)設(shè)備的FMECA結(jié)果，得到結(jié)論如下:

(1)該生產(chǎn)線的故障多發(fā)工序?yàn)閴貉b工序、擰緊工序和切削工序，高頻故障部件主要集中在裝夾系統(tǒng)、液壓氣動系統(tǒng)和切削系統(tǒng)。裝夾系統(tǒng)的機(jī)械手和壓裝頭故障頻發(fā)，液壓氣動系統(tǒng)中氣缸和高壓泵皮帶故障問題比較突出，而切削系統(tǒng)中主要故障部件為刀具和刀柄，控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)中的光柵尺(線)和編碼器(線)也是故障頻率較突出部位。

(2)導(dǎo)致該生產(chǎn)線發(fā)生的故障的主要原因有CNC參數(shù)錯、積屑(水)、元器件損壞、零件結(jié)構(gòu)損壞引起的卡死和松動脫落等。因此調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)程序設(shè)置、及時(shí)清理積屑(水)、加強(qiáng)元器件和基礎(chǔ)零件的質(zhì)量管理是提升系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

(3)通過FMECA分析，給出生產(chǎn)線故障頻發(fā)部件的故障模式和影響評級，計(jì)算了部件對系統(tǒng)危害度，找到發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的改善建議，為完善企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性管理提供了依據(jù)。

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(編輯 李秀敏)

Failure Analysis of Engine Head Product Line Based on FMECA

CUI Xin-zhe1, CONG Ming1, WANG Guan-xiong, XIE Shu-wen2,PAN Da-qing2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China;2.Chongqing Chang An Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China)

Based on the failure data of engine head product line, a method of failure mode effects and criticality analysis of the failure parts were performed. The target system was divided into established level and the failure criterion was clarified. By the comparison about failure frequency of each process of the production line, the failure locations were divided into ten subsystems. The failure reasons of each failure mode were summarized. According to failure mode effect and criticality analysis result of high-frequency parts, the weak parts of the production line were pointed out. Improvement suggestions and measures were proposed, which made contribution to the reliability management of the engine head product line.

engine head product line; reliability; failure mode; criticality

1001-2265(2014)01-0149-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.042

2013-04-09

國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造設(shè)備”科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX04015-021)

崔欣哲(1989—)，男，遼寧大連人，大連理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯a(chǎn)線可靠性技術(shù)， (E-mail)william.cui223@gmail.com。

TH165

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