基于FMEA的電主軸冷卻系統(tǒng)可靠性分析*

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）

0 引言

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。

1 FMEA及電主軸各系統(tǒng)

1.1 FMEA

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]。

1.2 電主軸

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。

2 冷卻系統(tǒng)FMEA分析

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

2.1 D－FMEA設計潛在失效模式及后果分析

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

2.2 P－FMEA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。

2.3 FMEA可靠性驗證

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。

3 結束語

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。