直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭故障樹分析和泄漏問題改進(jìn)

鄭鵬， 王耀博

（沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽110178）

0 引言

機(jī)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)對系統(tǒng)可靠性影響顯著,系統(tǒng)可靠性設(shè)計的優(yōu)劣就在于能否準(zhǔn)確預(yù)測薄弱環(huán)節(jié)的位置和影響程度,并據(jù)此在系統(tǒng)設(shè)計階段進(jìn)行合理考慮。應(yīng)用故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）將雙擺角銑頭系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障作為分析的目標(biāo)，逐層向下推出所有可能的原因，從而找出雙擺角銑頭系統(tǒng)內(nèi)可能存在硬件和軟件因素與系統(tǒng)失效之間的邏輯關(guān)系，并用倒立樹狀圖表示出來。應(yīng)用故障樹分析法的必要性是可以幫助設(shè)計者及早有效地評價設(shè)計中存在的薄弱環(huán)節(jié)及缺陷，以此來改進(jìn)設(shè)計，提高產(chǎn)品的可靠性水平［1］。

1 雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)簡析

直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬能銑頭能夠?qū)崿F(xiàn)大型、復(fù)雜工件的加工，直驅(qū)式A/C軸數(shù)控加工機(jī)床的“五軸”主要由基本線性軸X、Y、Z和繞X軸的A軸和繞Z軸的C軸組成。直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)，直驅(qū)式電機(jī)傳動模式取代傳統(tǒng)機(jī)械傳動模式，實現(xiàn)“零傳動”，使銑頭結(jié)構(gòu)更加緊湊［2-3］。

直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬能銑頭的結(jié)構(gòu)中，在C軸內(nèi)部串聯(lián)安裝兩個力矩電機(jī)，實現(xiàn)C軸回轉(zhuǎn)是通過一個連接套帶動萬向架旋轉(zhuǎn)；在A軸內(nèi)部并聯(lián)安裝兩個力矩電機(jī)，實現(xiàn)A軸擺動是通過并聯(lián)A軸內(nèi)部的力矩電機(jī)帶動主軸座旋轉(zhuǎn)［4-5］。

直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬能銑頭的實體裝配圖如圖1所示。C軸和A軸結(jié)構(gòu)模型如圖2和圖3所示。圖4為直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭現(xiàn)場安裝圖。

圖1 銑頭裝配圖

圖2 C軸結(jié)構(gòu)模型

2 雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)故障樹分析

因為雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何一個單元失效，都可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效，所以銑頭的可靠性由單元的可靠度決定［6］。針對雙擺角銑頭可能出現(xiàn)的故障，對雙擺角銑頭系統(tǒng)分析，建立故障總樹，如圖5。

從雙擺角銑頭故障總樹可以看出，造成雙擺角銑頭可能出現(xiàn)故障的主要因素有力矩電機(jī)故障、回轉(zhuǎn)軸承故障、端齒盤故障、冷卻系統(tǒng)故障、圓光柵故障、控制系統(tǒng)故障等。

以力矩電機(jī)故障為例，建立力矩電機(jī)故障樹如圖6所示，其中，冷凝水進(jìn)入機(jī)體可能會造成力矩電機(jī)損壞等重大事故，在設(shè)計中應(yīng)重點加以考慮。

圖3 A軸結(jié)構(gòu)模型

圖4 直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭現(xiàn)場安裝圖

圖5 雙擺角銑頭系統(tǒng)故障總樹

圖6 力矩電機(jī)故障樹

3 雙擺角銑頭故障模式分析

數(shù)控機(jī)床故障模式有如下幾種：損壞型，退化型，松脫型，失調(diào)型，堵塞型，滲漏型，性能衰退型，功能失效型等［7］。通對雙擺角銑頭與數(shù)控機(jī)床故障模式的對比，歸納故障模式分析如表2所示。

表2 雙擺角銑頭故障模式分析

4 泄漏問題及其改進(jìn)

力矩電機(jī)在工作過程中，由于自身發(fā)熱以及冷卻水的影響，很可能在力矩電機(jī)周圍形成冷凝水。這些多余的流體，很可能會腐蝕電機(jī)、軸承，甚至可能造成電機(jī)燒毀的嚴(yán)重后果。此外，雙擺角銑頭內(nèi)部存在很多液壓管路，多個零件之間通過靜密封及打孔的方式，很難保證不存在任何泄漏。

為了解決泄漏問題，在C軸及A軸內(nèi)部，可能會出現(xiàn)流體的地方，設(shè)計流體泄漏通道，使得流體能順利從高處流到低處，然后順著泄漏通道從C軸流到A軸，再從A軸排到外部，泄漏通道在設(shè)計路徑時，要遠(yuǎn)離精密部件及帶電部件，如圖7。

圖7 泄漏通道路徑

在雙擺角銑頭的設(shè)計中，特別是在A軸殼體的設(shè)計中，最大限度地使用接管的方式來連接不同零部件的流體。這樣既能方便維護(hù)，又能在很大程度上避免了不同零件之間通過靜密封與打孔的方式導(dǎo)致的泄漏隱患［10］，如圖8。

圖8 接管式連接

5結(jié) 論

在雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，建立雙擺角銑頭故障總樹模型，針對每一個可能出現(xiàn)故障的部件和環(huán)節(jié)進(jìn)行故障因素分析，并對故障模式歸納與總結(jié)，為系統(tǒng)改進(jìn)和診斷提供了參考依據(jù)。針對冷凝水和液壓管路泄漏問題提出相應(yīng)改進(jìn)措施，有效減少了故障發(fā)生率，提高了系統(tǒng)可靠性。在運(yùn)行過程中遇到如上問題，可以參考以上故障樹進(jìn)行分析和診斷。

［1］ 陳建軍，張建國，段寶巖，等.大型星載天線的展開系統(tǒng)失效樹分析［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2005（3）：6-8，18.

［2］ 林劍峰，閆明，鄭鵬，等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭模態(tài)分析［J］.機(jī)械傳動，2010（4）：61-63.

［3］ 閆明，林劍峰，鄭鵬，等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭C軸結(jié)構(gòu)單元有限元分析［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010（4）：13-15，19.

［4］ 鄭鵬，閆明，孫淑霞，等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011（8）：44-47.

［5］ Yang Qingdong，Liu Guoping.Dynamics Analysis of Special Structure of Milling-head Machine Tool［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering （ English Edition），2008，21（ 6）：103-107.

［6］ 周磊，陳時錦，梁迎春，等.液壓擺角銑頭系統(tǒng)的故障樹分析及可靠性改進(jìn)［J］.機(jī)床與液壓，2007（9）：236-238，214.

［7］ 賈志成，胡仲翔，申桂香，等.數(shù)控機(jī)床故障模式的對比分析［J］.兵工學(xué)報，2009（1）：86-90.