精密高速?zèng)_床的可靠性分析

文/高顯宏·遼寧省交通高等?？茖W(xué)校

精密高速?zèng)_床的可靠性分析

文/高顯宏·遼寧省交通高等專科學(xué)校

精密高速?zèng)_壓技術(shù)是集精密高速?zèng)_床技術(shù)、高精度模具技術(shù)、高品質(zhì)板料技術(shù)、智能控制技術(shù)于一體化的高精技術(shù)。它具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品精度高、互換性好等優(yōu)點(diǎn)。采用精密高速?zèng)_床進(jìn)行高速度、自動(dòng)化連續(xù)沖壓是提高沖壓生產(chǎn)效率的有效途徑。目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)高速?zèng)_床的可靠性水平與國(guó)外發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比還具有較大差距，而產(chǎn)品的可靠性將直接影響到產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，提高國(guó)產(chǎn)高速?zèng)_床的可靠性水平是應(yīng)對(duì)當(dāng)今激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的當(dāng)務(wù)之急。故障分析是實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_床可靠性水平增長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)，下面本文針對(duì)精密高速?zèng)_床的可靠性展開分析。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速?zèng)_床日趨智能化和精密化，對(duì)其可靠性的要求也越來越高。提高沖床的可靠性水平，高速生產(chǎn)才有保障，找到影響沖床可靠性的主要因素變得十分重要。目前，國(guó)內(nèi)高速?zèng)_床的可靠性研究基本處于起步階段?？煽啃匝芯渴且圆檎夜收稀⒎治龉收?，最終達(dá)到避免故障為目的。分析故障的方法有很多，故障樹分析是可靠性分析的重要方法和手段。故障樹分析方法包括定性分析和定量分析。故障模式、影響及危害性分析（FMECA）是分析產(chǎn)品所有可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法。它包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩個(gè)部分。隨著FMECA技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)MEA技術(shù)已經(jīng)較為成熟，學(xué)術(shù)界對(duì)FMECA技術(shù)的研究主要集中在危害性分析部分。

高速?zèng)_床屬于復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，為了正確的描述故障，準(zhǔn)確定義故障發(fā)生的部位，理清影響系統(tǒng)可靠性的邏輯關(guān)系和組成部位，對(duì)高速?zèng)_床進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分尤其重要。

高速?zèng)_床子系統(tǒng)及組成

為了提高高速?zèng)_床的可靠性水平，找到有預(yù)見性的故障和避免故障的發(fā)生，必須在故障數(shù)據(jù)累積與經(jīng)驗(yàn)推斷的基礎(chǔ)上逐步建立高速?zèng)_床系統(tǒng)的故障樹，對(duì)高速?zèng)_床進(jìn)行全面的故障分析。查清故障部位、故障模式及故障原因，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)故障的出現(xiàn)頻次，同時(shí)，掌握高速?zèng)_床的故障發(fā)生規(guī)律和對(duì)可靠性影響的排序，為高速?zèng)_床進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。高速?zèng)_床子系統(tǒng)按功能和機(jī)械組成劃分情況見表1。

下面對(duì)高速?zèng)_床各子系統(tǒng)進(jìn)行故障樹的影響因素分析。

表1 高速?zèng)_床子系統(tǒng)劃分情況

⑴分析傳動(dòng)子系統(tǒng)故障樹的影響因素。高速?zèng)_床的傳動(dòng)子系統(tǒng)機(jī)械部分主要由調(diào)速電機(jī)、傳動(dòng)帶和飛輪組成。調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力輸出和可調(diào)節(jié)的行程次數(shù)，飛輪和電機(jī)之間通過帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，輸出能量。

⑵分析制動(dòng)離合子系統(tǒng)故障樹的影響因素。制動(dòng)離合子系統(tǒng)主要由摩擦離合器和制動(dòng)器組成。氣動(dòng)干式摩擦離合制動(dòng)器利用外部的壓縮空氣進(jìn)入離合器氣缸，推動(dòng)活塞移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)離合器摩擦片接合，產(chǎn)生摩擦力矩帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)時(shí)，離合器雙聯(lián)閥轉(zhuǎn)換氣路，離合器氣缸排氣，反向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與制動(dòng)摩擦片接合，使曲軸迅速制動(dòng)。離合制動(dòng)器的摩擦力矩達(dá)不到要求，會(huì)使離合器打滑和加速摩擦片的磨損。

⑶分析滑塊子系統(tǒng)故障樹的影響因素。滑塊子系統(tǒng)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、滑塊平衡裝置、動(dòng)平衡裝置、裝模調(diào)節(jié)裝置組成。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為滑塊的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。滑塊平衡裝置是防止曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副之間反向受力而造成撞擊和噪聲。動(dòng)平衡裝置是為抵消曲柄和滑塊運(yùn)動(dòng)的慣性帶來的振動(dòng)對(duì)機(jī)床加工精度的影響。裝模調(diào)節(jié)裝置是為調(diào)節(jié)滑塊的裝模高度，由盤式電機(jī)通過鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)以及螺紋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)柱長(zhǎng)度的變化。

⑷分析氣動(dòng)子系統(tǒng)故障樹的影響因素。氣動(dòng)子系統(tǒng)由主氣路、離合制動(dòng)器氣路和平衡氣缸氣路組成。主氣路通過三通接頭分為兩路，一路為離合制動(dòng)器氣路，一路為平衡氣缸氣路，分別為離合制動(dòng)器和平衡氣缸供氣。

⑸分析液壓夾鉗子系統(tǒng)故障樹的影響因素。液壓夾鉗子系統(tǒng)由氣動(dòng)增壓泵提供裝模高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)鎖緊所需的鎖緊力，由鎖緊壓力繼電器檢測(cè)泵出油壓的壓力值。

⑹分析冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障樹的影響因素。冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)由潤(rùn)滑油泵、過濾器、壓力閥、分油器、油冷機(jī)組成。潤(rùn)滑點(diǎn)包括滑塊的導(dǎo)柱導(dǎo)套、曲軸上的軸承組件、動(dòng)平衡滑塊。當(dāng)油壓超出規(guī)定區(qū)間時(shí)報(bào)警功能將被觸發(fā)，同時(shí)，油冷機(jī)也具有溫度檢測(cè)與報(bào)警功能。

⑺分析電氣子系統(tǒng)故障樹的影響因素。電氣子系統(tǒng)通過PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)沖床其他子系統(tǒng)的電氣控制功能，包括滑塊寸動(dòng)/單動(dòng)/連動(dòng)/急停轉(zhuǎn)換、行程次數(shù)調(diào)節(jié)、液壓夾鉗與氣動(dòng)元件的控制、機(jī)床冷卻潤(rùn)滑的啟停等控制功能。

高速?zèng)_床故障模式劃分和故障原因

為了明晰邏輯關(guān)系，故障模式和故障原因可按故障體現(xiàn)部位進(jìn)行分類。故障體現(xiàn)模式可分為頂層故障、中間故障和基本故障。也就是說，按高速?zèng)_床子系統(tǒng)歸類故障體現(xiàn)就是頂層故障，子系統(tǒng)按組成部件歸類故障體現(xiàn)就是中間故障，按單一部件歸類故障體現(xiàn)就是基本故障。高速?zèng)_床的故障模式和故障原因見表2。

高速?zèng)_床故障模式分析

故障模式與故障樹分析相輔相成，可以對(duì)高速?zèng)_床故障發(fā)生的頻次大小和概率進(jìn)行排序。從高速?zèng)_壓生產(chǎn)來看，高速?zèng)_床的子系統(tǒng)頂層故障，按發(fā)生的頻次和概率排序由高到低依次為冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)、氣動(dòng)子系統(tǒng)、傳動(dòng)子系統(tǒng)、液壓夾鉗子系統(tǒng)、制動(dòng)離合子系統(tǒng)、滑塊子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)。冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障最為頻繁，主要表現(xiàn)為油冷裝置和潤(rùn)滑油泵失靈、油管及接頭漏油。氣動(dòng)子系統(tǒng)故障模式主要為氣管和管接頭漏氣。液壓夾鉗子系統(tǒng)故障模式主要表現(xiàn)是液壓油滲漏和液壓油臟造成液壓閥閥口的堵塞。制動(dòng)離合子系統(tǒng)故障模式多是離合器的失效，零部件損壞主要集中在摩擦片和固定螺釘?shù)臄嗔选ＤΣ疗g隙調(diào)整不當(dāng)致使零部件損壞，導(dǎo)致離合器的失效故障最為多發(fā)。傳動(dòng)子系統(tǒng)故障模式是零部件損壞和定位精度不準(zhǔn)，主要原因是介質(zhì)油、氣滲漏。高速?zèng)_床定位精度超差故障是表象，實(shí)質(zhì)是零部件損壞和介質(zhì)管路故障?；瑝K子系統(tǒng)故障模式是滑塊不在上死點(diǎn)最多、緊固件松動(dòng)次之。

高速?zèng)_床故障類型與模式見表3。

表2 高速?zèng)_床的故障體現(xiàn)模式和故障原因

高速?zèng)_床可靠性保障方向

故障分析就是要找出影響高速?zèng)_床可靠性的系統(tǒng)和組件故障趨勢(shì)，為提高沖床可靠性提供保障。經(jīng)過故障分析，得出了高速?zèng)_床子系統(tǒng)故障的頻次和概率排序、故障頻發(fā)部位與模式、故障模式等的分析結(jié)果，為可靠性設(shè)計(jì)與子系統(tǒng)改進(jìn)和匹配提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。

冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)可靠性保障方向

冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)在高速?zèng)_床子系統(tǒng)故障的頻次和概率排序最高，是可靠性保障重要度最高的子系統(tǒng)，對(duì)高速?zèng)_床可靠性影響最大。從故障模式看，主要的故障模式為滲漏故障和油冷裝置失靈無制冷故障。潤(rùn)滑系統(tǒng)管路和接頭漏油頻次和概率排序最高，導(dǎo)致油冷裝置失靈故障占頻次和概率排序的次位。了解了這些故障情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和改進(jìn)就有了明確的方向。

氣動(dòng)子系統(tǒng)可靠性保障方向

氣動(dòng)子系統(tǒng)的故障模式主要為滲漏故障，對(duì)可靠性影響重要度排序非常高。對(duì)于油、氣介質(zhì)滲漏故障，可靠性影響重要度排序最高的是氣路中的氣管和管接頭漏氣故障。

傳動(dòng)子系統(tǒng)可靠性保障方向

傳動(dòng)子系統(tǒng)故障主要體現(xiàn)為介質(zhì)滲漏，對(duì)可靠性影響重要度排序最高，頻率幾乎占到整個(gè)子系統(tǒng)故障1/2左右。介質(zhì)滲漏故障主要集中在旋轉(zhuǎn)接頭漏氣故障，可見傳動(dòng)子系統(tǒng)的氣路對(duì)可靠性影響重要度非常高。而零部件損壞故障主要集中在鍵槽、T銷斷裂上。

液壓夾鉗子系統(tǒng)可靠性保障方向

液壓鎖緊子系統(tǒng)的故障模式主要集中在油泵損壞故障上，原因在于液壓油滲漏和液壓油臟，致使油泵工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致零部件損壞。而油泵損壞故障又主要集中在增壓泵單元上。

制動(dòng)離合子系統(tǒng)可靠性保障方向

制動(dòng)離合子系統(tǒng)的故障模式主要是運(yùn)動(dòng)部件間隙不當(dāng)故障，占整個(gè)子系統(tǒng)故障的1/4左右。運(yùn)動(dòng)部件間隙不當(dāng)故障主要表現(xiàn)為摩擦片間隙不當(dāng)，設(shè)計(jì)高速?zèng)_床時(shí)，摩擦片間隙的給定只是經(jīng)驗(yàn)問題。摩擦片間隙不當(dāng)導(dǎo)致的零部件損壞主要體現(xiàn)為摩擦片和固定螺釘?shù)臄嗔选?/p>

滑塊子系統(tǒng)可靠性保障方向

滑塊子系統(tǒng)的故障模式是滑塊不在上死點(diǎn)、緊固件松動(dòng)，造成滑塊回位不準(zhǔn)的原因很多，零部件損壞故障的可靠性影響重要度排序最高，頻率幾乎占到整個(gè)子系統(tǒng)故障3/4左右。零部件損壞故障又集中體現(xiàn)在平衡氣缸的拉桿自身斷裂和連接螺栓斷裂兩項(xiàng)。

表3 故障類型與模式

電氣子系統(tǒng)可靠性保障方向

電氣子系統(tǒng)故障極少，但經(jīng)高速?zèng)_床故障樹分析，電氣子系統(tǒng)故障對(duì)可靠性影響的重要度排序卻僅次于冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)。原因在于電氣子系統(tǒng)故障可能表現(xiàn)為其他子系統(tǒng)的故障模式，從而會(huì)影響其他子系統(tǒng)的故障對(duì)可靠性影響重要度排序，造成假象排序。從故障模式看，可靠性影響重要度排序最高的是面板開關(guān)失靈故障，線路斷路次之，頻率只有面板開關(guān)失靈故障一半左右。電氣短/斷路故障和面板開關(guān)失靈故障的重要度排序?yàn)殡姎庾酉到y(tǒng)故障的頭兩位。

結(jié)束語

隨著高速?zèng)_床結(jié)構(gòu)與原理技術(shù)的發(fā)展，高速精密沖壓應(yīng)用將更加廣泛，平時(shí)生產(chǎn)中要注意收集故障信息，豐富和完善高速?zèng)_床的故障樹，故障樹的完善也同樣是一個(gè)不斷修正的過程。故障數(shù)據(jù)的缺乏和不完善直接導(dǎo)致可靠性分析結(jié)果偏離真實(shí)，注重科學(xué)地收集和分析故障數(shù)據(jù)，對(duì)高速?zèng)_床創(chuàng)新設(shè)計(jì)意義重大。同時(shí)，可靠性分析結(jié)果還對(duì)高速?zèng)_床的可靠性預(yù)計(jì)、可靠性評(píng)估、可靠性分配等工作意義同樣重大。