王超，唐宗健，邱式岳

PCR輪胎成型機故障控制與穩(wěn)定性工程

王超，唐宗健，邱式岳

（中策橡膠集團有限公司，浙江杭州310000）

該文通過對輪胎成型機整個生命周期中部分關鍵要素進行分析，對如何提升成型機可靠性提出了粗略的意見和具體的方法。旨在從設計之初就對成型機可靠性有全面的認識，把握關鍵要素和重點環(huán)節(jié)，無論是設備供應商，還是輪胎生產(chǎn)商，在控制有限成本的同時，都能找到行之有效的措施提高設備可靠性。

可靠性；輪胎成型機；非標設備；機械設計要素；生產(chǎn)過程；備件；可維護性；橡膠機械

1 輪胎成型機的可靠性

所謂可靠性，即是指產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力。從這個定義我們不難得出，輪胎成型機的可靠性也就是在規(guī)定的時間，設備生產(chǎn)輪胎的能力，如平均每天生產(chǎn)輪胎的條數(shù)。例如，全鋼三鼓成型機作為一種典型的載重子午胎成型設備，國內輪胎生產(chǎn)商都有廣泛使用，而每天生產(chǎn)輪胎數(shù)量大多集中在300～600條之間。

設備的可靠性與規(guī)定的時間有關系。隨著時間的增長，產(chǎn)品的可靠性一般是下降的，成型機也不例外，成型機設備的壽命一般要求至少在10年以上。同時，設備的可靠性與規(guī)定的功能密切相關。

2 輪胎成型機簡介及性能指標

輪胎成型機作為以機械結構為主導的大型非標準化機電綜合設備，零件種類繁多，客戶需求各異，無論從設計、加工制造或調試安裝方面來講都極為復雜。在整個輪胎成型工藝過程中，輪胎成型機無疑是關乎輪胎質量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本的核心設備。

以下將重點圍繞輪胎成型機，從設計加工及整個生產(chǎn)過程對可靠性控制要點來進行闡述，目的在于了解如何提高系統(tǒng)可靠性。通過關鍵元素和環(huán)節(jié)的分析，合理分配可靠度，降低成本。

輪胎成型機生產(chǎn)過程，就目前國內成型機來看，輪胎工藝的研究主要由輪胎制造商完成，輪胎設備供應商必須依靠輪胎生產(chǎn)商提出的工藝要求，實現(xiàn)其功能要求。就筆者的經(jīng)驗來看，輪胎廠商對成型機的性能一般通過以下幾個指標來衡量。

（1）循環(huán)時間：即單條輪胎成型所需要的時間。當然，此時間越短，說明效率越高。循環(huán)時間是控制和機械結構配合的結果，從根本上說是一個理論參數(shù)，從設計階段就基本確定。然而在設備漫長的生命周期中很難保證其穩(wěn)定，因此僅靠此標準來評估設備具有相當?shù)木窒扌浴?/p>

（2）換規(guī)格時間：眾所周知，一般成型機都要求具備生產(chǎn)4種以上尺寸及多種規(guī)格輪胎的能力。隨著市場需求的多樣性，設備對不同規(guī)格輪胎之間的更換就顯得非常重要，有些設備可能一天之內就會出現(xiàn)多次的規(guī)格調節(jié)更換。所以縮短換規(guī)格時間也成為提高設備效率的關鍵因素。

（3）換料時間：即半成品料及工裝的更換時間。換料時間本身屬于操作時間，在設備設計中對人機工學的考慮以及提高自動化都會減少換料時間，提高輪胎生產(chǎn)效率。

（4）穩(wěn)定性：如過程能力指數(shù)（Process Capability Index，CP值），也稱工序能力指數(shù)，是指工序在一定時間里，處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實際加工能力。一般通過貼合、定中、接頭質量等數(shù)據(jù)進行抽樣統(tǒng)計分析來判定。CP值直接關系到設備的廢胎率。

（5）可靠性：作為設備的綜合性能指標，越來越受到更多高端輪胎生產(chǎn)商的關注，其中如“平均無故障工作時間（也稱平均故障間隔，Mean Time Between Failures，MTBF）”、“平均修復時間（MeanTime To Repair，MTTR）”、“停機時間（Downtime）”等參數(shù)都在技術協(xié)議中有明確要求。

3 輪胎成型機可靠性評估指標

MTBF指一次故障發(fā)生后到下一次故障發(fā)生之前無故障工作時間的平均值。

MTTR是指可修復產(chǎn)品的平均修復時間，就是從出現(xiàn)故障到修復完成中間的這段時間，MTTR越短表示易恢復性越好。

下面以30組某品牌半鋼二次法成型機設備故障停臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)來進行計算，半鋼二次法成型機分為一段成型機和二段成型機，為串聯(lián)工作，其中1個發(fā)生失效，該組成型機就會出現(xiàn)生產(chǎn)脫節(jié)影響，共30組成型機，按每年計劃運行330天，每日運行24 h，統(tǒng)計得到1年設備故障停機時間累計共2 039 h，故障次數(shù)1 669次（此處也作為修復次數(shù)）。

整機可靠性指標用平均故障間隔時間表示：

式中，MTBF為整機的平均無故障工作時間，h；Tn為第n臺被試整機的累計工作時間，h；rn為被試整機在試驗期間出現(xiàn)的故障總數(shù)。

則MTBF=（330 d/組×24 h/d×30組-2039 h）/1669次=141.139 h/次。

平均修復時間其觀測值是修復時間T的總和與修復次數(shù)之比：

式中，Tn為第n次修復時間；n為修復次數(shù)。

則MTTR=2039 h/1669次=1.2217 h/次。

4 全生命周期的可靠性提升方法

4.1 輪胎成型機生命周期

輪胎成型機的整個生命周期一般分為以下幾個階段：

（1）方案及圖紙設計；（2）零部件加工與采購；（3）安裝調試；（4）包裝運輸；（5）客戶現(xiàn)場安裝調試；（6）正常生產(chǎn)；（7）設備改造；（8）報廢。

4.2 設計階段的可靠性控制

4.2.1 設計失效模式及后果分析

在產(chǎn)品開發(fā)設計階段，設計失效模式及后果分析（Design Failure Mode and Effects Analysis，DFEMA）是一種常用的可靠性設計的重要方法，旨在產(chǎn)品設計開發(fā)時,充分考慮到產(chǎn)品在生產(chǎn)、運輸和使用過程中所涉及到的困難及問題，將所有可能出現(xiàn)的因素納入預防范圍，提前做好預防措施及解決方案。DFEMA作為一種比較成熟的可靠性實施方法變得非常流行，而且在很多高端領域，如航天和電子，已經(jīng)得到有效的運用。

4.2.2 設計評審

設計評審的目的是盡可能早的在開發(fā)階段確認評審中發(fā)現(xiàn)的問題因素和工藝會不會造成最終產(chǎn)品質量偏差。設計評審需要盡可能多地從生產(chǎn)廠家收集現(xiàn)場生產(chǎn)過程中遇到的問題反饋，與生產(chǎn)廠家技術溝通?，F(xiàn)在較多設備供應商的機型由輪胎生產(chǎn)商安裝完成后，某些部件因生產(chǎn)穩(wěn)定性欠佳或不能滿足工藝要求，生產(chǎn)廠家就會自行進行改造，一些成型機原設計部件就會被直接取消或閑置，造成浪費成本。設備供應商在生產(chǎn)現(xiàn)場的需求方面輸入不足，會造成設計評審不夠接地氣。

4.2.3 失效試驗

失效試驗可以說是提高設備可靠性的一個必要并且有效的手段，尤其在某些自動化功能的實現(xiàn)上。輪胎生產(chǎn)車間，各種半成品料的工裝由于長期使用，在物流牽引車運輸及上料過程中會有不同程度的變形或磨損，如胎面工裝車卡盤變形，會造成工裝難裝或裝不到位，卷取時工裝擺動存在安全隱患等，從而影響成型機的可靠生產(chǎn)。

4.2.4 問題表分析

一種有效的方法，是將輪胎設備整個過程中的所有問題進行統(tǒng)計分析，從設計到各個生產(chǎn)過稱中對成型機項目舉例。

表1和表2是對1臺新研發(fā)成型機在客戶現(xiàn)場暴露問題表的分析舉例，共377條問題。其中，表1從客戶需求的角度進行分析，包含設備的安全、可靠性、可操作性、可維護性及功能性5個方面；表2從成型機設計制造過程的角度進行分析，包含了設計缺陷、加工/安裝/運輸、電氣、氣動管線和控制程序5個方面。

表1 按需求向問題分類匯總

表2 按過程向問題分類匯總

繼而通過表1和表2的分析結果，設計團隊就可以制定出系列的檢查清單。通過這些檢查清單，項目可靠性團隊就需要組織全面可靠性評估工作，持續(xù)到設備后續(xù)的加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)。并且這些評估結果又必須要反饋到設備的源頭及設計端，形成一個全閉環(huán)的問題解決流程。

4.3 零部件加工與采購

零部件需完整齊全，質量符合要求。對材料而言，加工質量需符合要求。

4.4 安裝調試

4.4.1 裝配、校準，杜絕找正不合格

裝配部門出具標準文件和管理過程，制定標準化作業(yè)指導書，組織培訓，保證安裝人員技術水準，并配置專用工具，如扭矩扳手等。安裝調試設備階段裝配、校準、找正不良會對后期批量生產(chǎn)階段的產(chǎn)品質量造成不良影響，對設備后期調試帶來很大的困難，影響設備穩(wěn)定性。

4.4.2 電氣及氣動元件安裝

（1）標準針對問題，裝配部門出具標準文件和管理過程措施；（2）提前培訓，保證安裝人員技術水準；（3）電氣及氣動元件安裝，走線標準，電氣安裝人員培訓；（4）配置專用工具，如萬用表、氣管鉗。

4.4.3 標簽

設備各類按鍵儀表等準確標示，并與圖紙資料保持一致。標簽清晰，不易磨損，便于設備維修改進。

4.4.4 圖紙資料

圖紙資料內容齊全，與設備實物保持一致，建立目錄便于查詢，為設備維修、技改做支持。

4.4.5 程序注釋，報警

資料內容齊全，與設備實際應用保持一致，建立目錄便于查詢，為設備維修、技改做支持。

4.5 設備維護

4.5.1 可維護性評估

4.5.1.1 設備故障記錄分析管理

形成維修記錄→登記臺賬→分類匯總→確定整改內容→對策表→驗證閉環(huán)的一系列設備管理體系。維修記錄主要包括：設備名稱及編號、故障現(xiàn)象、故障原因、解決方法（如有更換元件的需要具體規(guī)格型號）、維修時間以及維修人等。維修記錄需登記入臺賬或MES等有相關功能的系統(tǒng)軟件，定期對臺賬中的維修記錄進行分類匯總，根據(jù)一定標準（如故障率、維修時長）確定專項整改內容，成立專項小組攻關，輸出對策表，對整改對策效果進行驗證，形成有效閉環(huán)。例如，根據(jù)30組某品牌半鋼二次法成型機設備故障停臺維修記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到全年故障停機累計1 669次，分類匯總后發(fā)現(xiàn)其中膠囊相關故障共計237次，全年故障占比14.2%，主要故障原因為更換膠囊，維修時間0.5～1.5 h之間不等。成立專項小組，確定以更換膠囊故障為整改內容，得出解決此類問題的對策有：①提高膠囊使用壽命，減少故障發(fā)生頻率；②根據(jù)現(xiàn)場實際更換膠囊步驟，進行分解、優(yōu)化，制定更換膠囊的標準化作業(yè)指導書，使用便捷工具，提高維修效率及質量，減少不同人員維修引起的維修時間差異；③對對策進行有效性驗證。4.5.1.2建立設備維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫

建立設備維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫可為提高保養(yǎng)人員的工作能力，縮短維修所需時間，提供有效數(shù)據(jù)及技術支持。當維修設備遇到自己未遇到過的故障時，即可查詢設備維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，看是否有其他維修人員已經(jīng)遇到并解決過該故障。若有記錄則可以作為參考進行維修；若沒有記錄，則完成該次故障維修后需將該次故障現(xiàn)象、故障原因、故障解決方法及維修經(jīng)驗心得等進行詳細記錄并錄入經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，為以后其他維修人員修理該故障提供維修數(shù)據(jù)。

建立設備維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫首先要有數(shù)據(jù)輸入，需要從平時的設備故障數(shù)據(jù)收集得來。后期還可根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫制定標準化維修/檢修作業(yè)指導書。對平時設備維修/檢修提供技術支持。如表3和表4為目前我部門減速機聯(lián)軸器的拆卸及安裝試行標準部分內容。

表3 聯(lián)軸器拆卸及安裝操作工序

表4 聯(lián)軸器安裝過程主要安裝控制要求

4.5.2 文檔

（1）設備檔案、檢修及驗收記錄齊全；（2）設備時間和累計運轉時間有統(tǒng)計記錄；（3）設備易損配件有圖紙；（4）設備操作規(guī)程、檢修規(guī)程、維護保養(yǎng)規(guī)程齊全。

4.5.3 備件

建立易損件清單和重要備件清單，借助ERP等系統(tǒng)管理備件最大最小庫存量。計劃檢修提前準備檢修備件，保證設備檢修順利進行。

4.5.4 電氣線路

使用專用工具，如熱成像儀，對電氣元件及線路進行定期檢查，尤其是夏季高溫天氣，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。

4.5.5 工裝管理

若工裝車存在聯(lián)軸器變形，中心不正，會造成成型機上固定軸承座拉壞和導軌螺絲拉斷的現(xiàn)象。加強工裝管理，使用校驗平臺，對工裝車定期校驗，不良工裝立即停用修理。

4.5.6 潤滑

嚴格執(zhí)行潤滑“5定”：定點、定質、定量、定期、定人，按照潤滑規(guī)則執(zhí)行。如某半鋼二次法成型機各段潤滑規(guī)則如表5和表6所示。

主軸后軸承潤滑脂ZG-3適量15主軸前軸承潤滑脂ZG-3適量15主軸后銅套機械油N32適量1主軸中銅套機械油N32適量1主軸前銅套機械油N32適量1指形片伸出機械油N32適量1正包裝置機械油N32適量1左側后桿機械油N32適量1左側前桿機械油N32適量1

表6 第二段成型機潤滑規(guī)則

第一、二段成型機各減速器均采用90號工業(yè)齒輪油，或按生產(chǎn)廠家標準第1次加油運轉1星期更換新油以后按表中規(guī)定執(zhí)行。在現(xiàn)場發(fā)生的設備故障中，其中由潤滑不到位引起的占比較大，主要為軸承失油后導致軸承磨損，導致成型機設備輥筒振動異響，送料跑偏，影響產(chǎn)品質量，甚至帶來嚴重的安全隱患。可見設備潤滑保養(yǎng)工作是成型機穩(wěn)定性的基礎保障。

4.5.7 設備點檢

建立設備點檢制度是保證設備系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的保證。

設備點檢制度是以設備點檢為中心的設備管理體制。點檢體系由5個方面組成：崗位操作者的班前點檢、保養(yǎng)工的定期點檢及精密點檢、技術人員的技術診斷和傾向性診斷、保養(yǎng)工及技術人員的精度測試檢查，具體見表7和圖1。

表7 設備點檢職責表

圖1 設備維修保養(yǎng)過程示意圖

設備點檢由操作者、保養(yǎng)工、專業(yè)技術人員、管理人員等“全員”的力量完成，在不同專業(yè)和不同階段協(xié)調于同一目標下，使這些各類專業(yè)技術的各個層次的人相互配合、協(xié)調，形成完善有效的設備管理體系。

4.5.8 現(xiàn)場檢查

積極開展設備管理工作，加強現(xiàn)場專項檢查，在保養(yǎng)組中推行設備安全班組自主檢查體系，組員自查互查，組長巡查，管理人員督查，并納入考核。通過地毯式的自查互查，多視角的檢查覆蓋整個設備生產(chǎn)線。表8為保養(yǎng)組自查自糾指標，圖2為保養(yǎng)組內部通過微信公布檢查問題。

保養(yǎng)組自查自糾活動開展后，設備故障率有一定程度的下降，月中夜班加班數(shù)同步下降。其中，成型機故障率趨勢圖如圖3所示。

表8 保養(yǎng)組自查自糾指標

圖2 保養(yǎng)組微信公布檢查問題

4.6 設備改造

隨著設備的運行生產(chǎn)，為了滿足生產(chǎn)、安全和工藝要求，需要對設備進行必要與合理性的改造，包括電氣控制與機械設計，以大大提高設備的可靠性。

圖3 成型機故障率趨勢圖

4.6.1 電氣控制

比如二次成型機，胎面貼合過程中需要控制胎面的拉伸量，這就需要電氣控制胎面皮帶與貼合速度的匹配。改變運行模式后，結果分別見圖4，圖5和圖6。

圖4 胎面皮帶運行速度模式

圖5 胎面皮帶貼合控制塊

圖6 貼合鼓貼合控制

由圖4，圖5和圖6可知，只需要控制皮帶與鼓起始加速過程中速度的匹配，就能達到降低胎面貼合過程中的拉伸量，減少輪胎均動影響，減少了因胎面拉伸造成設備停臺調整的時間，設備穩(wěn)定性得到保障。

再比如為了提高生產(chǎn)效率，減少操作人員不必要的等待時間，提高設備運行的節(jié)拍，需要優(yōu)化各個動作時間。以內襯裁刀為例，圖7給出了內襯裁刀的動作時間。

圖7 內襯裁刀動作時間

如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在保證設備壽命的前提下，有很多時間可以優(yōu)化，比如可以減少T143、T145和T146之類的K值時間設置，減少動作延遲時間，提高生產(chǎn)效率。

再比如為了提高安全生產(chǎn)方面的可靠性，需要增加各方位安全保護，可以對安全光柵復位程序進行修改，具體見圖8。

圖8 安全光柵復位修改

如圖8所示，工位安全光柵（X11DA）需要員工手動切換，確認安全后才能復位（X131A），繼續(xù)生產(chǎn)。

4.6.2 機械設計

原成型機下壓輥采用的是氣缸和燕尾槽的形式，在長時間使用后燕尾槽極易損壞造成下壓輥不同步和左右不對稱的問題。因燕尾槽和導桿硬磨，在磨損后就無法使用且使用壽命不長。圖9給出了原成型機采用的燕尾槽形式圖[其中，（a）圖為俯視圖，（b）圖為側面圖]。

現(xiàn)更改下壓輥整體結構，去除燕尾槽，采用2根導向桿和銅套的形式，解決了下壓輥左右晃動的問題，具體見圖10。在磨損后只需要更換銅套即可，每月減少維修時間20 h。維修費用較之前有很大減少，每年減少備件約1萬元，設備穩(wěn)定性提升。

圖9 原成型機采用的燕尾槽形式圖

圖10 更改后的下壓輥整體結構

5 可靠性關鍵設計要素分析

5.1 成型機關鍵設計要素

表9中列出了輪胎成型機系統(tǒng)可靠性需要重點考慮的關鍵設計要素，每種要素對應多種零部件或功能或機械結構。從設計環(huán)節(jié)開始，這些要素必須得到重點關注，從標準化，零部件設計，加工裝配，質量檢驗和評估等各個環(huán)節(jié)進行全方位控制。下文將對其中的一些要素進行進一步說明。

5.2 緊固件

對于輪胎成型機這樣規(guī)模的機電設備來說，緊固件種類繁多，數(shù)量巨大，要避免由于緊固件造成可靠性風險本身是一項巨大的工程。

表9 成型機關鍵設計要素

緊固件失效表現(xiàn)形式無非2種：螺栓斷裂和螺栓松動。而造成這2種失效的原因則是多種多樣的，幾乎涉及到產(chǎn)品生命周期的每個階段。至少有以下5種模式：

（1）緊固件質量不合格；（2）絲孔質量不達標；（3）沒有有效的防松；（4）螺釘螺栓過度承載或受大的剪切力；（5）螺栓的裝配式，預緊力不符合標準。

針對上述失效模式，提高可靠性的方法有：①對緊固件供應商進行質量評估，從合格供應商處采購緊固件；②質量相關部門對絲孔制定檢驗標準，進行質檢；③根據(jù)需要選用有效的防松方法，如彈簧墊片防松、槽型螺母和開口銷防松、螺紋膠粘合防松以及防松墊圈等；④改善結構設計，減少應力集中或避免過大的剪切力；⑤對員工進行培訓，使用扭矩扳手，保證預緊力符合標準。

5.3 潤滑和密封

旋轉密封作為成型機的核心技術要點，一般來說，鼓的轉速直接決定了成型機循環(huán)時間和生產(chǎn)效率。僅憑這一項就能看出國內外成型技術的差距。以全鋼三鼓成型機為例，國內成型鼓轉速通常為120 r/min，旋轉密封更換周期不到1年，而國外先進的輪胎制造商已經(jīng)達到250 r/min以上，旋轉密封更換周期至少18個月以上。

6 總結

以上通過對輪胎成型機整個生命周期中部分關鍵要素進分析，對如何提升成型機可靠性提出了粗略的意見和具體的方法。旨在從設計之初就對成型機可靠性有全面的認識，把握關鍵要素和重點環(huán)節(jié)，無論是設備供應商，還是輪胎生產(chǎn)商，在控制有限成本的同時，都能找到行之有效的措施提高設備可靠性。

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.02.011

2017-04-28