“數控機床可靠性技術”專題（十五）早期故障消除技術

張根保 夏長江 婁金花

（重慶大學機械學院，重慶 400044）

1 引言

故障是產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態。而故障模式是故障的表現形式，如短路、開路、斷裂、過度耗損、軸的斷裂等。一般在研究產品的故障時往往是從產品的故障現象（即故障模式）入手，進而通過現象找出故障原因。大量的實踐表明，產品的故障可分為早期故障、偶然故障和損耗故障三類。對典型加工中心故障數據的統計分析，結果表明早期故障占產品壽命周期的一半以上。說明早期故障對數控機床的可靠性有著重大影響。早期故障解決不好，會造成國產數控機床的可靠性不足，從而影響用戶對國產機床信心，所以消除早期故障勢在必行。

2 早期故障的概念

在可靠性研究中，可以用故障率浴盆曲線（如圖1）來表示機床的故障率和時間之間的關系。利用浴盆曲線，可以較直觀地分辨出產品在壽命周期中各個階段出現故障的概率的大小。

按照浴盆曲線的形狀特征，可以將其分為三段：在最左邊的部分（0至t1）被稱為早期故障期，這段時期故障率隨著時間的增加迅速遞減，機床運行越來越穩定。這段時間內的故障主要是由于前期的工作沒有做到足夠詳細，例如產品設計失誤、零部件質量控制不嚴、裝配工藝缺陷、沒有足夠的“磨合”等造成的；曲線中間部分(t1至t2)被稱為偶然故障期，這段時期產品的故障率近似保持不變，這段時間的故障多是由于誤用、濫用、不恰當的維護保養、使用環境變化等偶然因素造成的；曲線的最右段(t2以后)為耗損故障期，這段時期故障率隨著時間的增加迅速遞增，主要原因與這個時期產品的大多數零部件已經達到設計的使用壽命，而且與零部件的腐蝕、老化、磨損和疲勞等有著密切的關系。

將早期故障定義為發生在產品早期故障期內，主要由設計、制造等過程的缺陷造成并且具有共性的故障。早期故障呈現出一些鮮明的特點：早期故障頻率高，所占比重大，故障間隔時間短，故障影響程度大，故障模式和故障原因比較集中。

早期故障的這些特點大大增加了主機廠的售后成本，影響用戶的生產效率，而且由于數控機床在早期故障期的性能是否穩定，是用戶從感性認識上判斷產品質量好壞的關鍵，早期故障頻繁無疑會在無形中損害產品市場形象。另一方面，由于早期故障又具有故障模式和故障原因比較集中的特點，易于從設計、制造等過程中對故障進行控制和改善。因此，盡可能在機床出廠前對早期故障進行消除是提升數控機床可靠性的重要途徑。

3 早期故障消除體系

早期故障消除技術按實施階段可劃分為故障信息收集、故障信息分析、可靠性試驗、故障消除4個階段。早期故障消除技術體系框架如圖2所示,其中實線代表早期故障消除技術實施流程,虛線代表信息傳遞關系。

（1）故障信息采集

實施早期故障消除技術的首要任務是全面采集機床功能特性狀態信息，例如機床故障信息、機床運行狀態信息、使用工況等。故障數據的收集應該具有周密的計劃。第一步，要進行需求分析，明確數據收集的內容及目的；第二步，確定數據收集點，如廠內試驗數據就選實驗室、產品生產檢測點等作為數據收集點；第三步，制定故障數據的收集表格如表1所示，根據需求制定所需內容的統一、規范化表格，便于計算機處理，也便于在企業內部各部門之間流通；第四步，要采用有效的數據收集方法，在建立了完善的數據收集系統之后，數據可以依其傳送的途徑，按正常流通渠道進行，當數據收集系統運行不完善時，可以派專人下到現場，按預先制定好的計劃進行。

（2）故障分析

收集產品的故障數據最終是要根據所提供的故障信息對產品進行改進，因此，分析故障數據得到引發故障的原因，為改進提供依據。

故障分析階段應涵蓋四部分內容：產品功能結構分析、結構應力均衡分析、故障樹分析（fault tree analysis,FTA）、故障模式影響及危害度分析（failure modes and effects analysis,FMECA）等。

分析產品故障原因和產生機理首先要進行產品功能級運動分析。將產品按照“譜系－功能－運動－動作”的順序進行分解，利用可靠性建模方法建立產品整機加工功能與動作實現的邏輯關系，從而實現從產品結構到功能運動的映射。FTA以故障事件作為頂事件，按照“從上到下”的原則進行原因分析，最終建立故障與設計、制造和使用過程中的缺陷的對應關系，從物理失效的角度研究故障的失效機理，從而有針對性地提出改進措施。FMECA的核心是對故障影響作出判斷并確定嚴酷度級別，分析潛在故障發生的物理參數類型并確定其檢測方法和判斷標準，以此作為可靠性試驗和仿真中的應力參數類型和水平的參考。

（3）可靠性試驗

可靠性試驗階段包括可靠性試驗方案設計、試驗建模與仿真、試驗監控及數據采集和試驗結果分析與評價四部分內容。

可靠性試驗就是與可靠性有關的試驗，簡單地說就是激發潛在故障的試驗。產品從開發到使用的各個階段，都會成為試驗的對象。通過故障數據的采集和故障分析的工作，可以充分了解產品的結構、功能、技術要求等基本信息，還得到了產品所有可能的潛在故障，并且得到了所有潛在故障對整個產品的危害度排序，因此可以根據對整個產品影響程度的不同，確定可靠性試驗的實施順序。

表1 故障采集表

通過可靠性試驗，可以激發出早期故障。獲得故障數據后，需要對早期故障進行定性分析，找出早期故障的原因；對故障數據進行定量分析，確定故障模型，進而可以對故障的發生進行預測，進而采取相應的措施進行消除。

（4）故障消除

故障消除應遵循PDCA循環的原理。試驗結果分析完成后，確定故障產生的具體原因和產生機理，在設計（結構設計、材料選擇、外購件選型）、制造（加工工藝、裝配工藝、工作環境）、使用維護（使用工況、操作技能、維護保養）等各方面在合適的時間點采取相應措施對故障的原因進行隔離，通過將故障原因反饋到設計和制造過程中消除早期故障，進而可以達到避免被迫停機造成重大損失、提高運行效率、縮減維修成本、提高產品固有可靠性的目的。故障消除之后要及時歸納整理故障產生部位、產生的根本原因、故障機理、詳細的解決措施以及達到的效果等，對以后的加工中心產品的設計、加工、裝配及試驗等環節進行指導。

4 早期故障期的定量化建模和分析

對機床浴盆曲線的早期故障期持續時間t1（如圖1）進行定量化分析，即要確定早期故障期和偶然故障期的轉折時間點，以便合理確定可靠性試驗時間、辨識早期故障。

文獻[1]應用兩重威布爾分段模型對早期故障期的持續時間進行了研究。兩重威布爾分段模型可靠度函數的表達式為

對于兩參數威布爾分段模型，我們可知t2＇就是其分段函數的分界點及時間轉折點，并且其可靠度函數與概率密度函數在其分界點處連續，則有：

對式（3）和（4）使用極大似然法對參數進行估計，可以得到t1，該時間點即為早期故障期與偶然故障期的拐點。通過上述方法可以確定早期故障期所持續的時間。確定浴盆曲線的關鍵拐點t1，在t1之前為早期故障期。確定早期故障期的拐點是進行早期故障消除的基礎。

5 早期故障的形成原因與消除方法

5.1 早期故障的形成原因

早期故障多發的現象往往體現在新產品中，主要原因是新產品往往采用了新材料、新工藝和新結構等新技術，還有配套這些技術所引進的新設備，而這些技術和設備要被企業所熟練掌握，需要一個過程，在這個過程中會出現新技術所帶來新的故障模式，這類故障大多出現在產品的使用初期，形成早期故障。

機床產品功能得以實現是由設計階段、加工階段、裝配階段、采購階段和使用階段共同作用的結果，其早期故障的形成亦與這些過程中存在的缺陷有關。表2是早期故障形成的階段和原因，可以看出早期故障主要反映的是新產品設計不合理、制造加工缺陷和裝配質量薄弱等問題，統計這些故障信息，加以分類，再針對性地分析改進，有利于提出相應的消除措施，通過可靠性試驗來驗證其有效性，從而提高產品的可靠性。圖3是各階段在早期故障的成因的比重圖。

表2 早期故障形成的階段和原因

5.2 早期故障消除方法

實踐表明，機床產品的設計和制造過程決定了機床的固有可靠性，在不同的階段，機床早期故障的成因也不同，相應的故障消除機理也將不同。表3為各階段早期故障消除方法。

表3 各階段早期故障消除方法

機床產品的早期故障的消除機理可以認為是以可靠性設計與分析技術、加工和裝配過程一致性控制技術為理論基礎，以可靠性試驗技術為激發手段，以可靠性管理技術為保障，通過提出和實施改進措施以達到消除設計和制造過程中存在的缺陷為目的的消除故障的過程。

6 案例分析

數控機床的早期故障消除可以先從其功能部件入手，然后再過渡到整機的早期故障消除。砂輪架子系統作為數控磨床關鍵功能部件，其工作性能好壞直接影響所加工零件質量高低，因此以MKS1632型號的數控外圓磨床的砂輪架子系統為研究案例，來闡述早期故障消除技術的實施應用流程。

6.1 數控磨床砂輪架子系統的功能結構分析

砂輪架子系統的主要功能包括：驅動砂輪以可接受的精度完成規定的運動軌跡。該系統由動力組件（01）、主軸組件（02）、進給組件（03）、砂輪組件（04）組成。依照國家軍用標準GJB/Z 1391－2006，結合產品的實際特性，進行砂輪架系統的層次劃分。初始約定層次為MKS16系列數控磨床，約定層次和對應的最低約定層次為由動力組件01（主軸驅動電動機、皮帶輪、皮帶罩殼、傳動皮帶）、主軸組件02（主軸、軸承組件、過濾元件、供油裝置）、進給組件03（絲杠螺母副、支撐組件、伺服電動機）、砂輪組件04（砂輪、砂輪修整器、砂輪防護罩、平衡塊）組成。

分析砂輪架子系統的組成，各組成部件對應的功能，建立其結構層次與功能層次對應關系。

6.2 砂輪架子系統的可靠性分析

（1）產品故障數據分析

收集到的可靠性相關信息，建立產品的故障數據庫。對故障數據進行分類整理，統計出產品發生故障時累積工作時間、各種故障模式的發生頻次和故障發生部位的頻次。接著針對確定的研究對象，即砂輪架子系統，分析其相對應的故障率概率密度分布，計算該分布函數的相關參數，逐步建立和完善基礎零部件故障率等基本可靠性數據，為可靠性預計和可靠性分配提供基礎數據支持，同時也為可靠性試驗的參數設定提供了參考依據。

（2）故障率浴盆曲線分析

對可靠性數據進行定量化分析，計算出砂輪架子系統的早期故障期持續時間，以作為可靠性試驗參數設置的依據，從而設計可靠性試驗來激發主機或功能部件的潛在故障。

（3）早期故障分析

通過對相似產品、可靠性試驗信息、用戶使用信息的統計分析以及專家工程經驗方面的分析，利用FMECA和FTA等可靠性分析工具，來確定砂輪架子系統的早期故障模式，并找出對應的故障原因。對砂輪架子系統進行FMECA分析可以得出，對應砂輪架子系統常見的故障模式有：傳動皮帶松動損壞、電機震動異響、主軸不轉、漏油、軸承損壞、主軸振動異響、砂輪轉速異常等。而其中電機故障、主軸不轉和主軸振動異響尤為嚴重，因此對這三種故障模式進行FTA故障樹分析。進而找到主要故障模式的故障原因，以便有針對性地提出改進建議。

①主軸部分為故障常發生部位，主要原因有潤滑油不干凈，長期未更換。在使用過程中應該定期維護、清洗油路、更換主軸油。

②電機安裝過程應當注意螺釘的擰緊力，裝配完要進行試運行，排除造成電機震動的原因。

③傳動皮帶作為外購件，需要對供應商進行考核評估，確保皮帶精度及制造一致性。在入場檢驗時需對皮帶松緊度進行試驗考評。需要更換皮帶時最好一次性全部更換。

6.3 砂輪架子系統的可靠性試驗方案設計和實施

進行可靠性強化試驗的目的在于采用加速應力高效地激發潛在故障，通過消除故障來提高產品的可靠性。按照圖4的流程來進行可靠性試驗，對于每一個環節再詳細地展開，同時實時監測記錄試驗數據。結合可靠性強化試驗收集的數據及環境應力篩選試驗與早期故障現場跟蹤試驗所得到的數據，進行統計分析，以綜合給出應對措施。

6.4 砂輪架子系統的改進措施

根據前面進行的砂輪架子系統的故障數據統計分析、FMECA分析、FTA分析及可靠性試驗分析結果，給出砂輪架子系統的關鍵故障的消除建議，并切實地加以改進，直至將其排除。改進后也可以再借助可靠性試驗來測試和對比改進前后的效果。

根據前面步驟的工作，給出相應的措施，如表4砂輪架子系統的早期故障消除建議表。依據早期故障消除管理體系，各職責部門根據該表對相應的部件的故障進行排除，最終達到產品出廠前早期故障已消除的目的，從而盡可能地將生產廠家和用戶的損失降低到最小程度。

7 結語

針對國產數控機床早期故障率高這一問題，本文對早期故障消除體系和技術進行了介紹，在論述早期故障概念的基礎上，建立了故障率浴盆曲線的數學模型，量化確定機床的早期故障期。通過識別早期故障期拐點和分析早期故障產生的原因，借助早期故障消除的技術體系，從故障收集、故障分析、可靠性試驗、故障消除階段4個方面論述了早期故障消除的方法。最后，給出一個具體的案例。

表4 砂輪架子系統早期故障消除建議表

[1]廖小波.機床故障率浴盆曲線定量化建模及應用研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[2]許智.加工中心及其功能部件可靠性技術研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[3]范秀君，許靜琳，張根保.數控機床早期故障消除技術[J].中國機械工程，2013，24（16）：2241-2247.