精密高速沖床的可靠性分析

文/高顯宏·遼寧省交通高等專科學校

精密高速沖床的可靠性分析

文/高顯宏·遼寧省交通高等專科學校

精密高速沖壓技術是集精密高速沖床技術、高精度模具技術、高品質板料技術、智能控制技術于一體化的高精技術。它具有生產效率高、產品精度高、互換性好等優點。采用精密高速沖床進行高速度、自動化連續沖壓是提高沖壓生產效率的有效途徑。目前，我國國產高速沖床的可靠性水平與國外發達工業國家相比還具有較大差距，而產品的可靠性將直接影響到產品的市場競爭力。因此，提高國產高速沖床的可靠性水平是應對當今激烈的市場競爭的當務之急。故障分析是實現高速沖床可靠性水平增長的重要環節，下面本文針對精密高速沖床的可靠性展開分析。

隨著技術的不斷進步，高速沖床日趨智能化和精密化，對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，國內高速沖床的可靠性研究基本處于起步階段。可靠性研究是以查找故障、分析故障，最終達到避免故障為目的。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）是分析產品所有可能的故障模式及其可能產生的影響，并按每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發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）兩個部分。隨著FMECA技術的發展，FMEA技術已經較為成熟，學術界對FMECA技術的研究主要集中在危害性分析部分。

高速沖床屬于復雜的機電一體化產品，為了正確的描述故障，準確定義故障發生的部位，理清影響系統可靠性的邏輯關系和組成部位，對高速沖床進行子系統的劃分尤其重要。

高速沖床子系統及組成

為了提高高速沖床的可靠性水平，找到有預見性的故障和避免故障的發生，必須在故障數據累積與經驗推斷的基礎上逐步建立高速沖床系統的故障樹，對高速沖床進行全面的故障分析。查清故障部位、故障模式及故障原因，統計出相應故障的出現頻次，同時，掌握高速沖床的故障發生規律和對可靠性影響的排序，為高速沖床進行可靠性設計提供依據。高速沖床子系統按功能和機械組成劃分情況見表1。

下面對高速沖床各子系統進行故障樹的影響因素分析。

表1 高速沖床子系統劃分情況

⑴分析傳動子系統故障樹的影響因素。高速沖床的傳動子系統機械部分主要由調速電機、傳動帶和飛輪組成。調速電機提供動力輸出和可調節的行程次數，飛輪和電機之間通過帶傳動實現動力的傳遞，輸出能量。

⑵分析制動離合子系統故障樹的影響因素。制動離合子系統主要由摩擦離合器和制動器組成。氣動干式摩擦離合制動器利用外部的壓縮空氣進入離合器氣缸，推動活塞移動，實現離合器摩擦片接合，產生摩擦力矩帶動曲軸轉動。制動時，離合器雙聯閥轉換氣路，離合器氣缸排氣，反向移動，實現與制動摩擦片接合，使曲軸迅速制動。離合制動器的摩擦力矩達不到要求，會使離合器打滑和加速摩擦片的磨損。

⑶分析滑塊子系統故障樹的影響因素。滑塊子系統由曲柄滑塊機構、滑塊平衡裝置、動平衡裝置、裝模調節裝置組成。曲柄滑塊機構將曲柄的回轉運動，轉化為滑塊的上下往復運動。滑塊平衡裝置是防止曲柄滑塊機構運動副之間反向受力而造成撞擊和噪聲。動平衡裝置是為抵消曲柄和滑塊運動的慣性帶來的振動對機床加工精度的影響。裝模調節裝置是為調節滑塊的裝模高度，由盤式電機通過鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動以及螺紋傳動實現導柱長度的變化。

⑷分析氣動子系統故障樹的影響因素。氣動子系統由主氣路、離合制動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，一路為離合制動器氣路，一路為平衡氣缸氣路，分別為離合制動器和平衡氣缸供氣。

⑸分析液壓夾鉗子系統故障樹的影響因素。液壓夾鉗子系統由氣動增壓泵提供裝模高度調節機構鎖緊所需的鎖緊力，由鎖緊壓力繼電器檢測泵出油壓的壓力值。

⑹分析冷卻潤滑子系統故障樹的影響因素。冷卻潤滑子系統由潤滑油泵、過濾器、壓力閥、分油器、油冷機組成。潤滑點包括滑塊的導柱導套、曲軸上的軸承組件、動平衡滑塊。當油壓超出規定區間時報警功能將被觸發，同時，油冷機也具有溫度檢測與報警功能。

⑺分析電氣子系統故障樹的影響因素。電氣子系統通過PLC實現對沖床其他子系統的電氣控制功能，包括滑塊寸動/單動/連動/急停轉換、行程次數調節、液壓夾鉗與氣動元件的控制、機床冷卻潤滑的啟停等控制功能。

高速沖床故障模式劃分和故障原因

為了明晰邏輯關系，故障模式和故障原因可按故障體現部位進行分類。故障體現模式可分為頂層故障、中間故障和基本故障。也就是說，按高速沖床子系統歸類故障體現就是頂層故障，子系統按組成部件歸類故障體現就是中間故障，按單一部件歸類故障體現就是基本故障。高速沖床的故障模式和故障原因見表2。

高速沖床故障模式分析

故障模式與故障樹分析相輔相成，可以對高速沖床故障發生的頻次大小和概率進行排序。從高速沖壓生產來看，高速沖床的子系統頂層故障，按發生的頻次和概率排序由高到低依次為冷卻潤滑子系統、氣動子系統、傳動子系統、液壓夾鉗子系統、制動離合子系統、滑塊子系統和電氣子系統。冷卻潤滑子系統故障最為頻繁，主要表現為油冷裝置和潤滑油泵失靈、油管及接頭漏油。氣動子系統故障模式主要為氣管和管接頭漏氣。液壓夾鉗子系統故障模式主要表現是液壓油滲漏和液壓油臟造成液壓閥閥口的堵塞。制動離合子系統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的斷裂。摩擦片間隙調整不當致使零部件損壞，導致離合器的失效故障最為多發。傳動子系統故障模式是零部件損壞和定位精度不準，主要原因是介質油、氣滲漏。高速沖床定位精度超差故障是表象，實質是零部件損壞和介質管路故障。滑塊子系統故障模式是滑塊不在上死點最多、緊固件松動次之。

高速沖床故障類型與模式見表3。

表2 高速沖床的故障體現模式和故障原因

高速沖床可靠性保障方向

故障分析就是要找出影響高速沖床可靠性的系統和組件故障趨勢，為提高沖床可靠性提供保障。經過故障分析，得出了高速沖床子系統故障的頻次和概率排序、故障頻發部位與模式、故障模式等的分析結果，為可靠性設計與子系統改進和匹配提供了試驗和理論依據。

冷卻潤滑子系統可靠性保障方向

冷卻潤滑子系統在高速沖床子系統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，對高速沖床可靠性影響最大。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。潤滑系統管路和接頭漏油頻次和概率排序最高，導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計結果，冷卻潤滑子系統可靠性設計和改進就有了明確的方向。

氣動子系統可靠性保障方向

氣動子系統的故障模式主要為滲漏故障，對可靠性影響重要度排序非常高。對于油、氣介質滲漏故障，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。

傳動子系統可靠性保障方向

傳動子系統故障主要體現為介質滲漏，對可靠性影響重要度排序最高，頻率幾乎占到整個子系統故障1/2左右。介質滲漏故障主要集中在旋轉接頭漏氣故障，可見傳動子系統的氣路對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。

液壓夾鉗子系統可靠性保障方向

液壓鎖緊子系統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，致使油泵工作環境惡劣，導致零部件損壞。而油泵損壞故障又主要集中在增壓泵單元上。

制動離合子系統可靠性保障方向

制動離合子系統的故障模式主要是運動部件間隙不當故障，占整個子系統故障的1/4左右。運動部件間隙不當故障主要表現為摩擦片間隙不當，設計高速沖床時，摩擦片間隙的給定只是經驗問題。摩擦片間隙不當導致的零部件損壞主要體現為摩擦片和固定螺釘的斷裂。

滑塊子系統可靠性保障方向

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

表3 故障類型與模式

電氣子系統可靠性保障方向

電氣子系統故障極少，但經高速沖床故障樹分析，電氣子系統故障對可靠性影響的重要度排序卻僅次于冷卻潤滑子系統。原因在于電氣子系統故障可能表現為其他子系統的故障模式，從而會影響其他子系統的故障對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失靈故障，線路斷路次之，頻率只有面板開關失靈故障一半左右。電氣短/斷路故障和面板開關失靈故障的重要度排序為電氣子系統故障的頭兩位。

結束語

隨著高速沖床結構與原理技術的發展，高速精密沖壓應用將更加廣泛，平時生產中要注意收集故障信息，豐富和完善高速沖床的故障樹，故障樹的完善也同樣是一個不斷修正的過程。故障數據的缺乏和不完善直接導致可靠性分析結果偏離真實，注重科學地收集和分析故障數據，對高速沖床創新設計意義重大。同時，可靠性分析結果還對高速沖床的可靠性預計、可靠性評估、可靠性分配等工作意義同樣重大。