可靠性工程之方法因素分析與控制（上）*

張根保 馮旭克

（重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

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可靠性工程之方法因素分析與控制（上）*

張根保：重慶大學教授，機械制造專業(yè)博士生導師，機械設計制造研究所所長。

張根保 馮旭克

（重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

在影響產品質量和可靠性的“人機料法環(huán)測”六因素中，工作方法貫穿于產品設計、制造和管理的全過程，是影響產品質量和可靠性最重要的因素。本文介紹了可靠性工程中工作方法的相關概念及其分類，然后詳細分析了技術類方法（設計方法、加工方法、裝配方法和試驗方法等）和管理類方法（質量管理方法、質量檢驗方法、現場管理方法等）對機床可靠性的影響，為后續(xù)的可靠性工程工作方法因素控制奠定基礎。

方法；質量；可靠性；機床

1 工作方法相關概念

影響產品質量和可靠性主要有6個因素：人員（man/ manpower）、機器（machine）、材料（material）、工作方法（method）、環(huán)境（environment）和測量（measurement），簡稱為5M1E。其中，工作方法起著重要的作用。王元軍對影響加工中心可靠性的機器、工作方法和測量3個因素進行了分析，并且針對這3種因素提出了提高加工中心可靠性的改進方案[1]；趙昌龍為了提高高速加工中心的加工精度，從環(huán)境和工作方法方面進行分析，利用熱誤差補償的相關理論和方法對高速加工中心主軸及刀具系統(tǒng)的熱誤差進行了研究[2]；翟怡等利用“5M1E”過程管理方法，采取“由下至上”與“由上至下”相結合的識別模式對航天器產品自動點火過程的共性質量問題進行了分析研究[3]。以上研究工作對工作方法的分析都不夠細致，造成機床企業(yè)缺乏精細化工作方法因素分析和控制的應用技術和手段。本文專門對影響可靠性的5M1E中的工作方法因素進行比較深入系統(tǒng)的研究。

2 工作方法的分類

所謂的方法是指在產品壽命周期中涉及到的各種技術和管理方法，包括管理制度、工藝文件、設計規(guī)范、操作規(guī)范等，各種方法的合理制定和規(guī)范應用是提高產品可靠性的關鍵。一般講，工作方法可以分為技術方面的方法和管理方面的方法兩大類：技術類方法是機床在設計、制造過程中所利用的與可靠性保障相關的各種工藝、標準、規(guī)范等方法的總稱，如產品設計規(guī)范、可靠性分析方法、產品技術設計評審方法、過程文件及工作圖紙設計、加工工藝、裝配工藝、作業(yè)指導書、檢驗標準、檢驗方法、可靠性和性能試驗規(guī)范等；管理類方法則是指用來實現可靠性管理目的而運用的手段、方式、途徑和程序等的總稱[4]，包括標準化工作管理、管理標準編寫的一般規(guī)定、企業(yè)管理標準的管理、產品設計和開發(fā)工作管理、產品設計和開發(fā)工作程序、工藝文件管理、產品工藝工作程序、工藝文件編校審批管理、工藝文件修改、物資供應計劃管理、物資訂貨采購管理、物資訂貨合同管理、物資驗收入庫管理、試驗管理規(guī)范、檢驗和試驗狀態(tài)標識的補充規(guī)定、現場管理標準、定置管理標準、質量信息管理、質量改進管理辦法、計量器具管理、庫存管理、過程檢驗、原材料檢驗、成品檢驗管理規(guī)定等。方法的作用是幫助解決員工“應該做什么”、“怎樣做”以及“怎樣做得更好”的問題。機床制造企業(yè)提高產品可靠性的關鍵要素之一就是要對工作方法進行合理的策劃、長效的應用和嚴格的控制。

工作方法的技術類方法分類按照設計、加工、裝配和試驗再進行分類，如表1所示。而管理類方法的分類一般較為復雜，少則幾十種管理方法，多則上百種。通過對企業(yè)的ISO9000質量體系程序文件、質量手冊和管理標準匯編的綜合分析，可將管理類方法依照管理總則、設計流程管理、加工裝配文件管理、物資采購流程管理、試驗管理和質量管理再進行分類，如表2所示。

3 工作方法對機床產品質量和可靠性的影響

表1和表2中的技術類方法和管理類方法都會直接或者間接地影響機床的質量和可靠性。由于企業(yè)應用到的工作方法種類太多又有很多差異，對每種工作方法都進行具體分析針對性不強。所以本節(jié)從技術類方法和管理類方法兩個角度對質量和可靠性的影響進行分析。技術類方法按設計、加工、裝配和試驗進行分析，管理類方法就規(guī)范的完整性和科學性，執(zhí)行的嚴格性對質量和可靠性的影響來進行分析。

3.1 技術類方法對可靠性的影響

（1）設計方法對可靠性的影響

設計是產品可靠性的源頭[5]，機床在設計階段應用到的技術類方法很多，如表1中的生產圖紙、產品設計規(guī)范和流程及設計階段用到的各種相關可靠性分析方法（如FTA和FMEA分析）等。而產品的理論可靠性一般在設計階段就確定了，其后通過加工、裝配及試驗來實現產品的固有可靠性，所以設計類方法對機床產品的質量和可靠性有決定性的影響。例如，機床產品設計規(guī)范（或設計流程）[6]是確定機床的設計步驟和內容，使設計人員按照一定的要求規(guī)范化的開展產品設計工作。如果企業(yè)沒有嚴格的設計規(guī)范，就會發(fā)生新舊標準的交叉應用（特別是新舊公差標準）、缺失必要的設計分析內容（承載能力分析、運動分析、動力學分析、剛度強度分析、熱均衡分析、應力均衡分析、匹配性分析等）、對關鍵零部件的選型缺乏周到考慮、選擇的材料沒有可靠的試驗數據、技術要求確定的不合理、沒有進行嚴格的可靠性評審等，會對產品的可靠性和制造過程帶來嚴重后果。再比如，可靠性設計對保證產品可靠性極端重要，涉及的技術很多，如FTA分析、FMEA分析、可靠性建模、可靠性分配和預計、可靠性設計準則的建立和應用等，缺失任何一項技術或技術應用不到位，都無法保證產品的可靠性。因此，企業(yè)必須建立完善的可靠性設計體系，明確可靠性設計的內容和流程，確保重要環(huán)節(jié)都要得到保障。

表1 技術類方法分類

表2 管理類方法分類

表3 工序能力等級評定表

（2）加工方法對可靠性的影響

加工方法對機床產品的質量和可靠性的影響主要體現在加工工藝編制和工藝參數選擇上。加工工藝編制是指利用科學的方法，按照圖紙的圖樣尺寸和技術要求，將毛坯變?yōu)楹细窳慵娜^程，包括工藝流程和工藝卡片（工藝參數體現在工藝卡片中）。加工工藝包括各種冷加工工藝（車、銑、鉆、磨、鏜等）、熱加工工藝（鑄、鍛、焊、熱處理）和清潔去毛刺工藝。加工工藝在很大程度上決定了零件的加工精度、表面質量和加工一致性，工藝有缺陷或者不合格可直接導致零部件的質量缺陷，間接的對機床的質量和可靠性產生影響。

在加工工藝制定中，對工序能力進行評估是檢驗加工工藝質量的有效途徑。工序能力指數越大，說明工序能力越能滿足加工精度的要求，加工的零件一致性越好。通常以質量標準（T）與工序能力（B）的比值來衡量，記為Cp。

工序能力的等級評定如下表所示：

在計量值為雙側公差且分布中心和標準中心不重合的情況下，此時令ε=|M-μ|，這里ε為實際分布中心對標準中心M的絕對偏移量。將ε對T/2的比值稱為相對偏移量或偏移系數，記作K，即：此時的實際工序能力指數Cpk為：

表4是某機床附件廠生產的某產品的重要加工工序進行能力分析的結果。

表4 工序能力指數統(tǒng)計表

由表4可知，大部分工序能力不足，會造成大量的廢次品，企業(yè)應采取措施改善，例如可采取設備自動補償或砂輪自動調整來減小偏移量進而提高工序能力指數等，最終優(yōu)化了加工工藝，使得零件的加工精度得以保障。

（3）裝配方法對可靠性的影響

裝配是將零部件組裝成產品的全過程。裝配工藝是規(guī)定產品或部件裝配工藝規(guī)程和操作方法等的工藝文件，一般包括產品的裝配序列、裝配路徑、裝配順序、裝配操作方法、檢驗方法、裝配環(huán)境等。裝配方法對機床產品的質量和可靠性具有非常大的影響，例如，如果在裝配工藝文件中沒有確定必要的中間檢驗內容，在全部裝配完成再檢驗，就不會發(fā)現中間環(huán)節(jié)的缺陷，造成產品的潛在故障。再例如，不合理的裝配順序可能會帶來潛在故障。再例如，裝配中野蠻操作和環(huán)境清潔度不夠，也會造成產品的潛在故障。因此，在裝配工藝文件中必須明確所有裝配操作內容，如螺栓的擰緊順序對精度、變形都有很大影響，如果不明確緊固螺栓的擰緊順序或不嚴格執(zhí)行正確擰緊順序，就會嚴重影響裝配質量。在圖1的兩種擰緊工藝順序中，右圖可保證螺釘受力均勻，再配合以分幾次擰緊，可使兩連接件基本保持自然貼合狀態(tài)，而左圖的擰緊順序則會產生額外的變形，螺栓的受力也不均勻。事實上，裝配擰緊順序則是鉗工操作的基本知識，除了特別重要的環(huán)節(jié)，一般不需要在工藝文件中明確，但需要裝配工人嚴格按照規(guī)范進行擰緊。

緊固螺栓的擰緊力矩對裝配可靠性也有很大的影響，在制定裝配工藝時如果沒有明確規(guī)定擰緊力矩，工人靠經驗操作就會造成力矩過大或力矩過小的現象，前者可能產生額外變形，后者可能會使螺栓在使用過程中松動，造成裝配質量缺陷。因此，在確定裝配力矩時需要做大量的分析和試驗，并將確定的力矩數值明確標注在工藝文件中，對于重要的緊固部位，在裝配前還應該將擰緊順序和擰緊力矩直接標注在零件上。此外，預緊力的確定也很重要，喻春[7]在數控轉塔刀架可靠性關鍵技術的研究中，對裝配力矩T和預緊力F0作了重點的分析。式中：F0為螺栓預緊力；ψ為螺紋升角；d2為螺紋中徑；fv為螺紋當量摩擦角；D0是與支承平面聯接的墊圈直徑；d0螺紋外徑；fc為螺栓與被聯接件的支承面間的摩擦系數；d為螺紋公稱直徑；K為擰緊力矩系數。

根據實際經驗，刀架在工作過程中固定螺栓組聯接受到橫向載荷、軸向載荷、旋轉力矩及傾覆力矩的多重作用，其受力示意圖如圖2所示。

根據經驗，刀架在切削方向的分力為Fc=4 000 N，由相關計算可得單個螺釘所受最大工作拉力F= 2 040 N，最小預緊力F0min=6 180 N，最大預緊力F0max=17 534.4 N，進而求得最小和最大擰緊力矩分別為Tmin=14.83 N·m，Fmax=42.08 N·m。在此基礎上的擰緊可保證刀架的連接可靠性，也為螺栓擰緊實驗提供了理論依據，對擰緊工藝方案的制定的確定起到關鍵作用。

（4）試驗方法對可靠性的影響

對于數控機床而言，試驗主要是對機床產品和零部件（如外購件）進行檢測，并對產品的質量和可靠性水平進行評價，發(fā)現問題并進行改進（包括設計改進、工藝改進等）。機床制造過程中的試驗一般包括：材料選擇試驗、結構剛度和強度試驗、工藝試驗、工裝試驗、產品功能試驗、噪聲試驗、空運轉振動試驗、溫升和熱變形試驗、靜剛度試驗、傳動效率試驗、動態(tài)性能試驗、位置精度試驗、回轉精度試驗、重復定位精度試驗、直線運動均勻性試驗、工作精度試驗、生產能力試驗、可靠性試驗和連續(xù)運行試驗等[8]。每類試驗都要在一定的試驗條件下，運用相應的試驗方法（試驗大綱、試驗程序、加載方法、試驗時間、試驗參數、試驗結果分析方法等），得到相應的試驗數據，作為制定設計參數和工藝參數的依據。質量和可靠性作為衡量機床性能的指標，直接影響機床的精度特性、加工穩(wěn)定性以及無故障工作時間等。通過相應的試驗可確定機床的各項質量和可靠性指標是否合理。試驗方法都是在相應的試驗中進行運用，不同的機床使用的試驗方法不同，同一型號的機床不同試驗內容所應用的試驗方法也不同，下面以某型號數控加工中心機床整機可靠性試驗為例來闡述試驗方法對機床產品質量和可靠性的作用。

可靠性試驗方法是檢驗機床是否存在潛在缺陷的具體方式，是獲得故障數據的基礎。整機可靠性試驗包括非切削試驗和切削試驗兩部分，主要目的是通過試驗來激發(fā)整機的早期故障，找出并消除機床產品設計、制造、裝配過程中的薄弱環(huán)節(jié)，以實現產品可靠性的持續(xù)增長。以某型號臥式加工中心為例，在刀具、毛坯件以及非切削加工的加載塊都備齊后，非切削加工試驗方法采用工作臺上加最大負載，刀庫滿刀運行，主軸、B軸、托盤交換架在模擬加工程序下運行，液壓、冷卻（含內冷與外冷）、潤滑等輔助系統(tǒng)均按設定程序工作。切削加工試驗方法采用模擬實際切削的方式，對主軸和B軸施加負載，考核和檢驗加工中心切削狀態(tài)下的可靠性。在試驗結束后，針對相應的故障進行原因分析并提出相應的改進措施，以提高整機的可靠性。例如，對X軸快速移動時發(fā)出刺耳異響的分析見表5。另外，在試驗的過程中試驗方法本身有可能會暴露出問題，加以完善后的試驗方法的有效性會有所提高，試驗數據也更加可信，更能更加真實的反映出整機的可靠性。

3.2 管理類方法對可靠性的影響

可靠性增長是實施可靠性工程的目的，可靠性管理則是通過對管理的職責、原則、內容、評價、考核及獎勵辦法的改進來提高產品的可靠性。只有對可靠性管理的職責明確、原則清楚、管理制度有效實施，再輔以可靠性增長的考核和獎懲辦法，可靠性增長才能順利進行。從改進管理職責的角度看，企業(yè)需要對管理職責進行明確的分工，比如技術部門負責重大工藝開發(fā)和工藝改進，總師辦負責新材料、新技術、新設備、新工藝采用及老設備的評價、評選等，才可有效保證可靠性增長的進度和質量，最終間接地提高機床的質量和可靠性。

（1）管理規(guī)范的完整性對可靠性的影響

國內機床產品可靠性差的一個重要原因就是管理制度不完善、不精細，使管理沒有可信的運作和考核依據。機床的制造涉及產品設計、零部件加工、產品裝配、產品試驗等階段，所應用到的管理規(guī)范要覆蓋各個方面的內容才能保證機床的制造質量和可靠性。管理規(guī)范的種類包括：工藝工作管理、工藝文件管理、產品工藝操作程序管理、工序質量管理、工序紀律管理、工藝裝配驗證、現場管理、定置管理、質量信息管理、質量改進管理、文明生產管理、設備管理、首件產品檢驗管理規(guī)定、零件檢驗管理規(guī)定、成品檢驗規(guī)定以及工藝裝配檢驗管理等[9～21]，完整的管理規(guī)范應該涵蓋機床制造的各個階段，才能有效的保證產品可靠性。機床的設計、加工、裝配、采購及試驗階段都有相應的管理規(guī)范是機床管理規(guī)范完整的基礎，缺少的管理規(guī)范則可能會對管理規(guī)范產生不好的影響，比如質量信息管理規(guī)范的缺少，有關質量信息的管理、協(xié)調、處理、考核、歸檔、貯存等工作必然會混亂無序，質量信息的分類、登記、分析、上報工作也難以進行，必會影響質量改進管理規(guī)范的有效實施。

以某企業(yè)的現場管理規(guī)范為例，企業(yè)現場管理制度包括質量管理、工藝管理、定置管理、設備管理、工具管理、計量管理、勞動紀律、環(huán)境管理、班組管理、安全生產等。比如勞動紀律五個不準，上班時間不準看書看報，不準吹牛談天，不準串崗，未經批準不準擅自離開工作崗位，不準吃瓜果食物，這樣才能使員工專心工作，減少人為原因導致的產品質量問題，也可保證工作現場干凈，減少雜物進入機床內部的機會。圖3是某企業(yè)車間實施現場管理制度的前后效果對比，對車間進行包括人（工人和管理人員）、機（設備、工具、工位器具）、料（原材料）、法（加工、檢測方法）、環(huán)（環(huán)境）、信（信息）等方面進行合理有效的計劃、組織、協(xié)調、控制和檢測，使其處于良好的結合狀態(tài)，可以達到優(yōu)質、高效、低耗、均衡、安全、文明生產的目的。車間干凈整潔、零件擺放合理，員工的工作效率也會提高，產品的質量也會相應提高。而舊車間的物品擺放混亂、員工散漫、作業(yè)空間太小等問題不僅會影響工作效率和安全性，也會最終影響機床的質量和可靠性。管理規(guī)范涵蓋內容的完整可全面保證機床產品質量和可靠性，而每一種管理規(guī)范的完整則是保證機床產品質量和可靠性的基礎。

（2）管理規(guī)范的科學性對可靠性的影響

國產機床可靠性差的另外一個原因是管理規(guī)范制定的科學性差，不合理的管理規(guī)范會產生大量的潛在故障和質量缺陷。機床類產品的分類眾多，應該根據不同的生產實踐制定相應的管理規(guī)范。而管理規(guī)范的編制一定要堅持科學的態(tài)度，遵循科學的程序，采用科學的方法（例如必須在試驗的基礎上，以大量的數據為依據），才能編制出實用而科學的規(guī)范，使企業(yè)內部條件適應外部環(huán)境的變化，使管理切合實際、切實可行。例如，國內大多數機床制造企業(yè)的售后維修信息反饋單幾十年一貫制，填寫的內容不完整，格式不規(guī)范，造成大量的維修數據得不到有效分析和應用，造成大量的故障重復發(fā)生，發(fā)現的故障也無法得到有效消除，非常不利于產品的可靠性提升。表6是某機床廠的售后維修信息反饋單，可以看出，該單據存在以下問題：表頭標題與“完工報告單”的表頭內容重復太多，可刪除以簡化表格；表格有些信息多余，例如用戶地址和郵編，這些信息應該反映在“客戶投訴”中，如果報賬需要，在采購合同中可以查到，利用網絡也可查到，完全沒有必要手工填寫；“差旅費”、“材料費”、“總費用”從來不填，可簡化掉純屬多余的“制造廠名”和“隸屬部門”；“用戶反映問題”、“對用戶反映問題的確認”、“工作日志”、“存在的質量問題”、“處理結果”等幾項內容的含義不清，重復填寫，但需要的信息反而容易漏掉，對處理機床的故障產生沒有作用，進而也會影響機床可靠性的增長工作，需要重新制定全新的維修完工報告單。

（3）管理規(guī)范執(zhí)行的嚴格性對可靠性的影響

國產機床可靠性差的第三個原因是各種管理規(guī)范執(zhí)行不夠嚴格，造成管理制度流于形式，對保障機床的可靠性非常不利。例如工藝紀律管理規(guī)范，包括了工藝紀律管理的基本要求、主要內容及檢查與考核辦法[19-20]，如果不嚴格執(zhí)行，就會造成工藝紀律渙散，導致產品圖樣、工藝文件、技術標準等質量太低，技術文件不正確、不完整、不統(tǒng)一，技術人員工作態(tài)度散漫，最終會影響產品的質量和可靠性。嚴格的工藝紀律管理系統(tǒng)是保障機床產品質量的一大關鍵因素，例如某機床企業(yè)裝配車間的“七害”現象及零件倒棱倒角檢查中發(fā)現，六號車間大件工段貼塑區(qū)VMC850B主軸箱中兩件鐵屑未清理干凈，易造成污染和摩擦磨損和堵塞等潛在故障。該企業(yè)針對此問題曾多次督促整改，在年終績效考核時扣六號車間0.1分，經整改后問題順利解決。由此看出，認真做好工藝紀律巡檢和對生產班組、車間職能組（員）、操作工人的工藝紀律考核與評價；車間工藝貫徹率特別是關鍵工序工藝貫徹率才能達到企業(yè)下達的計劃指標。再例如，如果檢驗人員講情面，對檢查出來的質量問題視而不見，放松把關，就會造成嚴重的質量事故。此外，在現場管理方面，企業(yè)要認真執(zhí)行文明生產和定置管理標準等措施，與其他管理內容相結合，可有效提高員工素質和工作積極性，間接地對機床的質量和可靠性產生影響。目前，很多企業(yè)在質量管理方面喜歡張貼大標語,如“不接受缺陷、不隱瞞缺陷、不制造缺陷、不傳遞缺陷”，這種口號本身沒有問題，但如何落實卻沒有相應的措施，也是一種表面文章。

表6 機床維修完工報告單

4 結語

工作方法作為機床制造的基本要素之一，是保證機床產品質量和可靠性的基礎。本文在對工作方法進行概述后，按照設計類方法和管理類方法對工作方法

進行了細分。最后結合工程實際，從設計、加工、裝配和試驗的角度分析了技術類方法對機床產品質量和可靠性的影響，從管理方法的完整性、科學性和執(zhí)行的嚴格性的角度論述了管理類方法對機床可靠性的影響。工作方法對機床質量和可靠性的影響巨大，工作方法的合理應用已成為提高產品可靠性的關鍵因素之一，必須對其加以嚴格控制。

[1] 王元軍.MCH63臥式加工中心可靠性分析與研究[D].南京:南京航空航天大學,2010.

[2] 趙昌龍.高速加工中心主軸及刀具系統(tǒng)熱誤差綜合補償技術[D].吉林:吉林大學,2010.

[3] 翟怡,孫威.基于5M1E的航天器AIT過程共性質量問題管理[J].航天器環(huán)境工程,2013(6):663-666.

[4]馬仁杰,王榮科.管理學原理[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[5] 龐繼紅.復雜機電產品設計質量若干關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學,2011.

[6] Q/BJ-J(B)001-2004,機械設計規(guī)范[S].

[7] 喻春.數控轉塔刀架可靠性關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學,2015.

[8] GB/T 17421.1-1998,機床檢驗通則第1部分：在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度[S].

[9]GB/T16462,數控車床和車削中心檢驗條件[S].

[10]JB/T9169.1-1998,工藝管理導則總則[S].

[11]JB/T9169.3-1998,工藝管理導則產品結構工藝性審查[S].

[12]JB/T9169.10-1998,工藝管理導則生產現場工藝管理[S].

[13]Q/BJ-G(J)032-2010,產品工藝工作程序[S].

[14]Q/BJ-G(J)036-2010,工藝紀律管理[S].

[15]Q/BJ-G(J)037-2010,工序質量控制管理[S].

[16]GJB467-1998,工序質量控制要求[S].

[17]JB/T9169.9-1998,工藝管理導則生產現場工藝考核[S].

[18]Q/BJ-J(ch)001-2003,產品質量特性重要度分級辦法[S].

[19]JB/T9169.11-1998,工藝管理導則工藝紀律管理[S].

[20]Q/BJ-J(B)002-2008,產品技術文件的完整性[S].

[21]GB/T19001-2008,質量管理體系要求[S].

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The method of analysis and control（The First）

ZHANG Genbao, FENG Xuke

(School of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, CHN)

In the six factors (Man/Manpower,Machine,Material,Method, Environment and Measurement) that affect the quality of the product,methods run through product design,manufacturing and management process.The methods are the most important aspects to ensure product quality.Introduce the concept of methods and its classification of the reliability engineering.Then technology methods(design methods,processing methods,assembling methods and test methods)and management methods(integrity,scien tific,executed stringency)are analyzed in detail,which will lay the foundation for controlling the reliability methods factors subsequently.

method; quality; reliability; machine tools

TH17

A

160501

“數控機床可靠性技術”專題（二十三）*

國家自然科學基金資助項目（51175527）；國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項（2013ZX04005-012；2013ZX04012-012；2013ZX04012-031；2013ZX04012-061；2013ZX04012-041；2013ZX04011-013；2013ZX04012-051；2014ZX04001-031）