數控復合加工裝備主軸系統故障樹分析

巴怡曼，高通，程涵，趙博

（西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安7100071）

裝備應用技術

數控復合加工裝備主軸系統故障樹分析

巴怡曼，高通，程涵，趙博

（西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安7100071）

數控復合加工裝備是應用于航空航天工業中的大型薄壁復雜零件加工裝備。針對數控復合加工裝備主軸系統的故障進行分析，了解引起其故障發生的根本原因，并基于此建立了該裝備主軸系統的故障樹；通過對該裝備主軸系統故障樹的定性分析和定量分析確定裝備的薄弱環節，為裝備的維修和優化設計提供理論支持。

故障樹；故障；數控加工裝備；重要度

國產高檔數控裝備主軸系統是裝備的重要零部件，其工作性能關系到整個裝備的性能及加工產品質量[1]。主軸系統是整機中故障率高、維修時間長、可靠性低的關鍵部件，因此有必要通過對裝備的主軸系統進行可靠性分析，確定主軸系統的薄弱環節，采取相應的一些措施提高其可靠性和壽命。

國內外有許多學者和專家對數控裝備的可靠性進行了研究，其中典型的主要有：英國高校技術人員對現場采集的數控機床故障信息進行分析與處理，找出了機床的薄弱環節[2]；國內有申桂香等用FTA方法對臥式加工中心刀庫進行可靠性分析，找出刀庫系統中的薄弱環節并提出合理的改進措施[3]。

數控復合加工裝備具有專業、非標準、特種加工等特點，其主軸系統與其他裝備結構差異大，在此前進行的可靠性研究中，亦缺少真實的數據及相應的試驗支撐，并且高品質的航天產品要求加工裝備具有較高的可靠性，因此，提高數控復合加工裝備主軸系統可靠性，加強該裝備主軸系統的可靠性研究就顯得十分必要。本文針對數控復合加工裝備主軸系統建立了故障樹，并給出定性和定量分析方法。分析結果為數控復合加工裝備主軸系統的設計、制造、故障診斷和維修提供了有價值的參考。

1 數控復合加工裝備主軸系統故障樹建造

故障樹是一種表示事件因果關系的樹狀邏輯圖，用規定的事件、邏輯門和其他符號描述系統中各種事件之間的因果關系，是一種評價復雜系統可靠性與安全性的重要方法。

本文以數控復合加工裝備故障作為整體故障樹的頂事件。數控復合加工裝備主要包括：進給系統、主軸系統、數控系統、輔助系統、換頭換刀系統、液壓系統等，故次級事件根據裝備結構功能特點選取為：X方向進給系統故障、Y方向進給系統故障、Z方向進給系統故障、主軸系統故障、數控系統故障、輔助系統故障、換頭換刀系統故障、液壓系統故障。數控復合加工裝備具有一般數控裝備的特點，另外該裝備的主軸系統采用自動換頭方式（激光切割部件除外），包含一只C軸和三只A軸，自動抓取，自動更換，其中A軸包括兩只轉速不同的電主軸和激光切割部件，如圖1所示為該裝備主軸頭。根據該裝備主軸系統結構及功能特點，逐級向下分析，找出各級事件的中間事件，直至找出引起頂事件發生的全部底事件，將各級事件用適當的邏輯門連接[4]。如圖2，3所示，為該裝備主軸系統故障樹。各級事件代號及其所對應的故障如表1所示。

圖1 主軸頭

圖2 主軸系統故障樹

圖3 激光頭故障樹

表1 主軸系統故障代碼表

（續上表）

2 數控復合加工裝備主軸系統故障樹定性分析

故障樹的定性分析就是要找出故障樹的所有最小割集。最小割集就是引起頂上事件發生必須的最低限度的割集。一個最小割集代表了系統的一種故障模式，全部最小割集代表系統的全部故障模式，求出最小割集是十分必要的[5]。

（1）求最小割集

一般求最小割集的方法有上行法和下行法[2]。本文采用上行法求出多軸聯動數控切銑復合加工裝備故障的最小割集，如表2所示。

（2）分析

最小割集定性地給出了底事件的重要程度，底事件在最小割集中出現的次數愈多，就愈重要。根據BARIOW定律：一階最小割集中底事件結構重要度大于多階最小割集中底事件結構重要度[6]。本故障樹中各底事件均只出現了一次，且每一割集均為一階，所以每一底事件均應引起相當的注意。

3 數控復合加工裝備主軸系統故障樹定量分析

（1）頂事件發生概率

當故障樹底事件發生的概率為已知時，按照故障樹的邏輯結構由下而上逐級計算，即可求得故障樹頂事件發生的概率。

式中：k為最小割集的個數，P（i）為最小割集發生概率。各底事件發生的概率值建議如表2所列。

計算出數控復合加工裝備故障樹頂事件發生概率為：g=0.014 313 2.

（2）底事件概率重要度

頂事件發生概率g隨基本事件概率gi的變化率叫做底事件xi的概率重要度，其計算公式為：

概率重要度越大，說明底事件xi就越重要，對頂事件發生影響就越大[7]。各底事件概率重要度見表2。

（3）底事件關鍵重要度

關鍵性重要度Ic（i）是底事件的故障概率q（i）的變化率與頂事件發生概率g的變化率之比。定義式為

關鍵性重要度Ic（i）越大表明由底事件xi觸發系統故障的可能性就越大。各底事件概率重要度見表2.

表2 數控復合加工裝備主軸系統最小割集表

（續上表）

（4）分析

根據各底事件的概率重要度和關鍵重要度，確定了對頂事件影響大的底事件，見表3.要使多軸聯動數控切銑復合加工裝備發生故障的概率迅速降低，必須減小該裝備的軸承故障、電機故障及一些零件安裝不當發生的概率。

表3 對數控復合加工裝備主軸系統故障影響大的底事件（按影響度大小依次排列）

4 結束語

（1）本文通過分析數控復合加工裝備主軸系統故障模式及其發生故障原因，建立該裝備主軸系統故障樹，并對其定性分析得到故障樹的最小割集。

（2）對數控復合加工裝備主軸系統故障樹通過定量分析求得其底事件概率重要度和關鍵重要度，從而找出主軸系統薄弱環節，為數控復合加工裝備主軸系統的設計及其維修提供了理論和實際依據。

[1]湯本金.提高國產數控車床可靠性的對策[J].機械設計與制造工程，2003，32（8）：129-130.

[2]R.S.Chanda，P.K.Bhattacharjee.A reliability approach to transmission expansion planning using minimal cut theory[J]. Electric Power Systems Research，1995，33（2）：111-117.

[3]申桂香，李懷洋，張英芝，等.刀庫故障重要度分析與可靠性改進設計[J].重慶大學學報，2013（06）：70-75.

[4]蘇凡囤，袁博，張琦，等.基于FTA的輪式推土機液壓系統故障模式研究[J].中國工程機械學報，2012（01）：105-111.

[5]謝里陽.機械可靠性基本理論與方法[M].北京：科學出版社，2012.

[6]胡俊，贠瑞光，楊麗偉，等.電牽引采煤機液壓制動系統的故障樹分析[J].礦山機械，2011（01）：9-12.

[7]張龍，熊國良，何柏林，等.機床液壓系統故障樹分析[J].機床與液壓，2005（02）：170-171.

Fault Tree Analysis Of CNC Composite Machining Equipment Spindle System

BA Yi-man，GAO Tong，CHENG Han，ZHAO Bo
（School of Mechano-Electronic Engineering，Jidian University，Xi’an Shaanxi 710071，China）

The CNC composite machining equipment is used for large thin-walled complicated parts in aerospace industry.In this paper，the faults of CNC composite machining equipment spindle system are analyzed，then the root cause of faults are analyzed.Based on this，the fault tree is established.The weaknesses of equipment are found out by qualitative and quantitative analyses of fault tree of the equipment spindle system，providing theory for maintenance and optimal design of equipment.

fault tree；failure mode；CNC machining equipment；importance

TH113

A

1672-545X（2017）03-0050-04

2016-12-11

國家高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項“運載火箭箭體結構制造關鍵成套設備與工藝”（2013ZX04001101）

巴怡曼（1989-），女，河南洛陽人，碩士，主要研究方向：可靠性技術研究。