基于T-S故障樹的數控加工中心液壓托架升降系統可靠性分析

張 勇， 何振杰， 張敬芳

(1.河北機電職業技術學院 機械工程系， 河北 邢臺 054000； 2.河北機電職業技術學院 實習實訓中心， 河北 邢臺 054000)

引言

數控機床是現代化高精度加工設備，是現代各種工業技術的集成，其結構的復雜性、控制的智能性、加工工藝的多樣性和加工零件的復雜性，決定了數控機床故障診斷的艱巨性[1]。液壓系統在整臺設備中扮演著重要角色， 有些機床甚至是全液壓系統控制。因此對數控機床液壓系統的故障進行研究, 對正確、快速排除機床液壓系統的故障, 提高機床運行效率具有很重要的現實意義[2]。

我國某機床公司研制的THMC6350雙工位臥式加工中心，是一臺具有較高水平的數控設備。其雙工位的結構設計，能夠允許設備在加工零件的同時，操作人員在另一個工作臺上對毛坯件進行安裝固定。當加工完畢后，液壓托架升降系統將2個工作臺同時抬起，并利用伺服電機帶動其旋轉互換位置，機床直接開始下一個零件的加工，操作者清理拆卸加工完畢的成品件，以及安裝固定新毛坯件。這種設計在整個加工過程中節約了裝卸零件的時間，極大地提高了生產效率。但其液壓托架升降系統一旦發生故障，將導致成品件無法拆卸，毛坯件無法就位，嚴重影響設備的正常運行。

故障樹是一種常見的可靠性分析法[3]。文獻[4-6]首次在故障樹分析法中引入模糊理論，用模糊乘等代替傳統的與或運算。文獻[7]提出T-S模糊故障樹模型，利用T-S邏輯門梳理部件間的聯系, 為故障機理不確定等問題提供了解決方案。文獻[8-9]用T-S故障樹分析了導航系統，定義T-S重要度的同時給出了算法，并在其基礎上驗證了基于T-S故障樹的液壓系統可靠性分析方法。文獻[10]提出了一種基于T-S故障樹和貝葉斯網絡的系統可靠性分析法。文獻[11]通過對T-S故障樹所表示系統賦予性能變量，提出一種分析系統故障多態下的性能可靠性方法。文獻[12-13]進一步拓展了T-S模糊故障樹在不同領域的應用。

本研究以THMC6350雙工位臥式加工中心為例，將T-S故障樹應用于其液壓托架升降系統可靠性分析中，通過定性分析和定量計算，確定系統薄弱環節，為故障快速診斷提供可靠依據。

1 液壓托架升降系統原理

液壓托架升降系統工作原理如圖1所示。

當零件加工完畢，需要進行工作臺換位時，三位四通電磁換向閥左位通電，油液經吸油過濾器→變量泵→單向閥→電磁換向閥→液壓鎖→單向節流閥進入液壓缸無桿腔，有桿腔中油液經單向節流閥→液壓鎖→三位四通電磁換向閥，回油過濾器流回油箱，液壓桿伸出，液壓缸完成升舉工作臺動作。達到升舉高度位置后，三位四通電磁換向閥斷電，系統處于保壓狀態，此時由伺服電機帶動托架進行旋轉，進行2個工作臺換位動作。到達位置后，三位四通電磁換向閥右位通電，油液經吸油過濾器→變量泵→單向閥→電磁換向閥→液壓鎖→單向節流閥進入液壓缸有桿腔，無桿腔中油液經單向節流閥→液壓鎖→電磁換向閥→回油過濾器流回油箱，液壓桿收回，完成工作臺歸位動作。

1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.電機 5.單向閥6.二位四通電磁換向閥 7.溢流閥 8.三位四通電磁換向閥9.液壓鎖 10.單向節流閥 11液壓缸圖1 液壓升降系統原理圖

2 液壓托架升降系統T-S模糊故障樹

以液壓托架升降系統為研究對象，建立以其故障為頂事件的T-S模糊故障樹，如圖2所示。

圖2 液壓升降系統T-S故障樹

頂事件y6表示液壓托架升降系統故障，中間事件y1～y5故障分別為泵源故障、液壓站閥組故障、油路故障、液壓站故障和液壓缸控制閥組故障。底事件x1～x12分別代表的故障模式和故障率如表1所示，其中故障率由機械設計手冊及設備維修記錄綜合考慮所得[14]。

表1 底事件故障模式和故障率

所有底事件、中間事件和頂事件的故障狀態分為正常、半故障以及嚴重故障，用0，0.5，1表示，假設部件半故障狀態和嚴重故障狀態概率是相同的，通過五位設備維修方面專家對故障機理的分析，為系統T-S門制定如下規則，如表2～表7所示。

表2 G1門規則

表3 G2門規則

表4 G3門規則

表5 G4門規則

表6 G5門規則

表7 G6門規則

3 液壓托架升降系統可靠性分析

3.1 系統故障概率求解

為解決各種不確定因素對故障樹分析所造成的影響，用模糊數來表示部件的故障概率以及部件的故障程度。不同數值的大小對應著部件不同的故障程度，可選取區間[0,1]上的數字作為模糊數描述部件的故障程度，0代表無故障，0.5代表半故障，1代表嚴重故障[15]。

梯形隸屬函數具有形式簡單、對數據信息要求低的優點。在液壓系統中，各部件故障程度可以看做連續的隨機變量，為了使用方便且不失一般性，事件的描述采用梯形隸屬函數，如圖3所示，則隸屬函數F為：

F≡(F0,s1,m1,s2,m2)

(1)

式中，F0—— 模糊數支撐集中心

s1,s2—— 左右支撐半徑

m1，m2—— 左右模糊區[16]

圖3 隸屬函數

假定其左右對稱，即s1=s2，m1=m2，則：

(2)

已知規則l(l=1,2,…,k)，如果x1為Hl1且x2為Hl2且…且xn為Hln，則y為yl。其中，k為總的規則數量，x為前件變量，x=(x1,x2,x3,...,xn)，Hlj為模糊集。設模糊集的隸屬函數為μHlj(xj)，則：

(3)

其中，式(3)滿足：

(4)

(5)

其中，βl(x)為規則l的執行度，計算如下：

(6)

(7)

T-S門描述如下：

(8)

則上級事件的模糊可能性為：

(9)

將表1中給出的基礎故障數據以及表2～表7的T-S門規則，代入公式計算可得結果如表8所示。

表8 系統故障概率表

結果表明，液壓托架升降系統發生中度故障的概率與各部件的故障概率基本處于同一個數量級，發生嚴重故障的概率比各部件的故障概率要高出一個數量級，與實際情況基本一致。

3.2 T-S重要度分析

1) T-S概率重要度計算

(10)

(11)

將數據帶入式(11)，求得各底事件的概率重要度如表9所示。

表9 各部件的T-S概率重要度

2) T-S關鍵重要度計算

(12)

其中，P(T=Tq)表示頂事件T為Tq概率。

(13)

將數據帶入式(13)，求得各底事件的關鍵重要度如表10所示。

表10 各部件的T-S關鍵重要度

概率重要度能夠反映底事件的重要性，而關鍵重要度的意義主要在于通過改進系統薄弱環節提高系統的可靠性。相比于概率重要度，關鍵重要度含有部件的概率重要度和其本身的故障概率2個方面。關鍵重要度不僅體現了部件在故障樹中的地位，而且還體現了部件本身的故障概率，能更客觀地體現部件對系統故障的影響[17]。

表10能夠直觀反映出，當系統處于半故障狀態時，單向節流閥、液壓泵、三位四通電磁換向閥、液壓鎖重要度較高，需要給予重點關注。當系統處于嚴重故障狀態時，二位四通電磁換向閥、單向節流閥、液壓泵、三位四通電磁換向閥重要度較高，為系統較薄弱環節，以此可以作為故障排查的依據。

4 結論

通過分析數控加工中心液壓托架升降系統原理，將T-S模糊故障樹應用于其可靠性分析中，降低了對故障歷史數據的依賴性。并通過計算求得了系統發生故障的概率，以及各部件的T-S概率重要度和T-S關鍵重要度，為設備日常維護及故障診斷提供了可靠依據。