基于FMEA的電主軸冷卻系統可靠性分析*

姚銀歌，張 濤，朱宇騰，王廣輝，俞 蓬

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

0 引言

電主軸產品作為機床功能核心部件，相當于機床的心臟，其重要程度不言而喻。因此，對電主軸進行可靠性分析尤為重要。借鑒航天、航空、艦船、汽車、醫療等領域常用的失效模式及影響分析（FMEA），分析電主軸系統的潛在失效模式及后果，以期提高電主軸可靠性，從而保證電主軸運轉的穩定性。

吳明陽等[1]通過仿真與試驗相結合的方法研究系統冷卻能力，提出螺旋優于循環冷卻系統；聶萌[2]利用獲取的主軸故障數據對數控機床主軸從可靠性建模、故障分析、可靠性分配及提高可靠性措施進行分析。還有其他諸多關于電主軸可靠性研究的文獻，這些文獻大多從理論設計或者故障分析角度對主軸系統進行可靠性分析，電主軸的設計開發與質量控制相結合的可靠性分析較少。本文通過在電主軸設計開發階段，運用D－FMEA、P－FMEA分析方法，將設計開發與質量控制相結合，對電主軸冷卻系統進行潛在失效模式及后果影響分析，分析出影響冷卻系統可靠性的因素為冷卻結構內表面磨削質量，并采取預防控制措施，為電主軸其他部分功能可靠性的設計提供了參考，對電主軸整體可靠性設計的提高具有重大意義。

1 FMEA及電主軸各系統

1.1 FMEA

FMEA是失效模式及影響分析（Failure Mode and Ef?fects Analysis），其作為可靠性分析的一種方法，自20世紀50年代初，美國格魯門飛機公司初次應用于研制飛機主操作系統并取得良好效果后，廣泛應用于軍用系統，逐漸滲透到機械、汽車、醫療設備等民用工業領域中。QS9000將其作為設計與過程分析的方法和認證要求；ISO9004將其作為對設計、開發產品和過程的確認并進行風險評估。FMEA的應用領域更加廣泛[3]。

1.2 電主軸

電主軸主要由冷卻系統、潤滑系統和轉子系統3大系統組成，這3大系統是高速電主軸不可或缺的系統，必須將其作為研發和生產制造的重點內容考慮。電主軸結構如圖1所示。

圖1 電主軸結構

冷卻系統的作用是通過循環的冷卻水帶走電主軸工作時電機及軸承產生的熱量，使主軸穩態運行。冷卻系統由后蓋、殼體和水套組合件、前大蓋和前軸承座組合件組成。冷卻系統工作時，溫度在18~22℃的冷卻水先通過后蓋的接咀通入電機冷卻腔（殼體和水套組合件構成），帶走電機產生的熱量后，進入主軸前端的軸承冷卻腔（前大蓋和軸承座構成），再帶走軸承產生的熱量，冷卻水回到水冷機內，如此循環帶走電主軸本體產生的熱量，保證主軸的正常運行[4]。

潤滑系統一般有油脂、油霧、油氣3種。油脂潤滑是將適合的潤滑脂涂抹至軸承溝道內，該潤滑方式清潔簡單，不需要單獨設計潤滑系統。油霧及油氣潤滑系統宏觀結構基本一致，目的都是將潤滑油輸送至軸承滾道內，軸承工作時起到良好的潤滑作用。常見的油霧潤滑系統如圖2所示。

圖2 電主軸潤滑系統

主軸工作時，轉軸、轉子及轉軸上所有的旋轉件構成轉子系統，轉子系統如圖1所示。

2 冷卻系統FMEA分析

主軸在正常工作時，若冷卻系統發生泄漏，冷卻液進入主軸內部，將造成軸承精度喪失，電機絕緣性能下降，嚴重時引發安全事故。因此，主軸冷卻系統在設計開發、生產制造及產品應用環節至關重要。主軸在生產制造階段，冷卻系統的試漏工序是重要的質量控制點，100%檢測，且不允許讓步接收。故以冷卻系統中電機冷卻部分為例，進行FE?MA分析，驗證有成效后，其他系統設計及工藝可參考實施。

表2 電主軸產品故障原因頻度準則

表3 電主軸產品故障原因探測度準則

2.1 D－FMEA設計潛在失效模式及后果分析

對嚴重度（S）、發生的頻度（O）和檢測度（D）制定準則表，如表1~3所示。根據經驗，制定接受準則：S＜7，RPN＜100。

表1 電主軸產品故障失效后果嚴重度準則

分析制定D－FMEA表，如表4所示。對S≥7或RPN≥100的故障模式原因，制定改進措施，在采取行動之后，根據評價準則，重新確定S、O、D值，并重新計算RPN值，以評估所采取行動的效果，當RPN不符合接受準則時，需要重新改進，直到符合接受準則[5]。從表中可以看出，冷卻水腔的配合面形位公差要求低，存在潛在的導致冷卻系統失效的風險，RPN=120。制定改進措施為提高配合面形位公差（圓度、圓柱度、粗糙度），重新計算RPN=36，該措施可有效解決該問題。提高配合面形位公差應在工藝過程階段的P－FMEA中給予重點關注。

表4 ××型號電主軸電機冷卻系統產品設計潛在故障失效模式及后果分析（DFMEA）

表5 ××型號過程潛在失效模式及后果分析

2.2 P－FMEA過程潛在失效模式及后果分析

電機冷卻系統結構過程實現原理：利用“熱脹冷縮”的原理，加熱包容件，將過盈配合的兩個零件(殼體和水套)連接起來，形成可循環的封閉水腔。熱壓過程不可逆。

對殼體和水套的實現過程進行P－FMEA(準則表不再一一列舉)，如表5所示，以提升過程質量。從表中可以看出，內磨工序RPN=120，產生不合格的風險較大，與D－FMEA分析結果相一致。從工藝及設計角度制定改進措施，重新計算RPN值為90和48，理論上改進有效。

2.3 FMEA可靠性驗證

按照FMEA表制定改進措施進行實施，并統計生產過程階段同類產品試漏合格率。經統計，試漏合格率由上一年度同期82%提高至96%，提升14%，充分證明基于FMEA的冷卻系統可靠性分析效果顯著。用戶現場冷卻系統失效情況有待售后部門反饋，結果值得期待。

3 結束語

在產品設計開發階段結合質量管理開展FMEA活動，可達到將潛在失效風險控制到最低，提高產品設計的可靠性，降低產品開發成本的目的。本文通過對電主軸冷卻系統進行FMEA分析，梳理出設計和工藝過程存在的潛在風險，并對RPN指數高的項目制定改進措施，生產過程取得了顯著的效果。該可靠性分析方法為電主軸其他系統功能可靠性的設計提供了參考，對電主軸整體可靠性設計的提高具有重大意義。