基于浴盆曲線的機械加工設備維護策略

陳 瑞，楊嘉璽，林楊杰，許再光，蘇立民

（一汽-大眾動力總成事業部成都發動機廠，四川成都 610100）

0 引言

隨著社會生產力的發展，機械加工設備的自動化率在逐步提高，批量生產過程中對設備的依賴程度與日俱增，這使得“更低的故障率”成為生產設備維護部門持續不斷的追求目標。實踐證明，大多數設備的故障率是時間的函數，典型的故障曲線為浴盆曲線（Bathtub Curve，失效率曲線），它是以使用時間為橫坐標、以失效率為縱坐標的一條曲線，曲線呈兩頭高、中間低的形狀，所以被稱為“浴盆曲線”（圖1）。曲線具有明顯的階段性，失效率隨使用時間變化分為早期故障期、偶然故障期和耗損失效期3 個階段。即設備剛投產調試初期階段（早期故障期）故障率高，經過不斷地調試磨合逐步進行平穩期（偶然故障期）故障率降低且保持一段時間，經過長期使用后設備磨損加劇（耗損失效期）導致設備故障頻次增高[1]。

圖1 設備故障率“浴盆曲線”

（1）早期故障期。由于設計、原材料和制造過程中的缺陷造成的投產初期生產設備故障率高，因設備長途運輸振動、部件應力釋放等原因造成連接部件松動，故障占比較高的是程序邏輯漏洞、連接部件松動問題。通過對某國內設備廠家生產線進行專項緊固，發現信號松動故障占5%，連接件松動故障占1.3%，未達到擰緊力矩故障占15%。

（2）設備偶然故障期。設備進入平穩運行階段失效率較低且較穩定，往往可近似看作常數，偶然失效原因主要是設備維護不當、使用不當、工作條件（負荷、溫度、環境等）劣化等，或者由于材料缺陷、控制失靈、結構不合理等設計、制造存在問題所致[2]。此階段重點關注日常周期性故障，通過點檢、巡檢和檢修對周期性出現故障進行管控，重點總結調整或備件更換的周期性規律。故障管控的思路為：改造優化本質消除隱患→周期性措施預防故障→技能提升減少停機時間。消耗備件的數量結合裝置量和消耗頻次確定，低儲設置不應低于單次采購周期內的消耗量。

（3）設備耗損失效期。這一階段失效率隨時間的延長而急速上升，主要是由磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成。重點關注磨損老化部件的處理措施，進行必要的大修改造，除周期性措施外，對驅動、傳動部件進行系統檢查評估，涉及到接觸夾具、橡膠件、軸承等需進行功能驗證。

“浴盆曲線”反映的是設備運行的客觀統計規律，設備維護管控思路為：①針對恢復現狀型故障，首要任務是分析查找真因，最優處理策略是設法徹底消除隱患，居中策略是通過日常點巡檢提前發現跡象并控制，最低策略是提高人員應對能力和備品儲備，做到故障時快速修復；②針對防范潛在型故障，應從設備原始資料、維修經驗、類似故障等方面對設備進行正向梳理，識別到風險點，針對性組織開展點巡檢工作。

1 疑難問題維修過程把控

維修人員在面對一些棘手或無頭緒的設備故障時，可以借助一些方式方法提高效率，如組織頭腦風暴，邀請設備操作者、其他技術人員參與進行思路拓展等。在此過程中應遵循以下原則：

（1）理解設備的加工工藝動作順序，考慮程序運行偶然中斷因素、來料因素、測量因素、環境因素等外部變化點。對于絕大多數電氣類故障可以結合加工過程中的動作順序中斷/報警點鎖定故障原因，尤其是對于NC 加工程序可以結合程序中斷點進行條件分析，設定排查方向和工作計劃。碰撞類故障因其損失大且恢復時間長，生產中應當極力避免，一旦發生時則須保留第一現場便于分析，程序中斷點、刀具狀態、人員上一步操作等應當納入分析范圍。

（2）查看相關圖紙、程序并理解。在電氣故障的處理過程中，會正確地查找圖紙和程序點位可以輔助問題的排查，尤其在遇到一些線路虛接導致的偶發性故障時，利用程序監控特定點位的信號狀態，捕捉到信號閃斷后，查找圖紙對應的硬件接線點予以糾正排查。

（3）對故障相關部件的使用規律、動作順序和工作原理完全清晰。維修過程中經常會遇到總成部件的異常狀態處理，此過程中必須掌握該部件的使用規律。例如，對不同類型的三位五通電磁閥會有不同的使用場景，對應的動作順序也會有差異。

（4）利用魚刺圖、樹狀圖等展示工具進行原因分析、措施制定并驗證實施。不同類型展示工具的核心都是通過分析鎖定問題點或可能的風險點，制定的措施一般按照先易后難執行。

2 備件出現短缺時的應急處理原則

（1）按照不同的查詢方式或全部類似件排查的方式確認庫房是否有備件，尤其注意區分產品系列號和訂貨號，氣缸、管路等與長度尺寸信息相關的備件可能存在多組信息，應當予以全部確認。為應對大規模生產的需求，很多公司同一系列內的定制尺寸產品以方便客戶選用，掌握各公司備件命名方式有助于提高工作效率，在庫房檢修信息錄入時也應注意涵蓋所有特征信息。例如，費斯托（FESTO）公司提供的“DNC-32-…-PPV-A 標準氣缸類備件”，即表示該氣缸活塞直徑為32 mm、氣動緩沖、雙端可調的一個系列氣缸，這系列行程80 mm 的氣缸可以通過“DNC-32-80-PPV-A”或“163308”進行訂貨或查詢。

（2）研究能否進行備件替代。對變更點應進行留痕或信息傳遞，替換時應以實現功能為基礎，結合部件特性進行評估。易燃易爆介質替換時應注意防爆等級，機械和電氣方面也各有側重。

機械方面主要考慮管路、機械儀表、泵、閥、過濾器、氣缸、油缸、軸承等部件替換。例如，管路替代主要考慮長度、連接方式、耐壓等級、傳輸介質特性等，圖2 中的3 種液壓油管兩端接頭方式、耐壓等級一致，在安裝長度足夠的情況下可以互相替代；機械儀表替代主要考慮量程、作用介質、抗震性等，而軸承替代主要考慮安裝尺寸、精度等級、轉速、負載、防護方式等因素，在缺件的情況下圖3 中的3 種軸承可互相替代。

圖2 不同長度的液壓油管

圖3 不同生產廠家和防護方式的軸承

電氣方面主要考慮電源、線纜、信號、電器儀表等。例如，電源替代主要考慮輸入輸出方式、功率、安裝方式、監控反饋方式等（圖4）；線纜替代主要考慮長度、接口方式、防護等級、干擾屏蔽等，圖5 中的3 種線纜僅在長度尺寸上存在差異，在使用過程中可以結合實際安裝長度進行替換；信號替代主要考慮接口方式、感應距離、防護等級等，磨床、清洗機等濕式加工環境選型建議在IP67 及以上；電器儀表主要考慮接口方式、作用介質監控反饋方式等。

圖4 性能相似的電源備件

圖5 不同長度尺寸的線纜備件

（3）研究能否進行返修或備件拼湊，即從類似備件或待返修件、報廢件中組合拼湊一個可用的備件。氣缸、油缸類備件進行返修拼湊時，可以選擇相同活塞直徑的進行返修。圖6 中的同系列氣缸在必要情況下可返修組裝。

圖6 不同長度尺寸的氣缸備件

（4）研究能否臨時屏蔽，并對存在的安全、質量風險進行評估和升級。對于變更管理，難點在于技術的安全可靠性和管理的信息傳遞，對于復雜設備或功能的屏蔽，應當對可能發生的各類特殊情況進行FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式及后果分析），涉及人員參與協作配合的部分需要進行人員動作分解分析，管理方面的信息傳遞需要在涉及到此設備使用、維護的人員中進行，確保所有人都對此變更點有充分認知。

（5）對于機械加工件，可利用圖紙進行應急性的機械加工，無圖紙備件可以開展反向測繪制作圖紙。

3 故障處理后的管控預防

對于設備故障的管控，應考慮制定后續預防措施，遵循PDCA（Plan-Do-Check-Act，計劃、執行、檢查和處理）原則。

3.1 對于已經找到本質原因的故障

（1）能徹底消除的，通過預防性維修、替代、改進等方式進行徹底消除。如果控制措施還未實施，應該利用清單跟進后續措施項，按照“5W2H”原則確定負責人和時間節點。實施后進行效果驗證，無問題后應將該措施更新到預防性維修的標準作業文件，形成標準化和經驗積累。

（2）不能徹底消除的，應該通過員工培訓、預防性維修等措施，降低問題發生概率和提高維修速度，并評估對生產的影響程度，通過改造措施以徹底解決。

（3）應該舉一反三，消除類似故障隱患。

（4）涉及備件消耗的，應跟蹤并確保庫存足夠。

3.2 暫時沒有找到原因的故障

（1）指定問題跟蹤負責人，組織對故障進行系統分析和措施制定和實施驗證，建立持續跟進機制。

（2）應該舉一反三，找出類似故障隱患，待找到解決方法后一并解決。

（3）涉及備件消耗的，應跟蹤并確保庫存足夠。

4 結論

（1）“浴盆曲線”作為設備全生命周期管理的客觀規律，在設備壽命的不同時期，結合故障特點可以進行有效管控介入，可以提高設備開動率，縮短設備早期故障期并延長平穩期。

（2）設備維護過程中會遇到疑難問題、備件短缺等問題，遵循一定的原則和方法能提高故障解決效率。

（3）設備出現故障后，應急解決只是第一步，需要通過科學的方法制定后續預防措施，按照PDCA 原則進行管控可以避免重復故障的發生概率，提高設備使用效率。