（机械制造及其自动化专业论文）高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究.pdf

硕士论文高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 摘要 当前国产高速精密数控冲床可靠性水平已经成为制约冲压设备发展的重要因素 研究高速冲床可靠性技术刻不容缓 本文以分析高速冲床故障产生机理为出发点 以 分析系统潜在薄弱环节 降低故障发生几率为目标 研究适用于大型复杂设备的可靠 性分析关键技术 论文首先对高速冲床各系统的结构和功能进行分析 在此基础上对系统故障模式 进行分类定义以建立可靠性评价指标 同时建立各系统的子系统分配模型以及传动系 统结构框图 为后续故障分析提供模型基础 选取 传动系统运行故障 和 曲轴故障 这两种各具代表性的高故障率事件作 为研究对象 运用故障树分析方法分析导致故障发生的所有基本事件 再对结果进行 定性分析 确定对传动系统影响最严重的设备元件以及曲轴最严重的破坏形式 对传动系统关键设备的结构和工作原理进行分析 确定设备所有可能发生的故障 模式 并建立故障影响分析表 运用基于加权几何平均值的模糊故障模式影响分析方 法计算各故障的危险优先度 确定各故障对设备的影响程度 并制定相关维护和保养 措施防止高危险性失效形式的发生 对曲轴主要破坏形式进行有限元仿真分析 首先建立传动系统模型 在对曲轴进 行柔性体转化之后进行系统动力学仿真 获取曲轴各个支撑位置和传动位置的载荷曲 线 之后运用故障分析软件分析曲轴的薄弱环节 并制定相应保养措施提高曲轴运行 寿命 关键词 高速精密数控冲床 可靠性技术 故障树分析 故障模式影响分析 曲 轴寿命 a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t yl e v e lo fd o m e s t i ch i g h s p e e dp r e c i s i o np r e s sh a sb e c o m ea l li m p o r t a n t f a c t o rw h i c hi sc o n s t r a i n i n gt h ed e v d o p m e mo fp u n c h i n gm a c h i n e t h i sp a p e rs t a r t e df r o m t h ea n a l y s i so ff a i l u r eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m a n a l y z e dt h ew e a k n e s s e si nt h es y s t e m a n d s t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e l i a b i l i t ya n a l y s i sf o rc o m p l e xe q u i p m e n t f i r s tt h i sp a p e ra n a l y z e dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fa l ls y s t e m s o nt h i sb a s i s a l l t h ef a i l u r em o d e sw e r ec l a s s i f i e da n dd e f i n e d m e a n w h i l e t h ed i s t r i b u t i o nm o d e lo fa l l s y s t e m sa n dt h eb l o c kd i a g r a mo ft r a n s m i s s i o ns y s t e mw e r ee s t a b l i s h e d t r a n s m i s s i o no p e r a t i o nf a i l u r ea n dc r a n k s h a f tf a i l u r ew e r ec h o s e nt ob et h er e s e a r c h o b j e c t i v e s a n du s i n gf t a m e t h o dt or e s e a r c ha l lt h eb a s i ce v e n t st h a tc a nl e a dt ot h e s et w o f a i l u r em o d e s b a s e do nt h er e s u l t s t h em o s ti m p a c td e v i c eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e ma n d t h em o s ts e r i o u sd a m a g et ot h ec r a n k s h a f tw e r ei d e n t i f i e d t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ek e ye q u i p m e n th a db e e nr e s e a r c h e d a l lt h e p o s s i b l ef a i l u r eo ft h ed e v i c eh a db e e na n a l y z e d t h e nt h ef a i l u r em o d ea n de f f e c tt a b l ew a s e s t a b l i s h e d t h er i s kp r i o r i t yn u m b e rw a sc a l c u l a t e db yu s i n gr i s ke v a l u a t i o ni nf a i l u r e m o d ea n de f f e c t sa n a l y s i su s i n gf u z z yw e i g h t e dg e o m e t r i cm e a n a n dt h en e c e s s a r y m e a s u r e sw e r ed e v e l o p e dt or e d u c et h eo c c u r r e n c eo fd a n g e r o u sf a i l u r e t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mh a db e e ne s t a b l i s h e da n dt h ef l e x i b l ec r a n k s h a f tm o d e lh a d b e e nc r e a t e d t h e nt h es y s t e mo p e r a t i o nw a ss i m u l a t e da n dt h ec r a n k s h a f tl o a dc u r v ew a s o b t a i n e d o nt h i sb a s i s t h ew e a kl i n k so ft h ec r a n k s h a f tw a sa n a l y z e db yu s i n gf a i l u r e a n a l y s i ss o f r w a r ea n da p p r o p r i a t em e a s u r e sw e r ed e v e l o p e dt oi m p r o v et h ec r a n k s h a f t r e l i a b i l i t y k e y w o r d s h i 曲一s p e e dp r e s s r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y f a u l tt r e ea n a l y s i s f a i l u r em o d ea n d e f f e c ta n a l y s i s c r a n k s h a f tl i f e 硕士论文 高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 随着当今世界科学技术的飞速发展和国际竞争的日趋激烈 装备制造业和制造技 术正朝着高速化 精密化 自动化和现代化的方向迅猛发展 其中高速精密冲压设备 以其高效率 高质量 高自动化 低成本等性能优势逐渐成为工业生产中的首选加工 设备 我国自上世纪7 0 年代开始致力于高速冲床的研究与开发 并在技术的不断突破 中逐步实现产品的自主研发 目前国内高速精密冲压设备已广泛应用于电子 通讯 计算机等行业之中 并逐步实现装备制造业设备的进口替代n 3 然而 随着冲床密集 型技术的不断引入以及复合功能的增加 不断累积的不可靠因素及故障隐患极大的增 加了产品的故障率 降低机床冲压能力和运行精度的保持能力 可靠性已经成为制约 国内高速精冲压设备发展的重要因素 可靠性是指产品在规定的环境 寿命和使用条件内可以完成其规定功能的能力 是一项具有时间性和统计性的质量评价指标 当前 我国高速冲床与国外先进冲压设 备相比有明显的差距 据项目研究组调研 国内冲压设备可靠性评价指标平均无故障 工作时间值大约为2 3 0 小时 与国外同类型产品无故障工作时间差距甚远 约为9 0 0 小时 低可靠性意味着冲床故障率高 加工质量不稳定 维修成本高 正常生产易 受影响甚至导致意外事故的发生 在汽车 军工 发电设备等行业 用户更加重视先 进功能的维持能力 即将可靠性作为设备选择的重要参考因素 因此 提高国产高速 精密数控冲床可靠性能力势在必行 只有提高国产高速冲压设备的可靠性 打破国外 先进冲压设备的技术垄断 才能提高国产冲压设备的市场竞争能力 目前 国内冲压设备可靠性较低的主要原因为行业尚未形成完善的冲压设备可靠 性技术体系 没有相应技术手段对设备进行试验测试 故障数据积累以及故障分析 同时提高设备可靠性需要从产品设计 制造 装配 供应 使用和售后服务多方面协 调运作的系统工程 种种原因严重制约了国内冲压设备的可靠性水平 为提高国产高速精密冲压设备可靠性 我国建立了数控机床专项研究项目 并将 可靠性设计和性能试验技术两个方面作为项目首要研究对象 要求制造行业重视并研 究数控冲床的可靠性技术 本文致力于高速冲床可靠性分析关键技术的研究 对冲床 的系统故障和零件故障两类失效形式分别进行故障树分析 按照分析结果对系统运行 影响较大的元件设备进行故障模式影响分析 同时对零部件较严重的故障类型进行结 构分析 通过运用这三种分析方法研究系统运行中危害较大的故障模式和零件设计上 的薄弱环节 进而提出相应的使用运行规范以提高设备可靠性 形成一套从系统到设 1 l 绪论 硕士论文 备逐步深入研究的高速冲床可靠性故障分析技术 1 2 国内外高速冲床可靠性技术研究现状 1 2 1 国外机床可靠性研究现状 可靠性工程兴起于上世纪3 0 年代 在5 0 年代其基础理论和研究方向得以正式确 立并成为独立的研究学科 自此可靠性理论开始应用于机械电子产品的质量评价与设 备研发 其后美国空军于8 0 年代末期颁布的 r m 2 0 0 0 大纲 及美国国防部于1 9 8 8 年颁布的 全面质量管理 条理实现了可靠性技术的规范化与程序化比1 目前 世界上各制造业技术强国均将可靠性作为设备研发的第一要求 并已形成 一整套系统 规范的实施准则 在新型产品研制开始之时就进行可靠性指标的建立 在设计过程中利用可靠性增长技术对设备进行试验 分析 改进 试验 直至 达到可靠性规定指标曙1 作为可衡量国家工业现代化水平和综合国力的高速精密冲压设备 其可靠性技术 也获得了各国的高度重视和大力发展 为保障设备元器件的可靠性 美国各组织机构 制定出元器件优选目录 p p l 厂商目录 q p l 以及多项元件筛选标准指导文件 而一系列试验标准 如m i l s t d 7 8 1 c m i l s t d 7 8 5 b 等 也将可靠性试验研究技 术列入产品研制工程之中 前苏联专家运用现代数学 物理学等工程科学对机床进行 建模和可靠性故障研究 日本科学家通过对机床数据统计进行分析 计算出机床无故 障工作时间等可靠性指标 并实现对设备故障产生原因的全面分析h 1 经过长期研究 国外数控冲床可靠性的技术基础 应用和开发三个研究领域获得协调发展 在重视元 器件可靠性 可靠性规范化管理 可靠性试验分析和可靠性数据处理的基础上应用可 靠性设计 故障诊断 预计分配等技术对机床进行分析以保证机床的可靠性嘲 在完善的管理体制和操作流程控制之下 国外高速数控机床可靠性指标远超国 内 其表现主要体现在平均无故障工作时间 如数控机床m t b f 已达到5 0 0 0 h 机床 数控系统m t b f 可达8 0 0 0 h 与此同时 机床冲压速度 导向精度 状态监控 噪声 和振动控制等各方面都得到协调发展哺1 1 2 2 国内机床可靠性研究现状 我国自7 0 年代开始注重可靠性研究工作 并取得较快的发展 1 9 8 2 年由中国机 械工程学会组建的机械可靠性学组正式成立 并制定出g b 3 1 8 7 8 2 可靠性专业术语 定义 1 9 8 4 年颁布的 电子设备可靠性预计手册 全面推动了自动化控制设备的可 靠性研究口3 9 0 年代以来我国大力发展数控机床可靠性技术工程的基础研究 九五 期间国家将数控机床可靠性定为重点科技攻关项目 十五 期间我国高速冲床迎来 发展的黄金期 吉林大学的贾亚洲教授带领其学术团队对数控冲床可靠性技术展开了 2 硕士论文 高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 系统性的研究 目前国家重大专项高速冲床可靠性研究工作也于2 0 11 年立项全面展 开 当前我国高速冲床可靠性技术已经取得一定进展 但同时也有很多问题迫切需要 解决 首先 国内品牌企业缺失 机床制造行业没有形成品牌意识和品牌发展战略 其次 没有意识到产品可靠性是产品质量的关键核心 可靠性增长工作仍不是质量工 作的重点 可靠性技术研究的广度与深度不足 企业对可靠性增长理论 技术以及应 用的研究较浅 可靠性研究严重不足导致国产冲床与国外产品有极为明显的差距 据 调研统计 国产冲压设备可靠性指标平均无故障工作时间约为2 3 0 小时左右 不到国 外产品的三分之一 且故障模式较多 损坏型 松动型 失调型 状态型 工艺型等 故障形式皆有出现 故障综合影响较大 可靠性技术的薄弱极大地影响了国产设备的 产品信誉和市场竞争力 导致进口数控机床数量居高不下 国产高端数控机床市场占 有率偏低 1 3 高速冲床可靠性关键技术及发展趋势 1 3 1 高速冲床可靠性关键技术 经过几十年的科学研究与实践运用 高速冲床可靠性技术已取得了较大的发展 各种分析方法与增长技术已经趋于详尽和完善 具体研究方法有 1 可靠性设计 可靠性设计包括建模 分配 预计三项内容 其主要设计方 法为降额设计 即根据元器件的特性进行寿命分配以延长无故障工作时间 对于成品 设备则进行满负荷生产运行和故障试验 使设备中隐蔽性较强的故障模式得以暴露 再对故障数据进行统计分析找出故障原因和设备薄弱环节 有针对性的研究可靠性增 长设计方法 提高设备可靠性阳1 2 可靠性故障分析 故障分析方法主要包括故障树分析 f a u l tt r e ea n a l y s i s f t a 方法和故障模式影响分析 f a i l u r em o d ea n de f f e c t a n a l y s i s f m e a 技术 f t a 技术是一种用以研究系统故障原因的有效分析方法 f t a 分析方法第一步是 选择一项设备系统中最不希望发生的故障形式 并将其设定为顶端事件 第二步为根 据系统的结构和功能找出所有可直接导致顶端事件发生的各种因素组合 之后分析导 致这几种因素发生的所有次级因素 依次逐级向下演绎 并最终分析出引起顶端故障 时间发生的全部原因 然后将各级事件用表征相应逻辑关系的逻辑符号与顶端事件相 连接 使顶事件 中间事件和底事件组成具有逻辑关系的故障树图形 最后进行最小 割集计算 确定导致事件发生的最小故障原因集合 f m e a 技术是一种分析设备潜在失效形式 失效后果和失效原因并研究其风险顺 序的分析方法 应用该技术首先需对设备进行结构和故障模式分析 确定各故障的故 1 绪论硕士论文 障部位 故障原因和解决措施 并建立f m e a 表格 再对故障模式的故障严酷等级 发生频度和可检测性等风险因素进行计算 确定故障模式中危险性最大的失效形式和 设备的薄弱区域 并依据分析结果制定相应使用 维护和保养措施提高设备可靠性 3 可靠性建模仿真 该技术是一种利用分析软件对复杂设备进行建模仿真 分析设备受力变形 精度变化 疲劳特性以及振动和内部热源等运行状态对设备的影 响 分析结构的设计缺陷和薄弱区域 并对可靠性源头 设计过程提出改进措施 提高机械系统可靠性的分析方法 4 可靠性预测技术 该技术是通过样本的观测值以统计分析和概率分析的方 式预计产品可达到的可靠性等级 指导可靠性的深入设计 但由于此方法主观性较强 计算量大 结果对数据的灵敏度较高 故分析时必须注重环境条件 设备工作期限 数据采集以及各单元间相互作用的影响 5 可靠性运行维护 提高机床可靠性最基本的工作是要提高机床m t b f 这就 需要在机床日常使用过程中进行保养与维护 具体方法为 注意安装环境 避免灰 尘污染和振动的影响 保证电源的安装质量 机床接地良好 保证设备冷却能力 减少系统过热引起的损坏 提高机床使用率即提高机床满负荷工作时间 防止电器 元器件受损 保证润滑质量 提高压缩空气质量 提高操作人员的操作水平 坚持日常维护以及预防措施 提高可靠性同时也要降低机床平均修复时间 其保养 措施为 完善技术资料准备工作 在故障发生时根据故障性质迅速判断故障区域并 做出正确的修复判断 完善维修工具准备工作 合理 有预见性和针对性的储备备 件 提高维修人员的设备诊断能力和故障维修水平 加强高速冲床的保养与维修 管理川 1 3 2 高速冲床可靠性技术发展趋势 当今世界高速冲床可靠性技术已经取得了突破性进展 但这一工程仍面临巨大的 挑战 需要在长期反复的设计 改进 优化过程中实现可靠性技术的不断完善 提高设备可靠性首先要保证元器件的可靠性 而机床元器件质量要在工艺实现得 到保障 其具体实施要求为 确定主要失效模式 关键特征 易出现经济损失的工 序和工艺的关键工艺参数 对关键工序工艺进行优化控制 将条件参数调整到最佳 范围 对关键工艺和工序进行工艺监测和统计控制管理 实现加工工艺的过程控制 和质量监测 对关键工序进行工序能力评价 提高设备全套工艺的可靠度n 们 可靠性增长同时需要制造装配技术的研究 对外购件进行可靠性控制 发展可靠 性装配工艺 运用装配工艺控制技术保证装配过程中安装精度 防止零部件因装配问 题而出现应力集中等异常情况 使用条件 工作环境和维护保养等因素对机床可靠性的影响极大 因此需要研究 4 硕士论文高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 设备使用维护过程中的可靠性控制技术 对高速冲床的关键运行参数进行进行状态监 测来进行机床的可靠性维护监控 超过预定值时监测系统迅速反馈状态信息 机床关 键系统停止运行同时警报系统发出相应信号 实行强制维修保养 可靠性实验测试技术的发展是设备可靠性增长的重要基础 深入研究数据采集 处理技术 同时开展故障激发装置 机床应力测试装置 元器件变形测试装置等可靠 性测试平台的开发 将极大地完善高速冲床基础故障数据 促进f t a f m e a 可靠 性预测等研究分析方法的开展 可靠性工程是一个需要数学建模技术 有限元分析技术 测试技术以及管理技术 协调发展的多学科 多领域的综合技术 建立完善的可靠性评审体系 试验标准 试 验故障和生产运行故障数据检核表 在此基础上研究设备薄弱环节的可靠性增长措 施 制定机床设计 制造 使用和保养准则 消除冲床寿命要求之内可导致机床故障 的相关因素 是高速精密冲压设备可靠性技术发展的主要趋势 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于济南铸造锻压机械研究所牵头的国家数控重大专项 江苏省产学研 前瞻性研究资助项目和江苏省六大人才高峰资助项目 该项目致力于解决我国高速精 密冲压设备可靠性增长存在的关键共性技术问题 为冲压设备领域提供完善的可操作 性强的可靠性增长方案和标准化的实施规范 并为全行业提供技术支持 推动装备制 造业可靠性工程的实施 课题所研究的某型号高速精密冲压设备主要技术参数如表1 1 所示 表1 1 某型号高速精密冲压设备主要技术参数表 1 4 2 论文主要研究内容 论文以扬州某公司生产的某新型高速精密冲压设备为基础 以实现高速冲床可靠 性增长为目的 研究冲床故障分析的关键技术 论文以高速冲床故障率较高的系统故 障和零部件故障两类失效形式作为分析目标 从整机到元器件逐步深入的分析故障原 1 绪论 硕士论文 因与设备薄弱环节 研究适用于复杂设备的故障分析方法 具体研究内容如下 1 对高速冲床故障模式进行统计和分类定义 建立完善的故障评价体系 同 时分析高速冲床各级系统功能和系统间运行关系 定义系统代码 建立系统逻辑图形 和传动系统结构框图 2 对高速冲床故障发生概率较高的系统运行故障和零部件故障两类事件作为 顶端时间 运用故障树分析方法分析可导致故障发生的所有原因 3 对系统运行影响较严重的设备进行故障模式影响分析 确定对设备影响较 严重的故障类型 并制定对应维护与保养措施提高设备可靠性 4 对零部件最易发生的故障类型进行结构寿命分析 运用有限元软件模拟系 统运行状态 分析零件所受应力载荷 结构应变以及结构设计中的薄弱区域 并制定 相应工艺与保养措施增强零件可靠性 6 硕士论文 高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 2 高速冲床故障模式与传动系统可靠性模型建立 2 1 高速冲床工作机构简介 本次可靠性分析所选用的是某型号高速精密冲压设备 该设备主要由开卷机 伺 服送料机 压力机和电气控制系统四部分组成 如图2 1 所示 其中丌卷机由变频 调速电机带动卷轴正反转实现板料的外送和收回 同时配备压料装置保证料头的整 齐 伺服送料机由伺服电机提供驱动带动减速箱和螺杆升降机工作 实现板料输送和 高度调节 电气控制系统采用可编程控制器p c 光码器及可编程光码控制器p c s 以 及人机界面p t 构成 通过接收控制按钮和人机界面的输入信息进行程序运算并输出 相应的控制信号实现冲压设备各系统的协调工作 图2 1 高速精密冲压设备实物图 压力机是高速冲压设备中最重要也最为复杂的机械设备 其主要机械结构如图 2 2 所示 压力机的主要功能输出为滑块冲压运行 同时机床还具有滑块高度调节功 能 模具液压锁紧功能 过载保护功能和运动平衡等功能 各个系统功能在液压 气 压及润滑系统的功能辅助之下得以实现 为对高速冲床进行故障分析首先须了解各系统结构以及运行方式 按照功能输出 的类别对机床各系统结构进行定义归类可得 1 传动系统 传动系统是压力机的主要工作系统 其主要机械结构 如图2 3 所示 由调速电 机 带轮 传送带 离合制动器 气动双联阀 飞轮 滚动轴承 曲轴 球头连杆 主滑块 副连杆 平衡滑块 隔套 导柱等零部件构成 机床启动时调速电机带动飞 轮转动 气动双联阀控制曲轴与飞轮的离合与制动 曲轴转动带动由曲轴 连杆 导 向导轨和滑块构成的曲柄滑块机构工作实现机床冲压运动n 2 高度调节装置 滑块上端装有高度调节装置 该机构通过制动电机驱动链轮转动 链轮带动蜗杆 7 霉 2 高速冲床故障模式与传动系统可靠性模型建立硕士论文 蜗轮二级减速实现滑块装模高度的调整以及运动锁紧 并由旋转编码器控制调整精 度 1 2345 67 8 8 1 气动舣联阀 2 离合 制动器 3 小带轮 4 传送带 5 调速电机 6 飞轮 7 平衡滑块 8 球头连杆 9 高度调节螺杆 1 0 曲轴 1 1 静压导轨 1 2 滑块体 1 3 气囊平衡装置 1 4 机身结构 1 5 减震垫 图2 2 高速冲床压力机结构简图 12345678 1 气动舣联阀 2 小带轮 3 传送带 4 调速电机 5 飞轮 6 离合 制动器 7 副连杆 8 副滑块 9 滚动轴承 1 0 曲轴 1 1 球头连杆 1 2 隔套 1 3 静压导轨导柱 1 4 主滑块 图2 3 高速冲床传动系统机构图 硕士论文高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 3 过载保护装置 滑块内部装有过载保护装置 该机构采用气液安全阀和电磁球阀等元器件保证超 负荷工作时机床停止工作 防止主要承载零部件遭到破坏 4 液压锁紧装置 滑块底部装有液压锁紧机构 通过锁紧液压缸的往复运动保证模具安装的牢固 性 由于过载保护装置 液压锁紧装置和高度调节装置安装于滑块体之上并随着滑块 体同步运动 在进行结构分类时将这四个装置统称为滑块机构 5 平衡系统 为保证机床工作的平稳 降低冲压过程中的震动幅度 高速冲床中装有多项平衡 装置 主要包括平衡滑块 气囊平衡装置和减震垫 运用平衡滑块可降低机床冲压过 程中产生的往复惯性力 气囊平衡装置可以平衡滑块和上模的重量 避免因连杆断裂 等因素造成的震动或冲击 减震垫安装于压力机底部 可减少机床震动和工作噪音对 地基和周围环境的影响 6 辅助功能系统 高速冲床上还有相应的液压 气压和润滑系统 液压系统用于模具的安装锁紧 冲压过载保护和易损坏零件的润滑冷却 气压系统通过减压阀将压缩空气通入各分路 储气罐形成气动双联阀 气囊平衡装置 过载保护装置以及油雾润滑装置所需的空气 动力 润滑系统又分为油雾润滑和点润滑机构 对离合制动器 气动双联阀以及过载 保护装置等气动元件采用油雾润滑 对其他机械结构则采用点润滑方式润滑 保证机 构各工作点得到充分的润滑 7 机身结构 高速冲床采用高强铸铁分体结构机身 主要结构为底座和横梁 二者通过四根拉 紧螺杆固定到一起 实现各工作系统的位置固定 同时降低机床冲压时的应力变形 保证机床刚度 2 2 可靠性技术研究方案确定 传动系统是机床系统中最重要的工作系统 而机床故障也主要在传动系统运行过 程中得以体现 提高冲床可靠性意味着首先要提高传动系统平均无故障工作时间 m t b f 降低故障发生几率 本文以高速冲床传动系统作为研究对象 以分析故障发 生机理作为出发点 以降低故障发生机率为研究目的 逐级深入研究设备的可靠性薄 弱环节 本文可靠性分析关键技术研究路线为 对高速冲床进行故障模式定义和可靠性模 型建立 选取故障率较高的运行故障和零部件故障这两种典型的失效形式作为分析目 9 2 高速冲床故障模式与传动系统可靠性模型建立 硕士论文 标 运用故障原因分析方法分析导致这两类故障发生的全部因素 总结出导致系统运 行故障的关键设备以及零部件最严重的失效形式 再分别进行故障影响分析和零件结 构寿命分析研究二者的潜在薄弱环节 从而制定相应维护和保养措施提高产品可靠 性 可靠性分析技术中用于故障原因分析的最成熟技术是 故障树分析法 该技术 可通过故障树的建立研究导致故障发生的直接和间接因素 用于故障影响分析的技术 为 故障模式影响分析 该技术主要研究失效模式的故障严重度 发生几率 可检 测性等影响因素 在此基础上对故障模式进行危害度等级排序 以此研究对设备影响 严重的故障类型 零部件结构寿命分析有计算和仿真两种方法 而前者仅能对零件进 行简单的寿命估计 难以全面考虑弯扭载荷对零件具体结构的影响 故本文采用计算 较为精确的有限元仿真方法 对零部件加载模拟工作载荷 分析零件结构中最易出现 故障破坏的位置 并进行工艺和维护方面的改进 提高零件寿命 2 3 高速冲床故障模式定义 为研究高速冲床可靠性分析关键技术 首先需确定机床可靠性指标及故障模式的 定义 并对其进行归类划分 建立全面系统的评价体系 2 3 1 故障模式与可靠性评价指标 可靠性 r e l i a b i l i t y 是指在规定的环境 e n v i r o n m e n t 规定的使用寿命 l i f e 以及规定的使用条件 c o n d i t i o n 下设备的零部件 p a r t 元件 c o m p o n e n t 或 系统 s y s t e m 可以完成其规定功能的能力 可靠度r t 是设备在此条件下完成规定 功能的概率 而在此条件下丧失其规定功能的事件则称之为故障 f a i l u r e n 扣 故障 率九 是指可修复产品在无故障的工作到某时刻之后发生故障的概率 高速冲床的可靠性评定包括以下三个寿命指数 1 平均无故障工作时间m t b f m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e 高速冲床在规定的使用条件 时间和寿命下相邻两次故障之间的平均工作时间 2 故障前平均工作时间m t t f m e a nt i m et of a i l u r e 高速冲床在规定的使用条件 时间和寿命下预计的可运作平均时间 3 固有可用度a i 高速冲床平均无故障工作时间相对于平均无故障工作时间及故障前平均工作时 间之和的比例 其计算公式为口3 1 彳 丝竺 2 1 i m t b f 壬m t r f 可靠性评价指标是对机床加工质量 故障率 维修性和寿命的直接描述 提高产 品可靠性就意味着设备正常运行时间得以延长 维护费用降低 在加工设备日趋先进 1 0 硕士论文高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 与高端的今天 高可靠性将有助于产品提高市场竞争力 在日趋激烈的国际化竞争中 占有一席之地 2 3 2 高速冲床故障模式定义 高速冲床故障形式具有极强的复杂性 隐蔽性 随机性 延续性和模糊性 一般 故障描述方法无法对设备功能 结构等类别的故障形式进行定义归类 因此需将高速 冲床的故障模式按照功能型 损坏型 状态型 松动型 失调型 工艺型 堵塞或渗 漏型等类别进行分类定义 为系统可靠性分析建立故障代号 经过对高速精密冲压设备以及同类产品的长期调研 对设备的故障类别进行统计 和相关分类 具体选用和分配原则为 1 只选用机械故障的故障形式 2 只选用 故障的最终表现形式 3 故障类型表述具体到零部件级别 4 当故障类型复杂 单个零件难以描述时选用上一级别的故障表现 直至整机的故障形式n 利 由此可得 失效模式分类定义表2 1 表2 1 高速精密数控冲床机械故障模式及代码表 2 高速冲床故障模式与传动系统可靠性模型建立硕士论文 2 4 高速冲床可靠性模型建立 2 4 1 可靠性模型概述 高速冲床是一种由多项复杂系统元件按照特定的生产目的组成的高度自动化设 备 其可靠性直接决定于元器件的可靠性和系统的组合形式 对高速冲床进行可靠性 故障分析和寿命预测也必须在对系统和元器件的组成结构进行深入分析的基础上结 合零部件的故障概率 频率等指标来进行 因此对设备进行可靠性分析首先须将设备 进行子系统模块划分 高速冲床的系统划分首先须明确机床的工作原理和各系统的结构与功能 按照系 统功能将各子系统进行模块划分并逐级深入 直至各元器件的零部件组成 最终形成 一整套可真实反映子系统具体功能特征和结构依赖关系的可靠性模型n 5 l 同时 在对系统模型建立的基础上按照各结构的逻辑组合关系对设备进行数学模 型的建立 系统的逻辑关系包括串联和并联系统 其逻辑图形和数学表达式如图2 4 所示 疋 墨 o r 2 f 坟 f 兀r i 墨 1 一兀 1 一r f 留 扣lf 图2 4串联系统 左 并联系统 右 逻辑图型与数学模型示意图 2 4 2 高速冲床传动系统可靠性模型建立 在确定机床各系统运行协调关系的基础上建立高速冲床的可靠性模型 第一步需 要建立各系统及部件的相应代码以便在后续的建模和可靠性分析中清晰的表现故障 模式的位置及系统等级 第二步对各独立系统进行子系统模块划分 建立各级系统的 数学模型 最后对传动系统建立完善的结构框图 为进行系统或部件的可靠性故障分 析奠定结构逻辑基础 1 2 硕士论文 高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 2 4 2 1 结构模块代号设定 依据之前对高速精密冲压设备整机的结构 功能和运行情况分析 对压力机各级 系统及部件进行代码定义如表2 2 所示n 明 表2 2 高速冲床各级系统及部件代码表 2 4 2 2 分级系统结构模型建立 对该型号高速冲床生产线进行系统划分 其子系统模块分为 开卷机 伺服送料 机 压力机和电气控制系统 再对压力机进行一级子系统模块划分 可具体分为 传 动系统 滑块系统 平衡系统 液压系统 润滑系统 气压系统以及机身结构 如图 2 5 所示 对各系统之间的运行关系进行分析可得 高速数控冲床的正常运行需要各子系统 的协调运作 任何一个系统发生故障都会直接或间接影响其他各系统的正常运行 导 致整机功能失效 因此该系统在逻辑关系上属于串联系统 其可靠性数学模型为 高速精密冲压设备 i i l i 压力机 控制系统陶服送科例 开卷机 上 1 一上上上 传 滑 平液 润 气机 动 块衡 压滑压 境 系 机系 系系系结 统 构 统统统统 构 图2 5 冲压设备及压力机子系统模块划分图 r 例 尺丁例 r s r b 何 r 利暖工 r p 何 r f t 2 2 式中 r t 压力机可靠度 l t 卜r f t 各相应子系统可靠度 再进行传动系统之外的其他机械系统二级子系统划分 滑块机构可得滑块体 过 2 高速冲床故障模式与传动系统可靠性模型建立硕士论文 载保护装置 高度调节装置和液压锁紧装置四部分 如图2 6 所示 平衡系统可分 为平衡滑块 平衡气囊结构和减震垫三种结构 如图2 7 所示 相应数学模型为 r s 例 r s s t r s o t r s h t r s w 2 3 r b x e v t r s a r s c t 2 4 式中 飚 t 卜r b c t 各相应系统可靠度 图2 6 滑块机构二级子系统模块划分图图2 7 平衡系统二级子系统模块划分图 2 4 2 3 传动系统结构模型建立 传动系统的主体结构为曲柄滑块机构 在对此结构的运动传递过程 惯性力平衡 设计 冗余导向设计以及机架支撑结构进行分析的基础上 建立系统结构框图 如图 2 8 所示 图2 8 压力机传动系统结构框图 通过分析得到传动系统的具体形式 曲轴通过多个轴承与主 副连杆和上横梁连 接实现在飞轮的驱动下自转并传递动力 主滑块与平衡滑块在连杆的带动下依靠冗余 导向结构和平衡装置实现定向移动 在结构上传动系统与滑块机构 平衡系统联系密 1 4 硕士论文 高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 切 同时在运行过程中又需要液压系统 润滑系统及气压系统的功能辅助 对高速冲床进行系统模块划分和建立传动系统机械结构模型是进行设备故障分 析和寿命预测的基础 在对机床寿命 精度 动平衡等可靠性评价指标进行分析时需 要根据故障失效模式的特定要求对传动系统和各辅助系统中的关联器件进行取舍组 合成为特定分析模型h 引 2 5 本章小结 本章首先对高速精密数控冲床整机及各系统的结构和设备组成进行简单介绍 确 定了文章的研究路线 之后阐述了高速冲床可靠性评价指标 并对机床故障模式进行 统计和分类定义 同时建立了以传动系统为中心的各级系统代码设定表 子系统划分 和传动系统结构框图 为机床系统可靠性故障树分析 故障模式影响分析和零部件结 构寿命分析奠定基础 3 高速冲床传动系统故障树分析硕士论文 3 高速冲床传动系统故障树分析 高速冲床传动系统结构复杂 其失效模式也具有较强的复杂性 隐蔽性和多样性 故障程度及产生机理难以判断 运用故障树分析法可根据特定故障模式建立全面的分 析模型研究系统故障起因n 射 3 1 故障树分析简介 3 1 1 故障树分析原理简介 故障树分析方法 f t a 是一种对复杂系统进行可靠性故障分析及安全性风险评 估的研究方法 该方法通过研究系统 部件 零件的 下降级 方式分析系统失 效以及诱发失效的各种直接或间接的故障起因 并将各种事件形成真实详尽的逻辑关 系模型来确定故障原因的各种组合以及最d n 集 故障树分析方法将确定作为分析的故障模式作为顶端事件 逐步寻找造成这种故 障的相关因素 之后逐级深入 直至最原始 故障机理最明确的底端因素 分析的过 程也是一种建立逻辑关系图形的过程 该方法的分析特点包括 1 目标明确 可真 实详细的展现故障起因 2 可系统的整理故障起因 3 运用逻辑推理和相应理论 符号进行系统性 层次性的分析 4 运用故障树分析可明确故障发生过程 帮助设 计者采取相应措施防止故障发生 并确定需进一步研究的课题n 9 l 对于高速精密冲压设备 高经济型和高安全性是产品设计的重要要求 而其复杂 的系统结构也要求故障诊断和维修的低耗时和低维修成本 当今故障分析方法对于非 线性系统结构和并存式复杂故障的分析仍不够深入啪1 故障树分析方法作为一种可提 高系统可靠性和安全性的探索性分析过程 不仅可以分析故障本身 更是一种可分析 各故障模式之间的传递途径及可靠性改进措施的先进分析诊断方法盥 3 1 2 故障树分析法实施步骤 运用故障树分析法进行故障原因分析的基本步骤为 在进行产品深入调研的基础 上进行顶事件的选取 分析故障直接和间接产生原因 建立故障树逻辑图形 分析故 障树最d 害j l 集 计算故障率及故障原因分析 1 故障顶事件的选取 选取最不希望发生的某种故障失效模式作为顶事件 顶事件的选取原则有 顶 事件必须要有具体明确的定义 该事件必须可以深入分解 该事件可以定量的度 量 1 6 硕士论文 高速精密数控冲床町靠性分析关键技术研究 2 故障树的建立 通过逻辑演绎的方式研究系统故障以及引起故障发生的各种因素之间的逻辑关 系 并用特定的逻辑关系符号 故障树符号 将各类因素联系起来 建立故障树 图形 建立故障树采用的基本符号见表3 1 瞳刳 表3 1高速冲床各级系统及部什代码表 2 故障树的定性评价 对故障树进行分析得到可以导致顶事件发生的所有故障模式 再选用相应的分析 方法进行最小割集的计算以及故障发生机理 割集是指可导致顶事件故障形式产生的 基本事件的集合 最小割集是所有割集中可导致顶事件故障产生的最低限度的基本事 件乜射 最小割集的计算方法较多 最常用的是下行法 又称f u s s e l v e s e l y 法 和上行 法 又称s e m a n d e s e s 法 本文采用上行法进行最小割集计算 该方法从底事件开始 推算 向上逐级深入 直至顶事件 统计时利用集合运算规则进行简化 并最终确定 可导致设备故障的最小割集和设备薄弱环节 3 2 故障树定性分析 3 2 1 传动系统运行故障故障树分析 3 2 1 1 故障顶事件的选取 对高速冲床工作运行进行长期现场调研可得 传动系统运行问题种类较多 可基 本归类为机床无法启动 定位停止不准确以及机床无法急停三种故障类型 而经故障 数据统计 机床无法启动是高速冲床整机故障率最高的失效模式 其他两种故障形式 也在机床故障中占据较大比例 本次故障树分析选取由这三种故障类型所组成的传动 系统运行故障作为顶端事件 1 7 3 高速冲床传动系统故障树分析 硕l 论文 3 2 1 2 故障树的建立 机床无法启动 定位停止不准确和机床无法急停这三种故障表现关系到电动机 离合制动器 气动双联阀 热继电器等元件的运行 以及气压 润滑 液压系统的功 能辅助和数控系统的运行控制 导致故障发生的原因也包括零部件损坏 设备调整不 当以及人为失误等多种因素 经过对失效形式系统结构和故障联系的深入分析 分别 建立该故障的顶事件 中间事件和底事件的事件统计及代码表 表3 2 3 4 表3 2 传动系统故障树顶事件及代码表 故障树顶事件 故障模式代码 传动系统无法启动 双联电磁阀不吸合 定位停j 位置不准确 离合制动器形成不当 t 0 l o l t e v o l o l t o l 0 3 t c b 0 5 0 4 调速电机故障 离合制动器不运转 双联电磁阀气压过度偏离预定值 冲床无法急停 t m o l 0 2 t c b 0 l o l t e v 0 5 0 3 t o l 0 4 相关线路脱落或断线 调速器损坏 急停后滑块不在上死点位置 急停按钮没有复位 离合器行程过大 制动器摩擦片过度磨损 离合器行程过小 p c 控制器问题 热继电器保护或损坏 双联电磁阀压力过低 急停按钮触电位置故障 离合器活塞密封圈漏气 旋转编码器角度调整不当 双联电磁阀压力过高 辅助继电器故障 根据对系统故障产生机理的逻辑分析以及各事件的代码设定 建立机床运行故障 的故障树图形 如图3 1 所示 3 2 1 3 故障树最小割集计算与定性分析 1 故障树最小割集计算 利用上行法确定故障树最小割集 首先确定故障树最后一级割集 t m 0 1 0 2 x l 七x 2 x 3 t e y o i o i x 4 x 5 x 6 x 7 七x l t c b o l 0 1 x 8 x 9 t e v 0 3 0 3 x l2 x 4 t c b 0 3 0 4 x l3 七x 9 t 推算上一级割集 2 4 6 8 k 屹 h 地 斟 硒 凇 煳 m 煳 l 3 5 7 9 c 一 淞 淞 洲 煳 灿 硕上论文高速精密数控冲床可靠性分析关键技术研究 t 0 1 0 1 t m 0 1 0 2 t e v o l o l t c b 0 1 0 1 x i x 2 x 3 七x 4 x 5 x 6 x 7 七x 8 j r x 9 t 0 1 0 3 x l o 七x n 七t e v 0 3 0 3 t c b 0 3 0 4 4 七x 9 七x l o x l l 七x 1 2 x 1 3 t o l 0 4 x l x 6 x 1 4 x 1 5 最终确定顶事件最小割集 t 0 1 t 0 1 0 1 t o l 0 3 t 0 1 0 4 x l 七x 2 七x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 七x 8 j r x 9 x l o x l l x 1 2 七x 1 3 x 1 4 x 1 5 图3 1 压力机运行故障故障树分析图形 根据故障树的设定得到系统运行故障产生机理的1 5 种最小割集 x l x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 x 9 x l o x 1 1 x 1 2 x 1 3 x 1 4 x 1 5 这1 5 个最小割集表示了故障发生的所有可能性 即任何一种故障发 生均会导致系统运行故障心引 这一分析结果可作为故障诊断指导应用于故障维修 即 传动系统出现运行问题时有针对性地对这1 5 种基本事件进行检查 减少故障诊断所 需的时间消耗 3 2 1 3 故障树定性分析 对影响传动系统正常运行的1 5 个最小割集进行归类统计可得 故障原因主要为 元器件调整设置不当和零部件损坏两种类型 此外控制系统出错和人为失误也会导致 运行异常 而通过对高速冲床以及同类产品的故障数