“数控机床可靠性技术”专题（二）可靠性增长体系

张根保 范秀君

（重庆大学机械工程学院，重庆 400044）

为了满足用户对机床可靠性日益提高的需求，机床制造企业应该具备持续提升其产品可靠性的能力，可靠性增长体系的建立就是提高机床可靠性的重要手段。可靠性增长思想始于20世纪50年代，而有关可靠性增长体系的研究则以1981年美军颁布的可靠性增长管理标准为标志，这些技术标准及管理流程已成功地应用在电子产品和军品的开发研制过程中[1]。近年来，一些工业发达国家（如德国、日本等）的机床企业相继掌握了机床产品的可靠性核心技术，建立起保障产品可靠性持续提升的技术手段[2]。而国内的相关研究工作则起步较晚，技术积累薄弱，仍处于发展阶段。针对国内机床企业可靠性方面存在的问题，国内机床可靠性的研究单位相继开展了可靠性增长体系的研究工作，取得一批研究成果，已经形成一套比较成熟、理论性和操作性强的可靠性增长体系和系列实用技术。

所谓的可靠性增长就是在保证设计任务书确定的可靠性指标的基础上，通过不断发现和消除产品在设计和制造中的缺陷，逐步提高产品可靠性的过程。可靠性增长的核心是要持续提高产品的固有可靠性水平，只有在产品寿命周期内，不断开展“发现缺陷—分析缺陷—纠正缺陷”可靠性增长活动，才能实现固有可靠性的持续提升。

为了帮助国内机床制造企业打造自身的可靠性增长能力，持续提升国产数控机床的可靠性水平，本文重点介绍可靠性增长体系的整体架构，论述了可靠性增长体系所涵盖的内容、关键技术及其实施流程。

1 可靠性增长体系的整体构架

由可靠性增长的内涵可知，可靠性增长是针对产品的固有可靠性而言的，它通过各种可靠性试验数据和用户反馈的故障信息，发现和不断改进产品的设计制造缺陷和薄弱环节，从而逐步提高产品可靠性的螺旋式改进提升过程。电子产品及军品的可靠性增长主要以可靠性增长试验为故障或缺陷的激发手段，是通过对可靠性试验的管理、规划和评估实现的。对于数控机床产品而言，其可靠性的增长同样需要有系统科学的增长体系予以支撑。结合国内机床制造企业的现状及特点，笔者给出了机床产品可靠性增长体系的整体构架，如图1所示。

图1 数控机床可靠性增长体系构架

从图1可以看出，该构架以产品的寿命周期为主线，包括基于分析预测的正向改进提升和基于故障数据的逆向改进增长两种机制。可靠性增长活动遵循PDCA循环的工作模式，通过各种有计划的分析和试验发现产品存在的缺陷，然后分析缺陷产生的原因，制定改进措施，最后监控落实改进措施，使产品的可靠性得到逐步提升。其中，可靠性分析手段包括故障树分析（FTA）、故障模式及影响分析（FMEA）、热应力平衡分析、机械应力均衡分析、整机匹配性分析、可靠性评审等内容。故障数据主要来源于各种可靠性试验活动和产品的运行过程，包括样机可靠性试验、研发阶段的早期故障消除试验、工艺可靠性试验、产品定型试验、外购件入厂可靠性验收试验、整机可靠性评估及鉴定试验、整机可靠性验收试验，来自用户现场的产品运行维护及故障数据等。

2 实现可靠性增长的主要技术

实现数控机床的可靠性增长是一项复杂的系统性工程，涵盖内容广泛，下面给出可靠性增长的部分关键技术：

2.1 可靠性数据的收集

机床在其寿命周期内的可靠性数据是实施可靠性增长的基本出发点。可靠性增长数据主要包括：(1)对于新设计的产品，首先收集提取与其具有相似结构的产品的故障信息，分析在新品设计过程中是否存在相同的设计缺陷，避免同样的问题在不同型号机床的设计过程中重复出现。此外，在产品设计过程中，通过各种分析也会产生大量的故障数据。设计阶段的可靠性数据也来源于可靠性评审活动；(2)可靠性试验是最重要的可靠性数据来源，在进行可靠性试验过程中要对数据进行收集和分析；(3)对于已制造出厂的机床，要注重收集其运行故障信息，包括：产品型号、生产日期、故障时间、故障部位、故障模式、故障原因、故障处理情况和维修起止时间等；(4)机床故障与其载荷和工况具有相关性，有必要收集机床的实际运行状态信息，包括机床载荷信息、工况信息（环境状态），这部分信息可以通过研究机床载荷谱和工况谱的形式处理；(5)专家知识经验，专家信息虽然主观性强，但对于扩展信息量具有重要意义，尤其是当某些故障之间的因果关系很难通过试验验证时，专家知识显得尤为重要；(6)仿真试验数据，主要是对机床及功能部件实际运行状态的仿真数据。

2.2 可靠性试验

在机床产品可靠性增长过程中实施的可靠性试验包括：样机可靠性试验、研发阶段的早期故障消除试验、工艺可靠性试验、产品定型试验、外购件入厂可靠性验收试验、整机可靠性评估及鉴定试验、整机可靠性验收试验等。在样机试制阶段，需要进行样机可靠性试验和研发阶段的早期故障消除试验以激发机床及其功能部件的潜在故障或者缺陷，保证机床的设计可靠性；在小批量试制阶段，进行工艺可靠性试验和产品定型试验以暴露制造过程中存在的各种问题，保证机床的制造可靠性；在机床出厂前，一般进行整机可靠性评估及鉴定试验或整机可靠性验收试验以对可靠性增长效果进行评定。可靠性试验的内容包括可靠性试验的方案设计（包括试验项目和试验方法）、可靠性试验台搭建、可靠性试验规划制定、可靠性试验规范建立、试验过程记录、试验结果处理等。

2.3 机床故障及缺陷分析

机床产品的故障可概括为功能故障和性能故障两类。所谓功能故障是指产品丧失完成特定功能的能力。性能故障是指发生故障时，产品表现出性能指标迅速衰退或性能不稳定的现象。故障分析是实施机床可靠性增长的必要措施。目前，主要采用故障树分析和故障模式影响及其危害性分析方法以及由此而派生的一些方法，例如考虑了FTA的不确定性、动态特性、底事件及中间事件间的相关性等，考虑了FMECA的风险性、不确定性、评价指标的多样性等[4]。而缺陷通常隐匿于机床的设计和制造过程中，一般在试验或用户使用阶段才会被激发。因此，需要针对机床缺陷进行分析，例如对于机床设计缺陷，需要从结构应力均衡性、机电参数匹配性、电磁干扰特性等方面进行分析；对于制造过程需要进行加工和装配过程质量异常波动分析，分析在此过程中存在的缺陷及缺陷源。

2.4 可靠性评审

可靠性评审是可靠性增长过程中必不可少的环节，是可靠性管理活动的关键内容。可靠性评审是以机床全寿命周期的关键评审节点为对象，对产品寿命周期的可靠性状况和保障措施进行的评议和审查，以便于及早发现和消除影响机床可靠性的隐患，进而制定改进措施，提高产品可靠性水平。在评审过程中，需要对系统的功能、任务、环境条件进行全面分析；对技术途径、设计试验方法、使用的标准和规范、装配工艺、调试方法、试验和用户使用情况进行系统全面的审查，对所有影响机床可靠性的因素进行认真研究和鉴别；对系统最终形成的所有软、硬件的图纸、文件等成果进行正式的评审和论证；对体系文件、管理活动、改进活动的有效性和充分性进行审查。

3 可靠性增长体系的建立与运行

可靠性增长体系实施的基本过程如图2所示。

图2 可靠性增长体系实施过程

3.1 建立可靠性增长体系

(1）全面调研摸底：调研企业质量管理和可靠性保障能力现状，了解现有产品存在的主要可靠性问题,评估现有产品的可靠性水平。

(2）统一企业领导层对可靠性增长的认识：领导是企业的核心和决策者，对增长体系的建立、机构的设置、人员配置、职能划分和企业资源的配置等起着决定性作用。因此，在建立体系之前，企业领导层必须统一思想认识。

(3）对企业员工进行全员培训：企业员工是实施可靠性增长体系的主体，必须使他们充分理解可靠性增长体系的重要性，明确自身在体系中的职责和作用。

(4）制定可靠性增长方针和目标：可靠性增长目标是制定可靠性增长计划和工作内容的前提，也是衡量可靠性增长体系运行有效性的关键指标。

(5) 识别可靠性增长体系的过程及要素：在可靠性增长方针和目标确定之后，应根据企业自身可靠性工作的能力和现状，确定可实施可靠性增长的环节，识别其中的关键过程和重点要素，并以此作为可靠性增长体系建立和运行的基本依据。

(6）设置可靠性组织机构、明确职能划分：企业应根据自身实际状况，合理地设置组织机构，明确机构职能和主要工作内容，同时规定各可靠性工作的归口管理部门和相关责任部门以及其间的接口和协调方式，避免职能空缺或重复。

(7) 编制可靠性增长体系文件：可靠性增长体系文件是规范企业可靠性活动，实现可靠性增长方针和目标的依据。可靠性增长体系文件的编制应结合企业的可靠性职能分配进行，按所选择的可靠性增长体系要素，逐个展开各项可靠性增长活动。

3.2 运行可靠性增长体系

可靠性增长体系运行是执行体系文件、实现目标、保持增长体系持续有效运行的过程。体系文件必须得到贯彻实施，才能达到消除故障及缺陷，实现产品可靠性增长的目的。这一阶段的主要内容包括：(1)对企业人员进行可靠性增长体系文件相关内容、流程的培训；(2)全员参与可靠性增长体系的运行，执行相应的体系文件；(3)记录体系实施证据；(4)建立可靠性增长体系的运行监督机制。

3.3 评审可靠性增长体系运行效果

为了能够确保可靠性增长体系的有效实施和保持，验证体系文件的有效性、适宜性，需要对体系进行评审，评审内容包括：(1)可靠性增长管理评审；(2)可靠性增长技术评审；(3)可靠性增长活动效果评审。

3.4 改进可靠性增长体系

(1)发现、纠正、预防可靠性增长管理存在的不足；(2)发现、纠正、预防可靠性增长技术存在的缺陷；(3)改进措施的实施。

4 应用实例：数控转台的可靠性增长

重庆大学与国内某知名机床企业合作，开展了该企业的可靠性增长体系建设项目。本文以其卧式加工中心产品的主要功能部件——连续分度数控转台为例，阐述其可靠性增长过程，如图3所示。

图3 数控转台可靠性增长实施过程

(1)在前期调研阶段，首先进行企业内部调研，掌握企业各职能部门的工作内容、流程以及存在的问题，了解数控转台的可靠性现状；其次，对企业主要用户进行调研，了解数控转台在使用过程中存在的主要问题，收集用户对企业的意见和建议；第三，对供应商进行调研，考察关键零部件供应商质量控制和可靠性保证现状，发现存在的问题，对供应商提出质量和可靠性改进建议；最后，制定项目实施工作计划。此阶段的工作输出为《可靠性调研报告》和《项目实施计划》。

(2)在企业培训阶段，分别开展了面向企业中高层领导的可靠性知识培训讲座和面向企业员工的可靠性装配工艺培训、油品管理培训、清洁装配培训，同时在企业内部开办了可靠性工作简报，增强了企业员工对可靠性的理解。此阶段的工作输出为《培训记录表》。

(3)成立了由企业质量总工程师牵头，由设计、工艺、加工、装配、采购、售后维修、财务部门人员组成的可靠性工作小组，制定了数控转台可靠性增长目标——平均无故障工作时间3 000 h。

(4)编制了《数控转台可靠性强化试验方案》：可靠性强化试验时间为750 h，加速应力选择切削液流量、负载、转速和液压压力四种类型。其中，切削液的流量选用正常使用流量的120%，充分模拟加工环境，转台负重选用其最大设计极限的载荷块1 500 kg，转台转速选用其设计最高转速10 r/min，液压系统压力选用7.5 MPa，其最大使用极限为6.5 MPa）。试验设置四种不同的旋转角度（a1、a2、a3、a4）覆盖转台的分度范围，采用连续正转、反转和正反转交替三种旋转方式模拟转台的分度。通过建立综合应力剖面，以模拟“转台旋转分度→到位后停止→4个夹紧油缸夹紧→延时后夹紧油缸放松→转台继续旋转分度”等时序动作。环境应力筛选试验综合应力剖面如图4所示[3]。

图4 综合应力剖面

(5)在进行可靠性试验时，数控转台依次出现：液压管接头漏油、轴向精度不稳、丧失回转精度、夹紧油缸夹不紧、转台回零不准、拉抓断裂、转动时异响故障。经FMECA分析，确认拉抓断裂故障的严酷度等级为Ⅰ类，是首要解决的故障模式。对拉爪断裂故障（以此故障模式为例）进行FTA分析，发现电磁换向阀、弹簧性能、拉爪材质均处于正常状态，不是断裂主要原因，而“压力开关参数设置错误，导致其感应信号时续时断，造成托板交换动作与拉抓松开动作时序错误”才是产生拉抓断裂故障的主要原因。在确定问题主因后，更换断裂的拉抓，将压力开关的高、低压值分别设置为5 MPa和1 MPa，重新进行试验，该故障没有再发生，证明此次改进措施是有效的。最后，将改进措施形成正式整改文件并落实到相关责任部门。

(6)在改进措施正式发布后运行后，组织相关人员对改进措施的有效性和适宜性进行评审，同时对可靠性试验方案和数控转台可靠性增长效果进行评审，对评审不合要求的内容制定进一步的改进计划。

5 结语

目前，国产制造装备可靠性与国外产品还存在着较大的差距,这就需要装备制造企业在关注产品技术参数的同时,还必须注重产品的可靠性。要提高产品的可靠性，企业必须充分合理地实施可靠性工程，从可靠性意识、能力、方法、软硬件保障等各个方面入手，对产品全寿命周期过程中存在的问题进行控制，建立起适用于企业自身实际的可靠性增长体系，才能实现产品可靠性快速平稳地增长。

[1] 王华伟.液体火箭发动机可靠性增长管理研究[D].长沙,国防科技大学,2003.

[2] 杨兆军,陈传海,陈菲,等. 数控机床可靠性技术的研究进展[J].机械工程学报,2013,49(20):130-139.

[3] 范秀君,许静琳,张根保,等.数控机床早期故障消除技术[J].中国机械工程,2013,24(16):2241-2247.

[4] 张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制[M].北京：电子工业出版社,2010.