精密高速冲床的可靠性分析

文/高显宏·辽宁省交通高等专科学校

精密高速冲床的可靠性分析

文/高显宏·辽宁省交通高等专科学校

精密高速冲压技术是集精密高速冲床技术、高精度模具技术、高品质板料技术、智能控制技术于一体化的高精技术。它具有生产效率高、产品精度高、互换性好等优点。采用精密高速冲床进行高速度、自动化连续冲压是提高冲压生产效率的有效途径。目前，我国国产高速冲床的可靠性水平与国外发达工业国家相比还具有较大差距，而产品的可靠性将直接影响到产品的市场竞争力。因此，提高国产高速冲床的可靠性水平是应对当今激烈的市场竞争的当务之急。故障分析是实现高速冲床可靠性水平增长的重要环节，下面本文针对精密高速冲床的可靠性展开分析。

随着技术的不断进步，高速冲床日趋智能化和精密化，对其可靠性的要求也越来越高。提高冲床的可靠性水平，高速生产才有保障，找到影响冲床可靠性的主要因素变得十分重要。目前，国内高速冲床的可靠性研究基本处于起步阶段。可靠性研究是以查找故障、分析故障，最终达到避免故障为目的。分析故障的方法有很多，故障树分析是可靠性分析的重要方法和手段。故障树分析方法包括定性分析和定量分析。故障模式、影响及危害性分析（FMECA）是分析产品所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。它包括故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）两个部分。随着FMECA技术的发展，FMEA技术已经较为成熟，学术界对FMECA技术的研究主要集中在危害性分析部分。

高速冲床属于复杂的机电一体化产品，为了正确的描述故障，准确定义故障发生的部位，理清影响系统可靠性的逻辑关系和组成部位，对高速冲床进行子系统的划分尤其重要。

高速冲床子系统及组成

为了提高高速冲床的可靠性水平，找到有预见性的故障和避免故障的发生，必须在故障数据累积与经验推断的基础上逐步建立高速冲床系统的故障树，对高速冲床进行全面的故障分析。查清故障部位、故障模式及故障原因，统计出相应故障的出现频次，同时，掌握高速冲床的故障发生规律和对可靠性影响的排序，为高速冲床进行可靠性设计提供依据。高速冲床子系统按功能和机械组成划分情况见表1。

下面对高速冲床各子系统进行故障树的影响因素分析。

表1 高速冲床子系统划分情况

⑴分析传动子系统故障树的影响因素。高速冲床的传动子系统机械部分主要由调速电机、传动带和飞轮组成。调速电机提供动力输出和可调节的行程次数，飞轮和电机之间通过带传动实现动力的传递，输出能量。

⑵分析制动离合子系统故障树的影响因素。制动离合子系统主要由摩擦离合器和制动器组成。气动干式摩擦离合制动器利用外部的压缩空气进入离合器气缸，推动活塞移动，实现离合器摩擦片接合，产生摩擦力矩带动曲轴转动。制动时，离合器双联阀转换气路，离合器气缸排气，反向移动，实现与制动摩擦片接合，使曲轴迅速制动。离合制动器的摩擦力矩达不到要求，会使离合器打滑和加速摩擦片的磨损。

⑶分析滑块子系统故障树的影响因素。滑块子系统由曲柄滑块机构、滑块平衡装置、动平衡装置、装模调节装置组成。曲柄滑块机构将曲柄的回转运动，转化为滑块的上下往复运动。滑块平衡装置是防止曲柄滑块机构运动副之间反向受力而造成撞击和噪声。动平衡装置是为抵消曲柄和滑块运动的惯性带来的振动对机床加工精度的影响。装模调节装置是为调节滑块的装模高度，由盘式电机通过链传动、蜗轮蜗杆传动以及螺纹传动实现导柱长度的变化。

⑷分析气动子系统故障树的影响因素。气动子系统由主气路、离合制动器气路和平衡气缸气路组成。主气路通过三通接头分为两路，一路为离合制动器气路，一路为平衡气缸气路，分别为离合制动器和平衡气缸供气。

⑸分析液压夹钳子系统故障树的影响因素。液压夹钳子系统由气动增压泵提供装模高度调节机构锁紧所需的锁紧力，由锁紧压力继电器检测泵出油压的压力值。

⑹分析冷却润滑子系统故障树的影响因素。冷却润滑子系统由润滑油泵、过滤器、压力阀、分油器、油冷机组成。润滑点包括滑块的导柱导套、曲轴上的轴承组件、动平衡滑块。当油压超出规定区间时报警功能将被触发，同时，油冷机也具有温度检测与报警功能。

⑺分析电气子系统故障树的影响因素。电气子系统通过PLC实现对冲床其他子系统的电气控制功能，包括滑块寸动/单动/连动/急停转换、行程次数调节、液压夹钳与气动元件的控制、机床冷却润滑的启停等控制功能。

高速冲床故障模式划分和故障原因

为了明晰逻辑关系，故障模式和故障原因可按故障体现部位进行分类。故障体现模式可分为顶层故障、中间故障和基本故障。也就是说，按高速冲床子系统归类故障体现就是顶层故障，子系统按组成部件归类故障体现就是中间故障，按单一部件归类故障体现就是基本故障。高速冲床的故障模式和故障原因见表2。

高速冲床故障模式分析

故障模式与故障树分析相辅相成，可以对高速冲床故障发生的频次大小和概率进行排序。从高速冲压生产来看，高速冲床的子系统顶层故障，按发生的频次和概率排序由高到低依次为冷却润滑子系统、气动子系统、传动子系统、液压夹钳子系统、制动离合子系统、滑块子系统和电气子系统。冷却润滑子系统故障最为频繁，主要表现为油冷装置和润滑油泵失灵、油管及接头漏油。气动子系统故障模式主要为气管和管接头漏气。液压夹钳子系统故障模式主要表现是液压油渗漏和液压油脏造成液压阀阀口的堵塞。制动离合子系统故障模式多是离合器的失效，零部件损坏主要集中在摩擦片和固定螺钉的断裂。摩擦片间隙调整不当致使零部件损坏，导致离合器的失效故障最为多发。传动子系统故障模式是零部件损坏和定位精度不准，主要原因是介质油、气渗漏。高速冲床定位精度超差故障是表象，实质是零部件损坏和介质管路故障。滑块子系统故障模式是滑块不在上死点最多、紧固件松动次之。

高速冲床故障类型与模式见表3。

表2 高速冲床的故障体现模式和故障原因

高速冲床可靠性保障方向

故障分析就是要找出影响高速冲床可靠性的系统和组件故障趋势，为提高冲床可靠性提供保障。经过故障分析，得出了高速冲床子系统故障的频次和概率排序、故障频发部位与模式、故障模式等的分析结果，为可靠性设计与子系统改进和匹配提供了试验和理论依据。

冷却润滑子系统可靠性保障方向

冷却润滑子系统在高速冲床子系统故障的频次和概率排序最高，是可靠性保障重要度最高的子系统，对高速冲床可靠性影响最大。从故障模式看，主要的故障模式为渗漏故障和油冷装置失灵无制冷故障。润滑系统管路和接头漏油频次和概率排序最高，导致油冷装置失灵故障占频次和概率排序的次位。了解了这些故障情况的统计结果，冷却润滑子系统可靠性设计和改进就有了明确的方向。

气动子系统可靠性保障方向

气动子系统的故障模式主要为渗漏故障，对可靠性影响重要度排序非常高。对于油、气介质渗漏故障，可靠性影响重要度排序最高的是气路中的气管和管接头漏气故障。

传动子系统可靠性保障方向

传动子系统故障主要体现为介质渗漏，对可靠性影响重要度排序最高，频率几乎占到整个子系统故障1/2左右。介质渗漏故障主要集中在旋转接头漏气故障，可见传动子系统的气路对可靠性影响重要度非常高。而零部件损坏故障主要集中在键槽、T销断裂上。

液压夹钳子系统可靠性保障方向

液压锁紧子系统的故障模式主要集中在油泵损坏故障上，原因在于液压油渗漏和液压油脏，致使油泵工作环境恶劣，导致零部件损坏。而油泵损坏故障又主要集中在增压泵单元上。

制动离合子系统可靠性保障方向

制动离合子系统的故障模式主要是运动部件间隙不当故障，占整个子系统故障的1/4左右。运动部件间隙不当故障主要表现为摩擦片间隙不当，设计高速冲床时，摩擦片间隙的给定只是经验问题。摩擦片间隙不当导致的零部件损坏主要体现为摩擦片和固定螺钉的断裂。

滑块子系统可靠性保障方向

滑块子系统的故障模式是滑块不在上死点、紧固件松动，造成滑块回位不准的原因很多，零部件损坏故障的可靠性影响重要度排序最高，频率几乎占到整个子系统故障3/4左右。零部件损坏故障又集中体现在平衡气缸的拉杆自身断裂和连接螺栓断裂两项。

表3 故障类型与模式

电气子系统可靠性保障方向

电气子系统故障极少，但经高速冲床故障树分析，电气子系统故障对可靠性影响的重要度排序却仅次于冷却润滑子系统。原因在于电气子系统故障可能表现为其他子系统的故障模式，从而会影响其他子系统的故障对可靠性影响重要度排序，造成假象排序。从故障模式看，可靠性影响重要度排序最高的是面板开关失灵故障，线路断路次之，频率只有面板开关失灵故障一半左右。电气短/断路故障和面板开关失灵故障的重要度排序为电气子系统故障的头两位。

结束语

随着高速冲床结构与原理技术的发展，高速精密冲压应用将更加广泛，平时生产中要注意收集故障信息，丰富和完善高速冲床的故障树，故障树的完善也同样是一个不断修正的过程。故障数据的缺乏和不完善直接导致可靠性分析结果偏离真实，注重科学地收集和分析故障数据，对高速冲床创新设计意义重大。同时，可靠性分析结果还对高速冲床的可靠性预计、可靠性评估、可靠性分配等工作意义同样重大。