加工中心作为复杂机电一体化产品,其功能先 进性和结构复杂性导致内部故障存在关联性,_个 单元或子系统发生故障,可能导致系统其他部分出 现故障,引起多米诺效应,严重影响其可靠性[1].因 此,进行故障关联分析并找出故障传播对系统影响 的有效方法以阻止该情况发生很有必要.
近年来国内外学者对故障关联的研究主要集中 于单向关联故障的研究.有基于可靠性模型的串联 相关故障分析和共因失效分析等[2 _5 ].对于双向故 障关联性的研究还较少涉足,在文献[1]中,采用自 相关矩阵考虑各因素间直接关系的同时却忽视了多 层次故障传递链条中因素间的间接关联关系.而作 为复杂系统分析方法的重要方法——解释结构模型 (Interpretative Structural Modeling,ISM)却能考 虑系统各故障子系统间直接间接关系,有效进行系 统故障分析.该法于1973年由美国Warfield教授 提出,可将复杂系统分解为若干子系统要素,实现多 级递阶结构模型的构建[6 ].它借助图形表示出系统 要素间所有直接、间接关系,并据此分析找出影响整 个系统可靠性的根本因素,进而对这些根本因素进 行重点改善,这也就为系统进行ISM模型分析提供 了理论依据[71].实践证明,该方法既适用于分析社 会经济问题,又适用于学习理解相互关系较复杂的 各种问题[10].但就当前看,尚未有学者将其应用于 数控机床故障分析中,因此本文基于加工中心故障 关联复杂性,立足宏观,将其引入该领域,借助ISM 法将众多要素相互影响的逻辑关系用多级递阶结构 进行直观表示,明确关联故障子系统层级,找出深层 子系统,确定可靠性改进薄弱环节.并对其进行故障 模式、影响及危害性分析(Failure ModeEffects and Criticality Analysis,FMECA),进而确定其关键故 障模式.
1 ISM与FMECA的原理与方法
1.1解释结构模型(ISM)
ISM基本原理是采用各种创造性技术,提取系 统构成要素,利用有向图、矩阵等工具,构造出_个 多级递阶结构模型,从而将要素间的依赖关系与系 统内部结构直观地展现出来,实现关系条理化、层次 化[11].本文将其应用于加工中心故障关联分析中, 实施基本步骤为:
1. 2故障模式、影响及危害性分析(FMECA)
根据ISM所得结果,获取深层要素,确定可靠 性薄弱环节,从而对其进行FMECA分析,以获取 关键故障模式.其中FMECA是一种用于可靠性分 析的主要方法,该方法有如下步骤[12].
准备工作.该步骤是在对系统做FMECA分 析之前进行的,是收集准备充分资料的阶段,这些资 料包括系统设计、工艺流程与使用维护等方面,同时 还包括类似设备在使用、维护与安装过程中的常见故障模式.
1) 功能定义.明确设备能完成的功能与在整个 系统中所处地位.
2) 确定故障模式.明确待分析设备系统中主要 零部件潜在故障模式.
3) 故障原因和后果分析.分析引发故障发生的 各可能因素,找到各故障模式所有可能潜在原因,并 预计故障产生后果.
4) 确定检测方法.提出或收集以往对系统和各 元器件的故障模式检测方法.
5) 危险性评估.危险性评估方法主要有危害度 等级评定法和危险顺序数(RPN)排序法等.在此采 用RPN(Risk Priority Number)排序法,该方法兼 顾了故障模式的严酷程度与发生概率及其查明难易
程度,并给出了适当的评定系数,公式为
RPN = SXOXD.
式中:S表示严酷度,在1?10范围内取值;O表示 发生概率,在1?10范围内取值;D表示查明难度, 在1?10范围内取值.可通过统计方法或经验来确 定S,O,D的评定原则[13].另采用各部件故障模式 的平均值简化计算部件对应的故障风险值,用 RPN表示.
2.1基于ISM的关联故障子系统模型构建
通过对某系列加工中心故障数据进行分析整 理,得到各子系统关联故障统计表,如表1所示.
表1加工中心关联故障统计表 Tab. 1 Associated failure statistics of machining center subsystem
|
该模型为一个四级递阶层次结构 模型.其中刀库(S1 )、进给系统(S2 )、主轴系统 (S3 )、防护系统(S7 )、冷却系统(S8 )是表层要素,
为易受其他子系统影响的故障子系统,本身不对其 他子系统产生影响.气动系统(S6 )、数控系统 (S9 )、液压系统(S11 )是浅层要素,这三个要素对 第_层要素有直接影响,其中气动系统(S )对第_ 层要素产生影响的同时,受到下一层要素对其产生 的影响,而数控系统(S9 )和液压系统(S11 )仅对上 层要素产生影响,不受其他要素的影响.排屑系统 (S5 )是中层要素,该要素对上层要素产生直接或间 接的影响,同时受下层子系统要素的影响.电气系统(s4)和润滑系统(s1())是深层要素,它们通过不同 方式对其他故障子系统产生直接或间接的影响,自 身并不受其他子系统的影响.说明这两个故障子系 统地位尤其重要,为关键子系统,要对其加强可靠性 改进.为明确关键子系统具体改进方向,需要对其进 行FMECA分析,以下以电气系统为例进行关键故 障模式和关键设备的探寻.
1. 2 FMECA 分析
由对国内某系列加工中心的故障数据收集信 息,可得到电气系统的故障模式、影响和危害度分析 表格,如表4所示.主要包括各种开关、电灯、电源、 接触器、变频器、电源线、继电器等的FMECA.
表4 电气系统FMECA表 Tab. 4 Electrical system FMECA table 故障影响
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由表4可知,该系列加工中心电气系统中继电 器、变频器和接触器的危险顺序数最大,是需注意的 关键设备,因此应该重点检测其安全状态.此外,单 就故障模式来说,危险顺序数较大的故障模式依次 为继电器损坏、变频器损坏、接触器损坏、电灯镇流 器损坏、电磁感应开关损坏、制动开关损坏,这六个 故障模式是该系列加工中心的关键故障模式,应着 重进行可靠性改进.这些故障多为元器件损坏,电气 系统元器件主要是外购获得,因此,加工中心企业应 加强外购件采购质量管理,入厂前元器件进行筛选 实验;同时设计部门在选用元器件时,须从优选手册 目录中选取,若须采用目录之外的元器件,需经质量
部门认定为可靠补入目录后才能用于选取.另外,用 户也要在使用中注意对设备加强维护,加强操作培 训,以提高设备使用可靠性.
由以上分析知,相比传统FMECA方法并未考 虑故障之间的相互影响,只对各故障模式危害性独 立地进行分析,本文所使用的ISM法则充分考虑和 反映故障间直接与间接关系,从系统角度出发,确定 加工中心薄弱环节,即关键子系统,得出了符合工程 实际的结论,从而为系统可靠性分析提供了坚实的 理论基础.接着对所得关键子系统进行FMECA分 析,确定了关键故障模式以及关键设备,更加明确了 可靠性改进方向.
1) 采用ISM法分析各子系统间关系,建立了加 工中心故障关联子系统递阶结构模型,将故障关联 子系统划分为表层故障子系统、浅层故障子系统、中 层故障子系统和深层故障子系统,从而使故障传递 关系得以直观而深刻地表现,为故障快速诊断提供 了新方法,并对可靠性改进具有重要意义.
2) 对运用ISM法所得深层子系统进行了 FMECA分析,确定了关键故障模式及关键设备,明 确了可靠性改进方向.
3) ISM与FMECA法为明确关键子系统及其 关键设备与关键故障模式提供了简单快捷的新思 路,完善了现有故障分析方法体系.
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