摘　要：故障分析是實現加工中心可靠性水平增長的重要環節，因此提（tí）高（gāo）故障分析的準確性至關重要．鑒於此，本文首先充分考慮加工中（zhōng）心故障子係統間影響關係，基於ＩＳＭ 法構建（jiàn）遞階結構模型，使得關聯故障子係統間複雜影響關（guān）係層（céng）次（cì）化，以求得深層故障子係（xì）統，確定（dìng）可靠性改進薄（báo）弱環節．其次對（duì）所得薄（báo）弱（ruò）環節進行ＦＭＥＣＡ分析，進而確定關鍵故（gù）障模式，為提高加工中心可靠性奠定基礎．最後以某係列加工中心現場故障數據為研究對象進行實例研（yán）究，證明了ＩＳＭ 和ＦＭＥＣＡ法在加（jiā）工中心故障分析中的準確有效性．

 
　     加工中（zhōng）心作為複雜機電一體化產品，其功能先進性和結構複雜（zá）性導致內部故障存在關聯性（xìng），一個單元或子係統（tǒng）發生故障，可能導致係統其他部分出現故障，引（yǐn）起（qǐ）多（duō）米諾效應，嚴重影響其可靠性 ．因此，進行（háng）故障關聯分析並找出故障傳播對（duì）係統影響的有（yǒu）效（xiào）方法以阻止（zhǐ）該情（qíng）況發生很有必要．近年來（lái）國內外學者對故障關聯的研究主要集中於單向關聯故障（zhàng）的研（yán）究．有基於可靠性模型的（de）串聯相關故障分析和共因（yīn）失效分析等 ．對於雙向故障關聯性的研究（jiū）還較少涉足，在文獻 中，采用自相關矩（jǔ）陣考慮（lǜ）各（gè）因素間直接關係的同時卻忽視了多層次故障傳遞鏈條中因素（sù）間的間接關聯關係．而作為複（fù）雜係統分析方法的重要方法———解釋結構模型（Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｖｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＩＳＭ）卻（què）能（néng）考（kǎo）慮係統各故障子係統間直接間接關係，有效進行係統故障分析．該法於１９７３年由美國Ｗａｒｆｉｅｌｄ教授提出，可將複雜係統分（fèn）解為若幹（gàn）子係統要素，實現（xiàn）多級遞階結構模型的構建 ．它借助圖形表示出係統要素間所有直（zhí）接、間接關（guān）係，並據此分析找出（chū）影響整個係統可靠性的根本因（yīn）素，進而對這些根本因素進行重點改善，這也就為係統（tǒng）進行ＩＳＭ 模型分析提供（gòng）了理論依據 ．實踐證明，該方法既適用於分析社會經濟問題，又適用於（yú）學習理解相互關係（xì）較複雜的各種問題 ．但就當前看，尚未（wèi）有學（xué）者將其應用於數控機床故障分析中，因此本文基於加工中心故障關聯（lián）複雜性，立足宏（hóng）觀，將（jiāng）其引入該領域，借助ＩＳＭ法將（jiāng）眾多要素相互影響（xiǎng）的邏輯關係用多級遞階結構進行（háng）直觀表示，明確關聯故（gù）障子係（xì）統層級，找出深層子係統，確定可靠性改進薄弱環節．並對其進行故障模式、影響及危害（hài）性分析（Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｍｏｄｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ａｎｄＣｒｉｔｉｃａｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，ＦＭＥＣＡ），進而確定其關鍵故障模式．

       １　、ＩＳＭ 與ＦＭＥＣＡ的原理與方法

       １．１　解釋結構模型（ＩＳＭ）

       ＩＳＭ 基本原理是采用各（gè）種創造性技術，提取係統構成要素（sù），利用有向圖、矩陣等工具，構造出一個多級遞階結構模型，從而將要素間的依賴關係與（yǔ）係統內部（bù）結構直觀地展現出來，實現關係條理（lǐ）化、層次化 ．本文將其應用於加工中心故障（zhàng）關聯分析中，實施基（jī）本步驟為：

 
       １）根據故障統計數據構建故障有向圖，確定構成係統（tǒng）的關聯要素集Ｓ ＝ ｛Ｓｉ｝，ｉ＝１，２，…，ｎ．對（duì）於（yú）各個關聯故障子係統，兩（liǎng）兩間進行比較，在此基礎上形成一個表示子（zǐ）係統間因（yīn）果影（yǐng）響（xiǎng）關係的故障有向圖．影響（xiǎng）關係（xì）是（shì）二元關（guān）係的一種，即如果要素（sù）ｉ對要素（sù）ｊ 有影響，用一條有向線段表示，箭頭指向元素ｊ，記為ｉ→ｊ．確定故障有向圖中的因果影響關係，然後用這種方式來繪製故障有向圖．

      ２）依據（jù）故障關聯有向（xiàng）圖得到鄰接矩（jǔ）陣Ａ ．

       ５）構（gòu）建遞階結構模型，獲取深層（céng）要素．
 

      對可達矩（jǔ）陣Ｍ 進行越級二元關係的去除，並去除自身到（dào）達的二元關（guān）係，獲取骨架矩陣，繼而構建遞階結構模型（xíng）．

       １．２　故障模式、影響及危害性分析（ＦＭＥＣＡ）

       根據ＩＳＭ 所得結果，獲（huò）取深層要素，確（què）定可（kě）靠性薄弱環節，從而對其進行ＦＭＥＣＡ 分析，以獲取關鍵故障模式．其中ＦＭＥＣＡ是（shì）一種用（yòng）於可靠性（xìng）分析的（de）主要方法，該方法（fǎ）有如下步驟 ．

       １）準備工作．該步驟是在對係統（tǒng）做ＦＭＥＣＡ分析之（zhī）前進行的，是收集（jí）準備充分資料的階（jiē）段，這些資（zī）料包括係統設計、工藝流程與使用維護（hù）等方麵，同時還包括類似設備在使（shǐ）用、維護與安裝（zhuāng）過程中的常見故障模式．

       ２）功（gōng）能定義．明確設備能完成的功能與在整個係統中所處地位．

       ３）確定故障模式．明確待分析設備係統中主要零部件潛在故障模式．

       ４）故障原因（yīn）和後果分析．分析引（yǐn）發故障發生的各可能因（yīn）素，找到各故障模式所有可能潛在原因，並預計故（gù）障產（chǎn）生後果．

       ５）確定（dìng）檢測方法．提出或收集以往對係統和各元器件的故障模式檢測方法．
 
 
       ６）危險性評估（gū）．危（wēi）險性評估方法主要有危害度等級評定法和危（wēi）險順序數（shù）（ＲＰＮ）排序法等．在此采用ＲＰＮ（Ｒｉｓｋ　Ｐｒｉｏｒｉｔｙ　Ｎｕｍｂｅｒ）排序法，該方法兼顧了故（gù）障模式的嚴酷程度與發生概率及其查明難易程度，並給出了（le）適當的評（píng）定係數，公式為（wéi）ＲＰＮ＝Ｓ×Ｏ×Ｄ．式中：Ｓ 表示（shì）嚴酷度，在１～１０範圍內取值；Ｏ 表示發生概率，在１～１０範圍內（nèi）取值；Ｄ 表示查明難度，在１～１０範圍（wéi）內取值．可（kě）通過統計方法或經驗來確定Ｓ，Ｏ，Ｄ 的評定原則［１３］．另采用各部件故障模式的平均值簡化計算（suàn）部件對（duì）應的故障風（fēng）險值，用ＲＰＮ′ 表示．

        ２、　實例（lì）分析（xī）

       ２．１　基於ＩＳＭ 的（de）關聯故障（zhàng）子係（xì）統模型構建通過對某係列加工中心故障數（shù）據進行分析整理，得到各子係統關聯故障統計（jì）表，如表１所示．

                                      表１　加工中心關（guān）聯（lián）故障統計表

　       得到（dào）關（guān）聯故障有向（xiàng）圖，如圖１所示．

                              圖１　關（guān）聯故障（zhàng）子係統有向圖

       結合上述有向圖可獲得關聯（lián）子（zǐ）係統鄰接（jiē）矩陣

       借助ＭＡＴＬＡＢ軟件計算求得可達矩陣

       對（duì）上述（shù）可達矩陣進行區域（yù）劃分，如表２所示．由（yóu）該表可知（zhī）所有要素均屬同一區域（yù），因此在此基礎上進行要素的級位劃分，如表（biǎo）３所示．

                      表２　可達集、先行集、共同集和起始集表

                                         表３　級位劃（huá）分過程表（biǎo）

       構建關聯故障子（zǐ）係統遞階結構模型，如圖２所示．由（yóu）圖２可知，該模型為一個四級遞階層次結構模型．其中刀庫（Ｓ１ ）、進給係統（Ｓ２ ）、主軸係統（Ｓ３ ）、防護係統（Ｓ７ ）、冷卻（què）係統（Ｓ８ ）是（shì）表層要素，為易受其他子係統影響的故（gù）障子係（xì）統，本身不對其他子係統產生影響．氣動係（xì）統（Ｓ６ ）、數控係統（Ｓ９ ）、液壓係統（Ｓ１１ ）是淺層要素，這三個要素對（duì）第一層要（yào）素有直接影響，其中（zhōng）氣動係統（Ｓ６ ）對（duì）第一（yī）層要素產生影響的同時，受到下（xià）一層要素對其產生（shēng）的影響，而數控係統（Ｓ９ ）和液壓係統（Ｓ１１ ）僅對上層要素產生（shēng）影響，不受其他要素的影響．排屑係統（Ｓ５ ）是中層要素，該要素對上層要（yào）素產（chǎn）生（shēng）直接或間接的影（yǐng）響，同時受下層子係統要素的影響．電氣係（xì）統（tǒng）（Ｓ４）和潤滑係統（Ｓ１０ ）是深層（céng）要素，它們通過不同方式（shì）對其他（tā）故障子係統產生直接或間接的影響，自身並不受（shòu）其他子係統的影響．說明這（zhè）兩個故障（zhàng）子係統地位尤其重要，為關鍵子係（xì）統，要對（duì）其加強可靠性改（gǎi）進．為明確關鍵子係統具體改（gǎi）進方向，需（xū）要對其進（jìn）行（háng）ＦＭＥＣＡ分析，以下以電氣係統為例（lì）進行關鍵故障（zhàng）模式和關鍵設備的探尋．

                            圖２　遞階結構模型圖

       ２．２　ＦＭＥＣＡ分析
 
 
       由對國內某係（xì）列加工中心的故障數據收集信息，可得（dé）到電氣（qì）係統的故障模式、影響（xiǎng）和危害（hài）度分析表格，如表４所示．主要包括各種開關、電燈、電（diàn）源、接觸器、變頻器、電源線、繼電器等的ＦＭＥＣＡ．

      由表４可（kě）知，該係列加工中心電（diàn）氣（qì）係統中繼電（diàn）器、變頻器和接觸器的危險順序數最大，是需注意的關鍵設備，因此應該重點檢測其安全狀態（tài）．此（cǐ）外，單就故障模式來說，危（wēi）險順序（xù）數較大的故障模式依次為（wéi）繼電（diàn）器損壞、變頻器損壞（huài）、接觸器損壞、電燈鎮（zhèn）流器損壞、電磁感應開關損壞、製動開關損壞，這六個故障模式是該係（xì）列（liè）加（jiā）工中心的關鍵故障模式，應著重進行可靠性改進（jìn）．這些（xiē）故障多為元器件（jiàn）損壞，電氣係統元器件主要是外購獲得，因此，加工（gōng）中心企（qǐ）業應加強外購件采購質量管理，入廠前元器件進行篩選實驗；同時設計部門在選用元器件時，須從優選手冊目錄中選取，若須采用目錄之（zhī）外的元器件，需經質量（liàng）部門認定為可靠補入目錄後才能用於選取．另外，用戶也要在使（shǐ）用中注意對（duì）設備加強維護，加強操作培訓，以提高設備使用可靠性（xìng）．由以（yǐ）上分析知，相比傳統（tǒng）ＦＭＥＣＡ方法並未考慮故障之間（jiān）的相互影響，隻對各故障模式危害性獨立地進行分析，本文所使用的ＩＳＭ 法則充分考慮和反映（yìng）故障間（jiān）直接與（yǔ）間接關係，從係統角（jiǎo）度出發，確定加（jiā）工中心薄弱環節，即關鍵子係統，得出（chū）了符合工程實際的結論，從而為係統可靠性（xìng）分析提供了堅實的理論基礎．接著對所得關鍵子係統進行ＦＭＥＣＡ分析，確定了關鍵故障模式以及關鍵設備，更加明（míng）確了可靠性改進方向．

      ３　、結　論

      １）采用ＩＳＭ 法分析各子係統間關係，建（jiàn）立了（le）加工中心故障關聯子係統遞階結構模型，將（jiāng）故障（zhàng）關聯子（zǐ）係統劃分為表層故障子係（xì）統、淺層故障（zhàng）子係統（tǒng）、中層（céng）故障子（zǐ）係統和深（shēn）層故障子係統（tǒng），從而使故（gù）障傳遞關係（xì）得以（yǐ）直觀而深（shēn）刻（kè）地表現，為故障快速診斷提供了（le）新方（fāng）法，並對可靠（kào）性改進具有重要意義（yì）．

       ２）對運用（yòng）ＩＳＭ 法所得深（shēn）層（céng）子係統進（jìn）行了（le）ＦＭＥＣＡ分析，確定了（le）關鍵（jiàn）故障模式及（jí）關（guān）鍵（jiàn）設備，明確了可靠性改進方向．
 
 
     ３）ＩＳＭ 與ＦＭＥＣＡ 法為明確關鍵（jiàn）子係統及其（qí）關鍵設備與關鍵故障模式（shì）提供了簡單快捷的新（xīn）思路，完善了現有故障分析方法體係（xì）．