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加（jiā）工中心可靠性維修周期的研究

2018-5-17 來源：轉載作者：張麗萍，李業農，趙建傑

摘要: 為了建立加工中心的（de）最佳維修周期與有效度之間的（de）數學模型，以確定最佳維修周期，通過對立式加工中心常見故障（zhàng）的類型及原因分析，建立了平均故障率與規定考察（chá）時間之間的關係曲線，分析出了加工中心的平均故障率隨著時（shí）間的增加而逐漸增大，建立了預防性（xìng）維修即事前維修與事後維（wéi）修的可靠性維修間隔時（shí）間模型; 基於平均故障率（lǜ）函數為（wéi）遞（dì）增函數，按有效度為最大時可求出（chū）最佳維（wéi）修周期，並通過實例，運用可靠度函數的數值積分方法，計算出了加工中心的最佳維修周期（qī）。研究（jiū）結果表明，所建立的（de）計算方法為（wéi）數控機床的最佳維修周期的確定提供（gòng）了一種有效途徑。

關鍵詞: 加工中心; 可靠性; 平均故障率; 維（wéi）修; 有效度; 預防性維修周期

0、引言

某中小規格的立式加工中心，其 x、y、z 軸（zhóu）的行程分別為 600 mm、400 mm、500 mm。它的主傳動采用主軸電動機，同步（bù）齒形帶結構，三向導軌（guǐ）均采用高速化滾珠絲杠，其傳動噪聲（shēng）低。該型加工中心（xīn）的可靠性不僅與其自身的結構設計、製造、裝配（pèi）等因素有關，還（hái）與（yǔ）其加工條件、生產環境和操作工人的技（jì）術水平等因素（sù）有關。該加工中心結構和（hé）工作條件的複雜性導致其故障模（mó）式多樣性，使（shǐ）其故障的演（yǎn）變（biàn）過程有其一定的規律性（xìng），其可維（wéi）修性也是衡量該產品（pǐn）質量好壞（huài）的一個關鍵（jiàn）指標。

由該加工中心的子係統或零（líng）部件引發的故障，經過修理後能夠使故障排除，並恢複到正常工作（zuò）的狀態，所以該加工中心是一（yī）個可修（xiū）複係統。由於故障發生的部位不同，產生的原因和程度不同，維修人員及使用的維修設備不同，加工中心的修複（fù）時間（jiān）是一（yī）個（gè）隨機變量，修複質量的高低也影響著加工中心的可靠性水平。

在工程應用領域，可（kě）靠性和維修性結合起來被稱為可修複係統的廣義可靠（kào）度。可修複係統可靠性特征量主要是首次平均無故障工作時間和平均無故障工作時間、平均修複時（shí）間、修複率和係統（tǒng）的有效度。可維修性（xìng）是設備本身的一個性能（néng），它包（bāo）含於產品的可靠性設計中。

如何能合理地確定加工中心的最佳維修周期，給加工中心提供良好的維（wéi）修，可以改善、維（wéi）持或提高加工（gōng）中心正常工作（zuò）狀態，能夠最大地發揮加工中心的工作能力，這是筆者所要研究解決的問題（tí）。

本研（yán）究通過建立加工中心的最值維修周期與有效度之間的數學模型，以（yǐ）確定最值維修周期。

1、加（jiā）工中心（xīn）常（cháng）見故障（zhàng）分析

該型立式加工中心（xīn）常見的故障可分為機械（xiè）係統故障和電氣係統故障。機械係統故障主要有主傳動係統故障、進給運動係統故（gù）障、刀具自動交換裝置故障、液（yè）壓及潤滑係統故障、排屑係統故（gù）障等等，這類故障主要（yào）發生在數控機（jī）床主機的各運動的執行（háng）機構上，如主運動係統的主軸、各坐標軸方向的進給運（yùn）動、自動換刀（dāo）裝置中（zhōng）的刀庫及（jí）機械（xiè）手、等（děng）等。

對於（yú）機械係統（tǒng）故障（zhàng），一般可通過精心保養和維護來降低故障發生（shēng）的頻率。當故障發生以後，小故障可通過精心調整（zhěng）來解決。對於已磨損或已損壞的零部件，須通過更換零部件的辦法來排除故障（zhàng）。

電氣係統故障通常分“強（qiáng）電（diàn）”故障和“弱電”故障。“強（qiáng）電”故（gù）障主要指（zhǐ）電動機（jī）、接觸器、繼電器、熔斷器、行程開關等電（diàn）器元件（jiàn）及電路方麵的故障。“弱電”故障主要指 CＲT 顯（xiǎn）示器、CNC 裝置、伺服單元、輸入輸出裝置等方麵（miàn）出現的故障。這部分故障又可分為軟件故障和硬件故障，軟件故障主要有（yǒu）加工程序（xù）出錯、運算或動作出錯等; 硬件故障（zhàng）主要有集成電路芯片、接插件以及外部連接組（zǔ）件（jiàn）等故障。

2 、發生故障（zhàng）的（de）概率模型

加（jiā）工中心的可靠度函數Ｒ( t) 值是隨著使用時間的增加而逐漸降（jiàng）低的，而發生故障的概率側是隨著使用時（shí）間的增加而逐漸增加（jiā）的。故障率（lǜ） λ( t) 是指使用到某時間尚未發生故障（zhàng）的設備在（zài）該時刻後單位時間內發（fā）生故障的概率，λ( t) 是一條件概率。由於按定義（yì）計算 λ( t) 是比較困難的，常用平（píng）均故障（zhàng）率的觀察值予以替代（dài），平均故障（zhàng）率的觀察值是指數控（kòng）機床在規定的考察時間內，故障發生的次數與（yǔ）累積工作時間之比，其數學（xué）表達式為:

式中: λ— 平均故障率的觀察值; m— 在規定（dìng）的考察時間內，數控機床發生故障的（de）次數; ∑t— 在規定的考（kǎo）察時間內，數（shù）控機床累積的工作（zuò）時（shí）間。

通過較長時（shí）間對多台該型號（hào）加工中心的觀察與統計，得到（dào）平均故障率 λ 與規定的考察時間 t 的曲線如圖1 所示。

圖 1 平（píng）均故障率 λ 與規定的考察時間 t 的曲線

如圖 1 所示，對應於 t1為（wéi）加工中心的跑合階段，由於元器件和材質的缺陷、各零部件間的調整不當、加工質（zhì）量等原因引發的早期故障，平均故障率 λ 呈較快的下降趨勢。對新投入使用的（de）數（shù）控機床，使故障減少的有效途徑是（shì）加強跑合階（jiē）段的使用和維護管理，嚴格執行有關的跑合規定，可（kě）有（yǒu）效提高其（qí）使用壽命。

然後，加工中心進入正常工作階（jiē）段，隨著（zhe）數控係統故障（zhàng）、電氣係統故障和（hé）零部（bù）件的疲勞、磨損、腐蝕及蠕變等（děng）典型損傷的積累，引起操作係統失靈和運動部件的爬行、抖動，至使加工中心的（de）加工精度下降。此時，平均故障率 λ 逐漸增大，如圖 1 中 T 階段所示（shì）。加工中心工作（zuò）到（dào） T 階段，平均故障率 λ 增大，此時應對加工中心進行預防性維修。要對存在（zài）故障隱患的零部（bù）件進行（háng）維（wéi）修，還（hái）要對相的部位進行預防性處理，以使其（qí）保持良好的工作狀態。

在維（wéi）修過程中（zhōng），零部件（jiàn）的工作位置可能會發生改變，應通過反複調試，使其達到正常的工作狀態。第（dì）一次維修後，加工中心的功能得到恢複或（huò）部分恢複，平均故障率 λ 下降，維修後的t2階段，由於維修導致各零部件間的重新裝（zhuāng）配，新更換（huàn）零部件的材質和元器件（jiàn）缺陷等原因（yīn）引發維修後的早期故障，同樣會（huì）使（shǐ）該階段（duàn）的平均（jun1）故障率 λ 較高，但呈（chéng）較快（kuài）的下降趨勢( 如圖 1 所示（shì）) ，加工（gōng）中心再次進入正常工作階段，重複（fù）上述的（de）過程。加工中心工作到第二個（gè） T 階段，平均故障率 λ 增大（dà），須再次（cì）對加工中心再次進行預防性維修。

上（shàng）述（shù）討論的平均故障率是用以表征加工中心（xīn）總體可靠（kào）性的數量指標，它著重表述的是加工中心平均故（gù）率的變化情況。

3、可（kě）靠性維修周期的確定

在加（jiā）工中心（xīn）工（gōng）作過程（chéng）中，不僅工作可靠性，而且各項加工精度和經濟指標都會隨著工作時間的增加而逐漸下降。因此，生產企業要重視對加工中心各項加工精度和（hé）經濟指標的變化規律的研究，適時（shí）對加工中心進行預（yù）防性（xìng）維修，以保證其加工精度達到要求。

在加工中心的維修實踐中，故障發生後進行修理，即事後維修，其在經濟上或技術上付出（chū）的代價，往往要（yào）大於預防（fáng）性維修。其原因是由於故障發生的隨機性，如在工作過程中突然（rán）發生的故障，還（hái）可能會引發相關（guān）的從屬故障，所造成的損失往往會更大，維修所付出的代價往往會（huì）更高。由此看來，預防性維修的好處是不言而（ér）喻的。當故障率隨工作時間的增加而增加時，適時地采取預防（fáng）維修措施，可有效地抑製加工中心的工作狀況惡化，維持或恢複其完好工作狀況。為（wéi）使加工中心的維修工作在預防方針指導下，做到（dào）技術與經濟相結合，很重要的一點（diǎn）就是確定其維護（hù）和修（xiū）理（lǐ）的具體時（shí）刻（kè），即何時維修最優的問題。一種有效的做法是按加工中心的（de）有效度達到最大的原則來確定最佳維修周期。

對於加（jiā）工中心（xīn）這類可維修產品，由於無故障工作與故障停機是交替發生的兩種狀態，為此用 X( t) 表示在（zài） t 時刻的狀態，即:

式中: 1— 設備（bèi）在 t 時（shí）刻處於無故障（zhàng）工作狀態，0— 設備在 t 時刻處於故（gù）障停機狀態。現以圖 1 為例，當（dāng）加工中心工作到 T 時刻，實（shí）施預防性維修，所用維修時間為 tp，修複後投入工（gōng）作（zuò）。如果（guǒ）工作到 T1(T1≤ T) 時刻就發生故障，須事後維修，事後維（wéi）修的時間為 tc，修複後再工作至 T2，且 T = T1+T2，再（zài）進行預防性維修（xiū），其可（kě）靠性維修間隔時間如圖 2 所示。有（yǒu）效度（dù） A 是指可維修產品在規定的條件下使用,在規定的條件下修複，在（zài）規定的時間具（jù）有（yǒu）或維持其規定功（gōng）能處於正常狀態的概率。在某個規定的時間（jiān）區（qū）間內，有效度 A 可（kě）表示為:

圖 2 可靠性維修間隔時間

式中: MUT——— 加工中心的平均可工作（zuò）時間( Mean UpTime) ，MDT——— 加工中（zhōng）心的平均不（bú）可（kě）工作時間( Mean Down Time) 。加工（gōng）中心的平均（jun1）不可工作時間 MDT 由平（píng）均預防性維（wéi）修時間 tp和平均事後（hòu）維修時間 tc的加權求（qiú）和得（dé）出，即:

在式( 8) 中，當 ξ 值為最小時，有效度 A 有最大值。

由於圖 1 所（suǒ）示平均故障率函數為遞增函數，故可按（àn）有效度 A 為最大時求出最佳維修周期（qī） T。

如圖（tú） 1 所示的案例（lì）中，平均預防性維修時間tp=4h，平均事（shì）後維修時間 tc= 9 h，加工中心的可靠度（dù）Ｒ( t) 曲線（xiàn）如圖 3 所示。

圖 3 加工（gōng）中心的可（kě）靠度Ｒ( t) 曲線

根據（jù）式( 6) ，通過數值積分可求出與 t 相對應的 ξ值（zhí）( 圖（tú）解如圖 4 所示) ，其計算結果如表 1 所（suǒ）示。

圖 4 可靠（kào）度函數積分式圖解

表 1 數值積分（fèn）計算表（biǎo）

與最大有效度 A 對應的時間 T = 3 200 h 就是最佳維修周期。加工中心需要通過維護（hù）和（hé）修理來維持和恢複其完好工（gōng）作（zuò）狀況，若（ruò）其發生故（gù）障或性能下降，可（kě）通過維修加（jiā）以恢複，縮短其不能工作的時間（jiān），使（shǐ）其具有較高的有效度。

4、結束（shù）語

本研究通過對某型立式加工中心常見（jiàn）故障的類型及原因分析，揭示平均故障率與規定的考察時間之間的變（biàn）化規律。對於加工中心這（zhè）類可維修產品，其平均故障率隨（suí）工作時間的增加（jiā）而（ér）增加，如果適時（shí）地采取預防（fáng）維修措施，可有（yǒu）效地維持或恢複其完好工作（zuò）狀況。基於可靠性理論，根據預防性維修即事前維修與事後（hòu）維修的維修間隔時間模型（xíng），按有效度最大的原則可計（jì）算（suàn）加工中心的最佳維修周（zhōu）期，這對提高數（shù）控機床的維修水平有（yǒu）一定的實踐（jiàn）意義.下一步要深入研究加工中心的定期維護保養策略，尤（yóu）其是關鍵部件的故障危害度，以提高加工中心可靠度維修保養的水平（píng）。

來源：南通職業大學機械工程學院，南通科技投（tóu）資集團股份有限公司

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