楊爭(zhēng)鋒

（農(nóng)產(chǎn)品加工智能裝備星創(chuàng)天地）

1　簡(jiǎn)述

1.1 機(jī)械故障診斷研究的目的

數(shù)控高速?zèng)_床是在自動(dòng)沖壓生成線上完成板料高效率、高精密沖壓加工的自動(dòng)化沖壓設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)控高速?zèng)_床日趨智能化和精密化，對(duì)其可靠性的要求也越來(lái)越高。當(dāng)前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控高速?zèng)_床的可靠性水平與國(guó)外發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的相比具有較大差距，而產(chǎn)品的可靠性直接影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此,提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控高速?zèng)_床的可靠性水平來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境是我們的當(dāng)務(wù)之急。故障分析是實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速?zèng)_床可靠性水平增長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)。本文以國(guó)產(chǎn)數(shù)控高速?zèng)_床為研究對(duì)象,重點(diǎn)圍繞數(shù)控高速?zèng)_床的故障分析技術(shù)展開深入的研究。

1.2冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障模式分析

冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)是發(fā)生故障Z為頻繁的部位,在歷史故障數(shù)據(jù)中主要表現(xiàn)為油冷裝置不制冷、油管及管接頭的漏油、潤(rùn)滑油泵故障。因此，冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)是影響數(shù)控高速?zèng)_床可靠性的重要因素。此外，電氣子系統(tǒng)與液壓鎖緊子系統(tǒng)也是故障頻率較高的的故障部位。

2　高速?zèng)_床

國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)控機(jī)床的研發(fā)，主要面向高檔次，包括高速、高精、多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工等，但是隨著復(fù)合功能的增多和密集技術(shù)的引入，故障隱患增多，先進(jìn)功能和性能不能維持，先進(jìn)性也就失去其意義。因此，提高數(shù)控機(jī)床的可靠性水平，尤其是國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性水平，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率和競(jìng)爭(zhēng)力是我們的當(dāng)務(wù)之急。以往關(guān)于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在可靠性方面的研究主要以數(shù)控金切機(jī)床為主,而關(guān)于數(shù)控高速?zèng)_壓設(shè)備的可靠性方面的研究在國(guó)內(nèi)卻比較匱乏。

數(shù)控高速?zèng)_床又稱數(shù)控高速壓力機(jī)是一種能高效完成板材的落料、沖孔、成型等沖壓工藝的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有柔性好，生產(chǎn)效率高，加工精度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。高速?zèng)_床的基本工作原理是利用調(diào)速電機(jī)、皮帶、飛輪帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作，此結(jié)構(gòu)將飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將飛輪儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為模具的沖壓能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)板材的高速?zèng)_壓成形。在級(jí)進(jìn)模和自動(dòng)送料裝置等輔助機(jī)械的配合下,數(shù)控高速?zèng)_床能高效的進(jìn)行自動(dòng)化沖壓作業(yè)。近些年來(lái),隨著電子、通訊、計(jì)算機(jī)、家電及汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)沖壓零件的需求量越來(lái)越大，如中小型電機(jī)的定轉(zhuǎn)子硅鋼片、刮臉刀、IT芯片等，這些沖壓零件很適合在數(shù)控高速?zèng)_床上進(jìn)行大批量生產(chǎn)。市場(chǎng)的需求帶動(dòng)了數(shù)控高速?zèng)_床的不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)數(shù)控高速?zèng)_床在速度、噸位、精度等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，根據(jù)課題組調(diào)研獲得的國(guó)產(chǎn)數(shù)控高速?zèng)_床可靠性水平評(píng)估結(jié)果,我國(guó)具有代表性的國(guó)產(chǎn)某型數(shù)控高速?zèng)_床的平均故障間隔時(shí)間(MTBF）大約為325小時(shí)，與國(guó)外900小時(shí)的水平相去甚遠(yuǎn)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控高速?zèng)_床的可靠性水平低下，先進(jìn)的功能和性能得不到維持，失去了先進(jìn)性的意義，并且易出故障的產(chǎn)品將嚴(yán)重影響其在用戶中的口碑及其市場(chǎng)的占有率。

3　故障分析

3.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

數(shù)控高速?zèng)_床屬于復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由大量的零部件組成。圖1所示為一種國(guó)產(chǎn)閉式雙點(diǎn)數(shù)控高速?zèng)_床的生產(chǎn)線實(shí)物圖。

圖1數(shù)控高速?zèng)_床生產(chǎn)線實(shí)物圖

1. 料架；2.校平機(jī)；3.送料機(jī)；4.高速?zèng)_床；5.控制柜

該型數(shù)控高速?zèng)_床的特點(diǎn)如下:1)采用一級(jí)帶傳動(dòng)，沖壓行程次數(shù)高，沖壓加工的工作效率高;2)機(jī)身采用高強(qiáng)度鑄鐵分體結(jié)構(gòu)，底座和衡梁用四根拉緊螺桿拉緊，機(jī)身剛性好，角變形小;3)采用組合式干式摩擦離合器-制動(dòng)器，噪音小，離合扭矩大，制動(dòng)角小;4)四點(diǎn)式曲軸支承結(jié)構(gòu)，可增加曲軸強(qiáng)度，變形小，剛性好，抗偏載能力好;采用滾動(dòng)軸承支承，運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)熱少，精度高;5)采用導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，消除連桿擺動(dòng)時(shí)對(duì)滑塊產(chǎn)生的側(cè)向力，滑塊采用滾珠花鍵軸承導(dǎo)向，保證滑塊運(yùn)行精度;6)機(jī)身設(shè)有動(dòng)平衡系統(tǒng)，可緩解機(jī)床振動(dòng)和噪音，延長(zhǎng)模具使用壽命，改善勞動(dòng)環(huán)境;7)裝模高度調(diào)節(jié)螺桿設(shè)有液壓式鎖緊裝置，確�；瑝K下死點(diǎn)精度;8)采用稀油強(qiáng)制循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)，具有油路故障報(bào)警功能;9)采用平衡氣缸裝置，平衡滑塊與上模的重量，使壓力機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn);10)采用變頻器調(diào)速電機(jī)，行程次數(shù)可調(diào);11)采用可編程控制器PC，電子凸輪及電子凸輪控制器，人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的自動(dòng)化、數(shù)字化控制，操作方便，性能優(yōu)良。

為了正確的描述故障，準(zhǔn)確定義故障發(fā)生的部位，找出影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部位，應(yīng)對(duì)數(shù)控高速?zèng)_床進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分，根據(jù)相關(guān)鍛壓手冊(cè)給出的劃分方法和故障樹分析的需要，將該?床劃分為8個(gè)子系統(tǒng)，代碼表見表1。

3.2冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障樹

冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)為數(shù)控高速?zèng)_床的各個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件提供潤(rùn)滑油循環(huán)潤(rùn)滑，并利用油冷機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻。潤(rùn)滑油泵從機(jī)床底部的潤(rùn)滑油箱吸油并建立壓力，壓力潤(rùn)?油經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾，通過(guò)壓力閥，將油壓控制到所需壓力，由分油器將壓力潤(rùn)滑油輸出到各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，潤(rùn)滑點(diǎn)主要包括滑塊的導(dǎo)柱導(dǎo)套，曲軸上的軸承組件，動(dòng)平衡滑塊等，Z后經(jīng)潤(rùn)滑油回路回到油箱。當(dāng)潤(rùn)滑油壓超出規(guī)定的壓力區(qū)間時(shí)，機(jī)床油壓檢測(cè)報(bào)警會(huì)被觸發(fā)。油冷機(jī)同時(shí)對(duì)油箱的潤(rùn)滑油進(jìn)行循環(huán)冷卻，并具有溫度檢測(cè)與報(bào)警功能。冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)的故障樹見圖2。

圖2冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)的故障樹

4　高速?zèng)_床冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障診斷采用的技術(shù)手段

4.1油液理化性能分析

監(jiān)測(cè)由于添加劑損耗或基礎(chǔ)油衰變引起的油品物理或化學(xué)性能指標(biāo)的變化程度，來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑狀況以及設(shè)備潤(rùn)滑不良而引起的故障。

4.2磨損微粒檢測(cè)技術(shù)

通過(guò)對(duì)油液中攜帶的磨損微粒的尺寸、形貌、含量等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷。

高速?zèng)_床的冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障主要涉及磨損微粒檢測(cè)技術(shù)，總結(jié)為油液分析技術(shù)。

4.3油樣分析

1、了解被測(cè)設(shè)備的情況

（1）機(jī)器的機(jī)構(gòu)及潤(rùn)滑方式:摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的類型、潤(rùn)滑方式等。

（2）摩擦副材料的性能:材料成分，熱處理情況，表面硬度。

（3）機(jī)器運(yùn)行條件:轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、有否異常等。

（4）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)歷史及維修保養(yǎng)情況:上次大修時(shí)間。原因、措施等。

（5）潤(rùn)滑油性能。

2、油樣抽取

油樣抽取應(yīng)保證所取出的油樣具有代表性。

(1)取樣部位

a.循環(huán)油路:選在回油管路經(jīng)過(guò)過(guò)濾器之前部位;

b.非循環(huán)油路:停機(jī)后半小時(shí)內(nèi)取樣，在整個(gè)油箱一半稍深處。

(2)取樣間隔

視機(jī)器的重要性、使用性、負(fù)荷特性而定。高速?zèng)_床屬于地面液壓系統(tǒng)，跑合階段和失效前夕階段取樣間隔為80小時(shí)，正常階段取樣間隔為200小時(shí)。

(3)采樣規(guī)范

a.對(duì)某一待監(jiān)測(cè)的設(shè)備，一定要固定取樣位置、取樣時(shí)間;

b.保證吸油器具的清潔、無(wú)污染，無(wú)殘油，無(wú)其它雜質(zhì)混入;

c.動(dòng)作小心，不讓污染雜質(zhì)帶入油樣及待監(jiān)測(cè)的設(shè)備。

(4)原始數(shù)據(jù)記錄完整

4.4 油液分析的主要方法

1.油液理化性能檢測(cè)

采用油液的物理化學(xué)化驗(yàn)方法對(duì)油液的各種理化性能進(jìn)行測(cè)定。需要分析的項(xiàng)目:粘度、水分、閃點(diǎn)、酸度、雜質(zhì)等。

粘度（GB266-77）      水分（GB/T260-1977）

閃點(diǎn)（GB/T261-1983;GB/T267-1988

酸值（GB/T264-1983）  灰分（GB608-65）

凝點(diǎn)（GB/T510-1983）  機(jī)械雜質(zhì)（GB/T511-1988）

2.光譜分析

通過(guò)檢測(cè)油液中所含各種元素的含量，反推出含有這些元素的機(jī)械零部件的磨損狀態(tài)。

（1）分光光度計(jì)法：優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):靈敏度高.準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性較好 ,對(duì)微量元素的分析效果好，缺點(diǎn):速度慢，不同元素要配制不同的溶液。

（2）原子發(fā)射光譜分析法優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):油樣不需預(yù)處理,分析速度快;讀數(shù)準(zhǔn)確，重復(fù)性好，分析容量大。缺點(diǎn):價(jià)格昂貴，安裝條件較嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高;與鐵譜技術(shù)相比，探測(cè)較大粒度磨粒的靈敏度低，不能獲得磨屑形態(tài)方面的信息。在判斷磨損類型和預(yù)報(bào)災(zāi)變發(fā)生的能力方面存在不足。

3.鐵譜分析

鐵譜分析原理：利用高梯度的強(qiáng)磁場(chǎng)將潤(rùn)滑油中所含的機(jī)械磨損碎屑按其磨粒大小有序分離出來(lái)，通過(guò)對(duì)磨屑的形狀、大小、成分、數(shù)量及粒度分布等進(jìn)行定性與定量的觀察、判斷設(shè)備磨損狀況、預(yù)報(bào)零部件的失效。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣，能分離出潤(rùn)滑油中含有較寬尺寸范圍的磨屑�？蓪�(duì)磨屑進(jìn)行定性觀察分析和定量測(cè)量，以判斷機(jī)器的磨損程度，還可對(duì)磨屑的組成元素進(jìn)行分析，以判斷磨屑產(chǎn)生的部位。缺點(diǎn)：對(duì)潤(rùn)滑油中非鐵系顆粒的檢測(cè)能力低;(2)規(guī)范化不夠，分析結(jié)果對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)有較多的依賴性;(3)對(duì)大規(guī)模設(shè)備群的診斷工作不很適應(yīng)。

4.顆粒計(jì)數(shù)法

對(duì)油樣中的顆粒進(jìn)行顆粒度測(cè)量,按預(yù)選的顆粒范圍進(jìn)行計(jì)數(shù),通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，獲得油液污染度的評(píng)價(jià)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器具有:計(jì)數(shù)速度快、準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。顆粒計(jì)數(shù)器按原理可分為:遮光型、光散型、電阻型。其中遮光型顆粒計(jì)數(shù)器應(yīng)用Z廣泛。

5.磁塞法

將一個(gè)永磁或電磁的磁塞探頭插入潤(rùn)滑系統(tǒng)的管路中，收集、探測(cè)油液系統(tǒng)中在用潤(rùn)滑油所含的磁性顆粒。借助于放大鏡和人眼觀察、分析被采集的磁性顆粒的大小、數(shù)量、形狀等特征，簡(jiǎn)易判斷設(shè)備磨損狀態(tài)。

5　故障防治措施

通由數(shù)控高速?zèng)_床的故?樹分析結(jié)果可?冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)在子系統(tǒng)重要度排序中位列，是重要度Z高的子系統(tǒng)，即對(duì)機(jī)床可靠性影響Z大。因此，按子系統(tǒng)重要度的高低，對(duì)冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)提出可靠性保障及改進(jìn)措施。

通過(guò)數(shù)控高速?zèng)_床故障樹分析,給出了冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障樹底事件的重要度排序。根據(jù)排序結(jié)果可以看出，底事件“油冷裝置不制冷”、“接頭漏油”、“油管漏油”的概率重要度的排序靠前。在數(shù)控高速?zèng)_床歷史故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)中,冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)在故障部位統(tǒng)計(jì)中為故障頻率Z高的子系統(tǒng)，該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與故障樹分析結(jié)果相符。

冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)在故障模式統(tǒng)計(jì)中主要的故障模式為“液、氣、油滲漏”和“油冷裝置無(wú)制冷”。在危害性矩陣中屬于危害性程度較高的故障模式。所以為故障模式“油冷裝置不制冷”、“接頭漏油”及“油管漏油”提出如下可靠性保障及改進(jìn)措施建議:

表2可靠性保障及改進(jìn)措施

6總結(jié)

本文針對(duì)數(shù)控高速?zèng)_床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，之后對(duì)高速?zèng)_床的子系統(tǒng)進(jìn)行分類介紹，然后進(jìn)行了冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)的故障分析與研究。介紹了常見的油液分析技術(shù)在高速?zèng)_床冷卻潤(rùn)滑子系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用�？偨Y(jié)了一般油液分析的方法步驟及優(yōu)缺點(diǎn)，并且針對(duì)危害較大的兩種故障提出了針對(duì)性防治措施。但要切實(shí)提高數(shù)控高速?zèng)_床的可靠性水平還存在一些不足需要進(jìn)一步完善,存在一些難題需要進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)

[1]劉水平,朱彩蓮,楊壽智.數(shù)控沖床中常用檢測(cè)元件的故障分析與維修[J].機(jī)床與液壓,2015,43(20):183-186.

[2]陳太瓊.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的維護(hù)保養(yǎng)[J].中國(guó)設(shè)備工程,2011(02):36-38.

[3]張罡,石為人. 故障樹分析法在數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用[C]//.2004全國(guó)虛擬儀器大會(huì)論文集（二）,2009:56-59.

[4]張英芝,賈亞洲,杜慶林,朱黎輝.數(shù)控沖床故障分析[J].機(jī)床與液壓,2004(09):187-188.

[5]張英芝,賈亞洲,張學(xué)文,杜慶林.數(shù)控沖床的故障概率分布模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2004(02):264-267.DOI:10.13229/j.cnki.jdxbgxb2004.

[6]張根保,孫曉丁,鞠萍華,張會(huì)杰,程巖松.某高速?zèng)_床潤(rùn)滑系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性研究[J].鍛壓技術(shù),2013,38(03):85-89.

[7]黃兆哲.數(shù)控高速?zèng)_床的故障分析與研究[D].吉林大學(xué),2013.

[8]李太福.高速?zèng)_床主傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué),2012.

[9]戴明凡.油液分析光譜儀研制關(guān)鍵技術(shù)及光譜數(shù)據(jù)分析研究[D].中國(guó)計(jì)量大學(xué),2020.DOI:10.27819/d.cnki.gzgjl.2020.000120.[10]

[10]龐新宇,閆宗慶.機(jī)械設(shè)備智能化油液分析技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].液壓與氣動(dòng),2020(09):56-66.

[11]楊仕通. 基于油液分析的工程機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究[D].石家莊鐵道大學(xué),2018.