評(píng)估刀架在高強(qiáng)度車床上的可靠性
摘要
可靠性是指一部分的設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定功能的能力。一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)比如一臺(tái)機(jī)床要運(yùn)動(dòng)需要所有的組成部分連接在一起。因此，構(gòu)成整體的部分系統(tǒng)的可靠性決定了整體的可靠性。刀架是一個(gè)旨在為加工機(jī)床提供必要功能的設(shè)備。部分用在高硬度機(jī)床上的刀架必須要由更高的可靠性。為了本研究的目的，刀架的可靠性評(píng)估，采用了故障率最高的機(jī)床系統(tǒng)的進(jìn)行評(píng)估。為了進(jìn)行給定刀架的可靠性評(píng)估，使用了失敗率數(shù)據(jù)庫(kù)，弱點(diǎn)分析，生產(chǎn)可靠性測(cè)試，和可靠性測(cè)試計(jì)算和定量計(jì)算。通過(guò)這么做，可以計(jì)算故障率，MTBF（平均故障間隔時(shí)間）和其他的因素。此外，通過(guò)使用建議的評(píng)估方法，該研究結(jié)果還可以應(yīng)用于車床的其他部分或者子系統(tǒng)的可靠性評(píng)估。
關(guān)鍵詞：可靠性評(píng)估，可靠性預(yù)測(cè)，失敗率數(shù)據(jù)庫(kù)，刀架，平均故障間隔時(shí)間，失敗率
1 介紹
最近采用了可靠性概念的生產(chǎn)方式被采用了，而不是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)所有工業(yè)領(lǐng)域都關(guān)注的工程。(Saleh, 2006)可靠性是指一部分的設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定功能的能力。根據(jù)這種生產(chǎn)方法生產(chǎn)的產(chǎn)品同時(shí)滿足用戶需求的質(zhì)量和功能。特別是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)比如一臺(tái)機(jī)床要運(yùn)動(dòng)需要所有的組成部分連接在一起。因此，每個(gè)部分的可靠性是很重要的。刀架是一個(gè)旨在高效，自動(dòng)的為加工機(jī)床提供必要功能的設(shè)備。這種裝置的核心單元的精度最終決定了生產(chǎn)出的產(chǎn)品的精度。根據(jù)相關(guān)分析，刀架是眾所周知的失效率最高的機(jī)床子系統(tǒng)的組成部分之一。（RAC，1999）特別是刀架需要連接處理系統(tǒng)—這需要很高的剛度。正如高硬度的機(jī)床需要更高的可靠性一樣。（Kim，2005年）。一般來(lái)說(shuō)，電子零件的可靠性評(píng)估是根據(jù)假設(shè)的失效率進(jìn)行分析的。（根據(jù)經(jīng)常使用的bath—tub失效率曲線）在電子零件使用壽命時(shí)間內(nèi)是相同的。（Lee，2001，Lee，2006）然而，盡管這樣會(huì)增加故障率，但是從機(jī)械零件上獲得盡可能多的可靠性信息是有必要的。之所以這么做是因?yàn)槲覀兡壳皼](méi)有很多關(guān)于機(jī)械零件可靠性的信息(Wang, 1999; Lee, 2003)。在這項(xiàng)研究中,對(duì)可靠性評(píng)估中使用的刀架車床,使用了定量計(jì)算的可靠性和機(jī)械零件的可靠性信息的計(jì)算進(jìn)行了預(yù)測(cè)他們的可靠性通過(guò)分析他們的弱點(diǎn)使用機(jī)械部件的故障率;制造可靠性測(cè)試工具的可靠性測(cè)試后,進(jìn)行測(cè)量的可靠性測(cè)試等功能的剛度、重復(fù)和角分辨率;可靠性和計(jì)算定量標(biāo)準(zhǔn),等等。
2 可靠性預(yù)測(cè)
可靠性預(yù)測(cè)指的是努力提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,并防止意外事故引起的損失,主要是檢查產(chǎn)品的可靠性的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)其發(fā)展?fàn)顟B(tài)或原型的可靠性，從而在生產(chǎn)開始之前提高其可靠性(Moasoft Inc .,2002)?？煽啃灶A(yù)測(cè)方法包括FMEA(失效模式和效果分析)、FTA(故障樹分析),最壞情況分析、性能評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法(客戶服務(wù)數(shù)據(jù)),和故障率數(shù)據(jù)庫(kù)方法,等等。為了有效地進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè),數(shù)據(jù)(關(guān)于失敗率的信息)每個(gè)部分的失敗都是可取的。與電子零件不同,機(jī)械零件的可靠性評(píng)估沒(méi)有明確定義的故障模式和已知的機(jī)械零件的可靠性數(shù)據(jù)。因此,在這項(xiàng)研究中,我們進(jìn)行了可靠性預(yù)計(jì)使用NPRD95(沒(méi)有電子零件的可靠性數(shù)據(jù)部分),NPRD95是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),其中包含的信息機(jī)械部件的故障率(李,2003)。NPRD95數(shù)據(jù)庫(kù),收集和編輯數(shù)據(jù)從1974年到1994年的數(shù)據(jù),是對(duì)機(jī)械部件的故障率唯一的信息來(lái)源。這些失敗率遵循一個(gè)指數(shù)分布(RAe,1995)。為了尋找有關(guān)可靠性的數(shù)據(jù)，首要要做的是將系統(tǒng)模型化。模型化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是組成部分的清單，材料和畫圖的費(fèi)用等等。建模完成后,失敗率的可靠性信息應(yīng)該添加進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。為了查詢可靠性信息，用戶應(yīng)選擇使用環(huán)境下的故障率的選擇部分,一部分一部分得子分子類型。圖1顯示了一個(gè)示例的一個(gè)搜索連接器使用NPRD95失敗率銷。工具,如圖2所示,由一個(gè)六角頭的工具安裝,支持炮塔的主軸,夾緊部分修復(fù)工具的轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪(驅(qū)動(dòng)軸)旋轉(zhuǎn)的工具,傳輸能量和電子接近開關(guān)等傳感器部分。六角頭圖3。分析分部裝配和刀架的主要部分。圖4，可靠性隨時(shí)間變化的刀架。傳動(dòng)齒輪,其失效時(shí)間是42.411000百萬(wàn)小時(shí),同時(shí)發(fā)現(xiàn)故障率最低的電力部分,其失效時(shí)間是19.687800百萬(wàn)小時(shí)。與失敗率成反比的MTBF的指數(shù)分布,結(jié)果證明，傳動(dòng)齒輪的平均故障間隔時(shí)間最短，電力部分有效時(shí)間最長(zhǎng)。圖3說(shuō)明了裝配刀架失敗率的分部和弱點(diǎn)和失敗的主要部分。每個(gè)空白的百分比表示每個(gè)分部裝配的失敗率時(shí)假定刀架的失敗率是100%。這時(shí)皮帶、皮帶輪、傳動(dòng)齒輪的徑向軸承,故障率最高,因?yàn)槭÷屎芨?所以可以當(dāng)成薄弱的部分。因?yàn)樗麄円灿休^高的失敗率,接近開關(guān),Quad-Ring(X-Seal),12把刀具可以插入和安裝在3種類型的刀座中。因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)械產(chǎn)品的組件是由螺栓和螺母連接的,我們將刀架分級(jí)來(lái)進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)?？煽啃孕畔?yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格,材料,和使用環(huán)境的組成部分來(lái)尋找。為了查找關(guān)于材料的規(guī)范,我們可以查找KS規(guī)范手冊(cè)0430灰口鑄鐵產(chǎn)品和KS 03709鎳鉻鉬鋼材料,而對(duì)于相關(guān)的規(guī)格,我們可以查閱KS內(nèi)部規(guī)范和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槲覀儾⒉荒芤恢钡玫剿璧氖褂铆h(huán)境和規(guī)范的組成部分機(jī)械部件,所以我們咨詢了設(shè)計(jì)師，選擇最相似的部分(使用環(huán)境、材料和規(guī)格)。可靠性框圖可靠性計(jì)算方法,表示能量的流動(dòng),物質(zhì)和信息顯示系統(tǒng)(王,2004)。在這項(xiàng)研究中,該工具的主要的功能是旋轉(zhuǎn)刀架,主要部分是一系列的傳動(dòng)系統(tǒng)。為了得出預(yù)測(cè)結(jié)果,將刀架的MTBF估計(jì)為8590小時(shí),失效時(shí)間估計(jì)為116.408200百萬(wàn)小時(shí)。涉及的可靠性預(yù)測(cè)條件有操作溫度30°C GB(地面開始)和GC(地面控制)環(huán)境。關(guān)于分部裝配,最高的失敗率在傳動(dòng)齒輪,其失敗率是42.411000百萬(wàn)小時(shí),同時(shí)發(fā)現(xiàn)故障率最低的電力部分,其失效時(shí)間是19.687800百萬(wàn)小時(shí)。與失敗率成反比的MTBF的指數(shù)分布,結(jié)果證明，傳動(dòng)齒輪的平均故障間隔時(shí)間最短，電力部分有效時(shí)間最長(zhǎng)。圖3說(shuō)明了裝配刀架失敗率的分部和弱點(diǎn)和失敗的主要部分。每個(gè)空白的百分比表示每個(gè)分部裝配的失敗率時(shí)假定刀架的失敗率是100%。這時(shí)皮帶、皮帶輪、傳動(dòng)齒輪的徑向軸承,故障率最高,因?yàn)槭÷屎芨?所以可以當(dāng)成薄弱的部分。圖4說(shuō)明了改變刀架和組成裝配工作的可靠性。分部裝配可靠性大幅下降是傳動(dòng)齒輪,因?yàn)槠鲃?dòng)齒輪相對(duì)故障率高于其他地區(qū)。此外,我們發(fā)現(xiàn)分部裝配的可靠性幾乎等于來(lái)自客戶服務(wù)數(shù)據(jù)失敗的實(shí)際分配率。
3 制造的可靠性和可靠性測(cè)試
3.1 刀架的可靠性測(cè)試
刀架的失效是索引和夾緊的失效這是最重要的功能。這被認(rèn)為是由于接近傳感器的故障,由于夾緊或泄漏造成的密封部件的磨損。此外,損壞的主軸,有缺陷的零件組裝、部件的磨損，由于重復(fù)加載,和負(fù)載不對(duì)稱引起的反彈，由于有偏見(jiàn)的工具安裝，都會(huì)導(dǎo)致失效。因此,角分辨率、重復(fù)度、剛度和刀架的平面度對(duì)于可靠性是非常重要的元素。表1顯示了可靠性的評(píng)估項(xiàng)目的評(píng)估工具。引用數(shù)據(jù)是由機(jī)床制造商提供的。角分辨率由一個(gè)角度編碼器測(cè)量重復(fù)測(cè)量,如果值超出參考價(jià)值,然后彎曲的耦合磨損,0環(huán)磨損和油壓降低預(yù)期。在穿的弧形耦合,刀架的剛度下降。對(duì)于這個(gè)測(cè)量,弧形耦合可以通過(guò)負(fù)載單元測(cè)量,可以將造成的負(fù)荷測(cè)量轉(zhuǎn)換成價(jià)值和剛度的變化。同樣,接近傳感器支架振動(dòng)和溫度升高引起的連續(xù)操作可以使用一個(gè)加速度計(jì)測(cè)量傳感器和熱電偶。為了測(cè)量上述項(xiàng)目,我們做了一個(gè)可靠性測(cè)試器的結(jié)構(gòu),如圖5所示。測(cè)試人員將其分為傳動(dòng)部分、測(cè)量部分、控制部分和支撐部分。傳動(dòng)部分由刀架伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),液壓裝置和潤(rùn)滑裝置,測(cè)量數(shù)據(jù)處理的電腦。平板的支承部分由刀架的安裝可靠性測(cè)試器,和一個(gè)支架的傳感器是固定的,在這項(xiàng)研究中,我們還用表面安裝板的阻尼器。圖6顯示了刀架可靠性測(cè)試,實(shí)際上是為本研究研究的刀架。3.2 對(duì)刀架的性能評(píng)估
我們測(cè)試了刀架的性能以確定可靠性測(cè)試的最佳操作條件。以便于通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的操作測(cè)試性能來(lái)定義失效。
3.2.1油壓和剛度/重復(fù)性
刀架的徑向方向的剛度是由油壓的變化在彎曲的耦合。油壓在這項(xiàng)研究中的應(yīng)用是20 ~ 70公斤/ em”和強(qiáng)度造成負(fù)載單元400 n .在測(cè)試,下面油壓中的剛度明顯降低40公斤/ em和保持固定的油壓超過(guò)40公斤/ em”。此外,對(duì)重復(fù)性油壓也有很大的影響。如果油壓過(guò)低,重復(fù)性的下降是因?yàn)榛⌒螉A緊力低的耦合。然而,過(guò)高的使用油壓在結(jié)構(gòu)方面是不可取的。圖8顯示了根據(jù)油壓的變化可重復(fù)性。如果我們考慮可重復(fù)性，油壓最可取的是50公斤/ern。
3.2 角速度的分辨率和熱膨脹角速度
角分辨率很難建立模型，很難進(jìn)行評(píng)估和重復(fù)性精度比較。圖9顯示了通過(guò)測(cè)量每個(gè)指數(shù)的角度不斷的操作后8小時(shí)指數(shù)的平均值誤差。鑒于編碼器值的偏移的基本指數(shù)作為測(cè)量結(jié)果,我們可以看到一個(gè)索引錯(cuò)誤的0.03°。此外,鑒于錯(cuò)誤不發(fā)生在只有一個(gè)方向,我們可以看到,錯(cuò)誤不是由不平衡引起的彎曲的耦合。我們?yōu)榱俗袷馗鶕?jù)角分辨率的影響測(cè)量了影響旋轉(zhuǎn)索引3和9多次。振動(dòng)測(cè)量的酸度計(jì)安裝在支架用于修復(fù)接近傳感器。圖10所示,我們可以看到,索引的夾緊所造成的影響。
4 可靠性評(píng)估
4.1 可靠性測(cè)試
通過(guò)可靠性試驗(yàn),獲得的結(jié)果可能取決于測(cè)試條件。在這項(xiàng)研究中,進(jìn)行性能評(píng)估的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)。
油壓下60公斤/crr,這被認(rèn)為是保持固定和可重復(fù)性。雖然有其他方法,包括偏心荷載,空載和一致的加載方法等,,我們采用了空載連續(xù)操作的可靠性測(cè)試建立刀架的負(fù)載情況,因?yàn)樗呛茈y加速的。我們進(jìn)行了操作重復(fù)刀架的旋轉(zhuǎn)和反彈指數(shù)序列的1 ~ 7 - - > 4 - > 10,操作時(shí)間的周期大約是8秒,為了獲得更快的測(cè)試結(jié)果。我們測(cè)量了編碼器數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的差距1000次后(即測(cè)量經(jīng)過(guò)4000次的索引)為了定量分析測(cè)試結(jié)果,并進(jìn)行了100000次的連續(xù)操作?？煽啃詼y(cè)試的結(jié)果,總共三個(gè)故障發(fā)生。第一次失敗,刀架駐扎本身完全與重復(fù)性約190萬(wàn)周期后迅速下降后約160萬(wàn)周期。我們檢查機(jī)油壓力的液壓馬達(dá)提供夾緊力來(lái)確定故障的原因,但它是工作得很好,接近開關(guān)也工作正常。雖然第一次失敗的原因不存在,似乎是最可能的原因的振動(dòng)支架用于修復(fù)接近開關(guān)。開始操作第一次暫停后,沒(méi)有在第一次手術(shù)中,但是我們繼續(xù)測(cè)試,因?yàn)樗冀K是在基本價(jià)值。在第二次失敗,操作120萬(wàn)次后停止,恢復(fù)正常運(yùn)行后支架修復(fù)接近開關(guān)的搬遷,如第一次失敗。在這方面,我們進(jìn)行了一項(xiàng)惡化接近開關(guān)的測(cè)試,但是,生活和接近開關(guān)的性能沒(méi)有受到600萬(wàn)/偏移的影響。因此夾緊的異常操作肯定會(huì)造成支架修復(fù)接近開關(guān)的轉(zhuǎn)換。刀架停止大約在一百萬(wàn)周期調(diào)整接近開關(guān)后。由于失敗的原因的分析,液壓馬達(dá),這是旨在提供夾緊力,不是工作,因?yàn)橛蛪菏?公斤/cm。假設(shè)這是一個(gè)液壓系統(tǒng)的問(wèn)題,我們拆卸工具后,發(fā)現(xiàn),分析后,o形環(huán),旨在傳播夾緊力,已經(jīng)損壞。圖二和圖12顯示了o形環(huán)。
5 結(jié)論
在這項(xiàng)研究中,我們提出一個(gè)方法來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估的可靠性定量刀架通過(guò)可靠性預(yù)測(cè)、可靠性測(cè)試和分析車床刀架用于困難。結(jié)果的基礎(chǔ)上,我們建議的方法努力提高可靠性的車床刀架。結(jié)果區(qū)域:(I)的基礎(chǔ)上我們進(jìn)行了可靠性預(yù)測(cè)的可靠性數(shù)據(jù)的組成部分,刀架和結(jié)果符合可靠性測(cè)試和客戶服務(wù)研究。(2)我們使用NPRD95失敗率數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了可靠性預(yù)測(cè),房屋信息機(jī)械部件的故障率,并預(yù)測(cè)平均是8590小時(shí)。雖然這是不到10000小時(shí)的目標(biāo)生活的工具,它被認(rèn)為是一個(gè)錯(cuò)誤,由于資料的缺乏,機(jī)械零件的可靠性(故障率)和應(yīng)用程序類似的部分比較方法根據(jù)信息的缺乏。(3)我們獲得的數(shù)據(jù)在三個(gè)使用可靠性測(cè)試失敗,失敗都發(fā)生在傳動(dòng)部分?？煽啃苑治龅慕Y(jié)果,一個(gè)刀架的失敗被發(fā)現(xiàn)是最好的解釋為魏牛分布、和MTBF被魏牛分布在13433小時(shí)計(jì)算。(4)然而,以確保一個(gè)更可靠的測(cè)試的可靠性,增加可靠性的數(shù)量將是明智的測(cè)試。我們?cè)黾恿酥Ъ艿暮穸?從0.7噸到1.0噸,接近開關(guān),建議提高可靠性的方法,如更換薄弱部分,即Quad-Ring和o形環(huán)。