楊爭鋒
（農(nóng)產(chǎn)品加工智能裝備星創(chuàng)天地）
1 簡述
1.1 機械故障診斷研究的目的
數(shù)控高速沖床是在自動沖壓生成線上完成板料高效率、高精密沖壓加工的自動化沖壓設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷進步，數(shù)控高速沖床日趨智能化和精密化，對其可靠性的要求也越來越高。當前，我國國產(chǎn)數(shù)控高速沖床的可靠性水平與國外發(fā)達工業(yè)國家的相比具有較大差距，而產(chǎn)品的可靠性直接影響產(chǎn)品的市場競爭力。因此,提高國產(chǎn)數(shù)控高速沖床的可靠性水平來應(yīng)對當今競爭激烈的市場環(huán)境是我們的當務(wù)之急。故障分析是實現(xiàn)數(shù)控高速沖床可靠性水平增長的重要環(huán)節(jié)。本文以國產(chǎn)數(shù)控高速沖床為研究對象,重點圍繞數(shù)控高速沖床的故障分析技術(shù)展開深入的研究。
1.2冷卻潤滑子系統(tǒng)故障模式分析
冷卻潤滑子系統(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、潤滑油泵故障。因此，冷卻潤滑子系統(tǒng)是影響數(shù)控高速沖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 高速沖床
國內(nèi)外對數(shù)控機床的研發(fā)，主要面向高檔次，包括高速、高精、多軸聯(lián)動復(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，先進功能和性能不能維持，先進性也就失去其意義。因此，提高數(shù)控機床的可靠性水平，尤其是國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性水平，提高國產(chǎn)數(shù)控機床在國內(nèi)的市場占有率和競爭力是我們的當務(wù)之急。以往關(guān)于國產(chǎn)數(shù)控機床在可靠性方面的研究主要以數(shù)控金切機床為主,而關(guān)于數(shù)控高速沖壓設(shè)備的可靠性方面的研究在國內(nèi)卻比較匱乏。
數(shù)控高速沖床又稱數(shù)控高速壓力機是一種能高效完成板材的落料、沖孔、成型等沖壓工藝的機電一體化產(chǎn)品，具有柔性好，生產(chǎn)效率高，加工精度穩(wěn)定的優(yōu)點。高速沖床的基本工作原理是利用調(diào)速電機、皮帶、飛輪帶動曲柄滑塊機構(gòu)工作，此結(jié)構(gòu)將飛輪的旋轉(zhuǎn)運動變成滑塊的往復(fù)運動，將飛輪儲存的能量轉(zhuǎn)換為模具的沖壓能,進而實現(xiàn)板材的高速沖壓成形。在級進模和自動送料裝置等輔助機械的配合下,數(shù)控高速沖床能高效的進行自動化沖壓作業(yè)。近些年來,隨著電子、通訊、計算機、家電及汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對沖壓零件的需求量越來越大，如中小型電機的定轉(zhuǎn)子硅鋼片、刮臉刀、IT芯片等，這些沖壓零件很適合在數(shù)控高速沖床上進行大批量生產(chǎn)。市場的需求帶動了數(shù)控高速沖床的不斷發(fā)展，國產(chǎn)數(shù)控高速沖床在速度、噸位、精度等方面都有了長足的進步。但是，根據(jù)課題組調(diào)研獲得的國產(chǎn)數(shù)控高速沖床可靠性水平評估結(jié)果,我國具有代表性的國產(chǎn)某型數(shù)控高速沖床的平均故障間隔時間(MTBF）大約為325小時，與國外900小時的水平相去甚遠。國產(chǎn)數(shù)控高速沖床的可靠性水平低下，先進的功能和性能得不到維持，失去了先進性的意義，并且易出故障的產(chǎn)品將嚴重影響其在用戶中的口碑及其市場的占有率。
3 故障分析
3.1數(shù)控機床結(jié)構(gòu)
數(shù)控高速沖床屬于復(fù)雜的機電一體化產(chǎn)品，由大量的零部件組成。圖1所示為一種國產(chǎn)閉式雙點數(shù)控高速沖床的生產(chǎn)線實物圖。
圖1數(shù)控高速沖床生產(chǎn)線實物圖
1. 料架；2.校平機；3.送料機；4.高速沖床；5.控制柜
該型數(shù)控高速沖床的特點如下:1)采用一級帶傳動，沖壓行程次數(shù)高，沖壓加工的工作效率高;2)機身采用高強度鑄鐵分體結(jié)構(gòu)，底座和衡梁用四根拉緊螺桿拉緊，機身剛性好，角變形小;3)采用組合式干式摩擦離合器-制動器，噪音小，離合扭矩大，制動角小;4)四點式曲軸支承結(jié)構(gòu)，可增加曲軸強度，變形小，剛性好，抗偏載能力好;采用滾動軸承支承，運行穩(wěn)定，發(fā)熱少，精度高;5)采用導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，消除連桿擺動時對滑塊產(chǎn)生的側(cè)向力，滑塊采用滾珠花鍵軸承導(dǎo)向，保證滑塊運行精度;6)機身設(shè)有動平衡系統(tǒng)，可緩解機床振動和噪音，延長模具使用壽命，改善勞動環(huán)境;7)裝模高度調(diào)節(jié)螺桿設(shè)有液壓式鎖緊裝置，確保滑塊下死點精度;8)采用稀油強制循環(huán)潤滑系統(tǒng)，具有油路故障報警功能;9)采用平衡氣缸裝置，平衡滑塊與上模的重量，使壓力機運行更平穩(wěn);10)采用變頻器調(diào)速電機，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，人機界面，實現(xiàn)對機床的自動化、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)對數(shù)控高速沖床進行子系統(tǒng)的劃分，根據(jù)相關(guān)鍛壓手冊給出的劃分方法和故障樹分析的需要，將該?床劃分為8個子系統(tǒng)，代碼表見表1。
3.2冷卻潤滑子系統(tǒng)故障樹
冷卻潤滑子系統(tǒng)為數(shù)控高速沖床的各個關(guān)鍵運動部件提供潤滑油循環(huán)潤滑，并利用油冷機對潤滑油進行冷卻。潤滑油泵從機床底部的潤滑油箱吸油并建立壓力，壓力潤?油經(jīng)過濾器過濾，通過壓力閥，將油壓控制到所需壓力，由分油器將壓力潤滑油輸出到各個潤滑點，潤滑點主要包括滑塊的導(dǎo)柱導(dǎo)套，曲軸上的軸承組件，動平衡滑塊等，Z后經(jīng)潤滑油回路回到油箱。當潤滑油壓超出規(guī)定的壓力區(qū)間時，機床油壓檢測報警會被觸發(fā)。油冷機同時對油箱的潤滑油進行循環(huán)冷卻，并具有溫度檢測與報警功能。冷卻潤滑子系統(tǒng)的故障樹見圖2。
圖2冷卻潤滑子系統(tǒng)的故障樹
4 高速沖床冷卻潤滑子系統(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)測由于添加劑損耗或基礎(chǔ)油衰變引起的油品物理或化學性能指標的變化程度，來監(jiān)測設(shè)備的潤滑狀況以及設(shè)備潤滑不良而引起的故障。
4.2磨損微粒檢測技術(shù)
通過對油液中攜帶的磨損微粒的尺寸、形貌、含量等狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備磨損狀態(tài)的監(jiān)測與診斷。
高速沖床的冷卻潤滑子系統(tǒng)故障主要涉及磨損微粒檢測技術(shù)，總結(jié)為油液分析技術(shù)。
4.3油樣分析
1、了解被測設(shè)備的情況
（1）機器的機構(gòu)及潤滑方式:摩擦副相對運動的類型、潤滑方式等。
（2）摩擦副材料的性能:材料成分，熱處理情況，表面硬度。
（3）機器運行條件:轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、有否異常等。
（4）設(shè)備運轉(zhuǎn)歷史及維修保養(yǎng)情況:上次大修時間。原因、措施等。
（5）潤滑油性能。
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)過過濾器之前部位;
b.非循環(huán)油路:停機后半小時內(nèi)取樣，在整個油箱一半稍深處。
(2)取樣間隔
視機器的重要性、使用性、負荷特性而定。高速沖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，正常階段取樣間隔為200小時。
(3)采樣規(guī)范
a.對某一待監(jiān)測的設(shè)備，一定要固定取樣位置、取樣時間;
b.保證吸油器具的清潔、無污染，無殘油，無其它雜質(zhì)混入;
c.動作小心，不讓污染雜質(zhì)帶入油樣及待監(jiān)測的設(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
采用油液的物理化學化驗方法對油液的各種理化性能進行測定。需要分析的項目:粘度、水分、閃點、酸度、雜質(zhì)等。
粘度（GB266-77） 水分（GB/T260-1977）
閃點（GB/T261-1983;GB/T267-1988
酸值（GB/T264-1983） 灰分（GB608-65）
凝點（GB/T510-1983） 機械雜質(zhì)（GB/T511-1988）
2.光譜分析
通過檢測油液中所含各種元素的含量，反推出含有這些元素的機械零部件的磨損狀態(tài)。
（1）分光光度計法：優(yōu)缺點
優(yōu)點:靈敏度高.準確度與穩(wěn)定性較好 ,對微量元素的分析效果好，缺點: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
優(yōu)點:油樣不需預(yù)處理,分析速度快;讀數(shù)準確，重復(fù)性好，分析容量大。缺點:價格昂貴，安裝條件較嚴格，實驗費用高;與鐵譜技術(shù)相比，探測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：利用高梯度的強磁場將潤滑油中所含的機械磨損碎屑按其磨粒大小有序分離出來，通過對磨屑的形狀、大小、成分、數(shù)量及粒度分布等進行定性與定量的觀察、判斷設(shè)備磨損狀況、預(yù)報零部件的失效。優(yōu)點：應(yīng)用范圍廣，能分離出潤滑油中含有較寬尺寸范圍的磨屑。可對磨屑進行定性觀察分析和定量測量，以判斷機器的磨損程度，還可對磨屑的組成元素進行分析，以判斷磨屑產(chǎn)生的部位。缺點：對潤滑油中非鐵系顆粒的檢測能力低;(2)規(guī)范化不夠，分析結(jié)果對操作人員的經(jīng)驗有較多的依賴性;(3)對大規(guī)模設(shè)備群的診斷工作不很適應(yīng)。
4.顆粒計數(shù)法
對油樣中的顆粒進行顆粒度測量,按預(yù)選的顆粒范圍進行計數(shù),通過與標準的對比，獲得油液污染度的評價。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動顆粒計數(shù)器具有:計數(shù)速度快、準確度高、操作簡便等特點。顆粒計數(shù)器按原理可分為:遮光型、光散型、電阻型。其中遮光型顆粒計數(shù)器應(yīng)用Z廣泛。
5.磁塞法
將一個永磁或電磁的磁塞探頭插入潤滑系統(tǒng)的管路中，收集、探測油液系統(tǒng)中在用潤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)控高速沖床的故?樹分析結(jié)果可?冷卻潤滑子系統(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)，即對機床可靠性影響Z大。因此，按子系統(tǒng)重要度的高低，對冷卻潤滑子系統(tǒng)提出可靠性保障及改進措施。
通過數(shù)控高速沖床故障樹分析,給出了冷卻潤滑子系統(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)控高速沖床歷史故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計中,冷卻潤滑子系統(tǒng)在故障部位統(tǒng)計中為故障頻率Z高的子系統(tǒng)，該統(tǒng)計結(jié)果與故障樹分析結(jié)果相符。
冷卻潤滑子系統(tǒng)在故障模式統(tǒng)計中主要的故障模式為“液、氣、油滲漏”和“油冷裝置無制冷”。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措施建議:
表2可靠性保障及改進措施
6總結(jié)
本文針對數(shù)控高速沖床的結(jié)構(gòu)進行了簡單介紹，之后對高速沖床的子系統(tǒng)進行分類介紹，然后進行了冷卻潤滑子系統(tǒng)的故障分析與研究。介紹了常見的油液分析技術(shù)在高速沖床冷卻潤滑子系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用。總結(jié)了一般油液分析的方法步驟及優(yōu)缺點，并且針對危害較大的兩種故障提出了針對性防治措施。但要切實提高數(shù)控高速沖床的可靠性水平還存在一些不足需要進一步完善,存在一些難題需要進一步探索。
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