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(jī)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(jìn)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(dāng)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(dá)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(dāng)今競爭激烈的市場環(huán)境是我們的當(dāng)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(jī)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(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，尤其是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性水平，提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國內(nèi)的市場占有率和競爭力是我們的當(dāng)務(wù)之急。以往關(guān)于國產(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(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。高速沖床的基本工作原理是利用調(diào)速電機(jī)、皮帶、飛輪帶動曲柄滑塊機(jī)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(jìn)而實現(xiàn)板材的高速沖壓成形。在級進(jìn)模和自動送料裝置等輔助機(jī)械的配合下,數(shù)控高速沖床能高效的進(jìn)行自動化沖壓作業(yè)。近些年來,隨著電子、通訊、計算機(jī)、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(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)控高速沖床上進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)。國產(chǎn)數(shù)控高速沖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)控高速沖床屬于復(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(jī)；3.送料機(jī)；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(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(qiáng)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(jī)身設(shè)有動平衡系統(tǒng)，可緩解機(jī)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(qiáng)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(jī)運行更平穩(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，實現(xiàn)對機(jī)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(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)對數(shù)控高速沖床進(jìn)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(jī)對潤滑油進(jìn)行冷卻。潤滑油泵從機(jī)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(dāng)潤滑油壓超出規(guī)定的壓力區(qū)間時，機(jī)床油壓檢測報警會被觸發(fā)。油冷機(jī)同時對油箱的潤滑油進(jìn)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(xué)性能指標(biāo)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(jī)器的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器的重要性、使用性、負(fù)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(xué)化驗方法對油液的各種理化性能進(jìn)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(jī)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(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)確，重復(fù)性好，分析容量大。缺點:價格昂貴，安裝條件較嚴(yán)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(qiáng)磁場將潤滑油中所含的機(jī)械磨損碎屑按其磨粒大小有序分離出來，通過對磨屑的形狀、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(jìn)行定性觀察分析和定量測量，以判斷機(jī)器的磨損程度，還可對磨屑的組成元素進(jìn)行分析，以判斷磨屑產(chǎn)生的部位。缺點：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(jìn)行顆粒度測量,按預(yù)選的顆粒范圍進(jìn)行計數(shù),通過與標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(jìn)措施建議:
表2可靠性保障及改進(jìn)措施
6總結(jié)
本文針對數(shù)控高速沖床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單介紹，之后對高速沖床的子系統(tǒng)進(jìn)行分類介紹，然后進(jìn)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�？偨Y(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(jìn)一步完善,存在一些難題需要進(jìn)一步探索。
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