楊争[Zheng]鋒

（農産品加工智能裝備星創天地(Di)）

1　簡述

1.1 機械故障診[Zhen]斷研究的目的

數(Shu)控高[Gao]速沖床是在[Zai]自動沖壓生成線上完成闆料高效率、高精密沖壓加工的自動化沖(Chong)壓[Ya]設備。随着技術的不斷進步，數控高速沖床日趨智能(Neng)化和[He]精密化，對其可靠性的[De]要求也越來[Lai]越高。當前，我國國産(Chan)數控[Kong]高速沖床的[De]可靠性水平與國外發達(Da)工(Gong)業國家的相比具有較大差距，而産品的可靠性直接影響産(Chan)品的市場[Chang]競争力。因此,提高國産數控高速沖床的[De]可靠性水(Shui)平來應對當今[Jin]競争激烈的市[Shi]場環境是(Shi)我們的當務(Wu)之急。故障分(Fen)析是實(Shi)現數控高速沖床[Chuang]可靠性水平[Ping]增長的重要環節(Jie)。本文以(Yi)國産數[Shu]控高速沖床為研究對象,重點圍繞數控高速沖床的故障分析技術展開深入的研究。

1.2冷卻潤滑子系統故障模式[Shi]分析

冷卻潤(Run)滑子[Zi]系統是發生故障Z為頻繁的部位,在曆[Li]史故障數據(Ju)中主要表現為油冷(Leng)裝置(Zhi)不制(Zhi)冷、油管及管接(Jie)頭的漏油、潤滑油泵故障。因此[Ci]，冷卻潤滑(Hua)子系[Xi]統是影響數控高速沖床可靠(Kao)性的[De]重要因素。此外，電(Dian)氣[Qi]子系[Xi]統與液壓鎖緊子系統也是(Shi)故障頻率較高的的故障部[Bu]位。

2　高速沖床

國内外(Wai)對數控機床的研發，主要面向高檔次，包括高速、高精、多軸聯動複合加工等(Deng)，但是随着複合[He]功能的增(Zeng)多和密集技術的引入，故障隐患增多，先進功能和[He]性能不能維[Wei]持[Chi]，先進性也就失去其意義。因此，提高[Gao]數控機床(Chuang)的(De)可靠性水平[Ping]，尤其是國産數控機床的可靠性水平，提高國産數控機(Ji)床在(Zai)國内的市場占[Zhan]有[You]率和競争力是我(Wo)們的當務之急。以(Yi)往關于國産數控機床[Chuang]在(Zai)可靠性方面[Mian]的研究主要以數控金切(Qie)機床為[Wei]主,而關于數[Shu]控高速沖壓設備的可靠性方面的研究在國内卻比較匮乏[Fa]。

數控高速沖床又稱[Cheng]數控高速壓力機是一種[Zhong]能高效完成闆材的落料、沖孔、成型等沖壓工[Gong]藝的機電一[Yi]體化産品，具有柔(Rou)性好，生産效率高，加工精度穩[Wen]定的優[You]點。高速沖床(Chuang)的基本工作[Zuo]原理是利用調速電機、皮[Pi]帶、飛輪帶動曲柄滑塊機[Ji]構工作(Zuo)，此(Ci)結[Jie]構将飛輪的旋轉運動變[Bian]成滑塊[Kuai]的(De)往複運動，将飛輪儲存的能量轉換為模(Mo)具的沖壓能[Neng],進而實現闆材(Cai)的高速沖壓成形(Xing)。在級進模和自動送料裝置等輔助(Zhu)機械的配合下,數控(Kong)高速沖床能高(Gao)效的(De)進行自動化沖壓(Ya)作[Zuo]業。近些年[Nian]來,随着電子、通訊、計算機、家電及汽車[Che]工業的不斷[Duan]發展，對沖壓零件的(De)需求量越來越大，如中小型電機的定轉(Zhuan)子矽鋼片、刮臉刀、IT芯片等，這些沖壓(Ya)零件很适合[He]在數控高速沖床[Chuang]上進行大批量(Liang)生(Sheng)産。市場的需求帶[Dai]動了數控高速沖床的不(Bu)斷發展，國産數[Shu]控高速沖床[Chuang]在速度[Du]、噸位、精度等方面[Mian]都有了長(Zhang)足的進步。但是，根據課題組[Zu]調研獲(Huo)得的國産數控高(Gao)速沖床可靠(Kao)性水平評估結果,我國具有代表性的(De)國産某型數控高速[Su]沖床[Chuang]的平均故障[Zhang]間隔時間(MTBF）大[Da]約為325小時，與(Yu)國外900小時(Shi)的(De)水平相去甚[Shen]遠(Yuan)。國産數控[Kong]高速沖床的(De)可靠性水平低下，先進[Jin]的功能和性能(Neng)得不到維持，失去了先進性(Xing)的(De)意義，并[Bing]且易出(Chu)故障的産品将嚴[Yan]重影響其在(Zai)用戶中的口碑及其市場的占[Zhan]有率。

3　故障分析[Xi]

3.1數控機床結構

數控高速沖床屬于複雜的[De]機電一體化産品(Pin)，由大量(Liang)的零部件組成。圖1所示為一種國(Guo)産閉[Bi]式雙點數控[Kong]高(Gao)速沖床的生産線實物圖。

圖1數控高速沖床生産線實物圖

1. 料[Liao]架；2.校平機；3.送(Song)料機；4.高[Gao]速沖[Chong]床；5.控制櫃

該(Gai)型數[Shu]控高速(Su)沖床的特點如下:1)采用一[Yi]級(Ji)帶傳動，沖壓[Ya]行程次數高，沖壓加工的工作效率高;2)機身采用(Yong)高[Gao]強度鑄鐵分體結構，底座[Zuo]和衡梁用[Yong]四根(Gen)拉緊螺杆拉緊，機身(Shen)剛性好，角變形小;3)采(Cai)用組[Zu]合式幹式摩擦離合器-制動器，噪音小(Xiao)，離合扭(Niu)矩大，制動角小;4)四點式曲軸支[Zhi]承結(Jie)構，可增加曲軸強度，變形小，剛性[Xing]好，抗偏載能(Neng)力好;采用(Yong)滾動軸承支承，運行穩定，發熱[Re]少，精度高(Gao);5)采用導柱導套結構[Gou]，消除連杆擺動時對滑塊産生(Sheng)的側向力，滑塊采用滾珠花鍵軸承導(Dao)向，保證滑塊運行精度(Du);6)機身設有動平[Ping]衡系統[Tong]，可緩解機床振動(Dong)和噪音，延長模具使用壽命，改善勞動環境;7)裝模高(Gao)度調節螺杆[Gan]設[She]有液壓式[Shi]鎖緊裝置，确保滑塊下死點精度;8)采(Cai)用稀油強制循環潤滑系統(Tong)，具有油路故[Gu]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(Ya)力機運行更平穩;10)采用變[Bian]頻器調[Diao]速電機，行程次(Ci)數(Shu)可調;11)采(Cai)用可編程控制器PC，電[Dian]子凸輪(Lun)及電子凸輪控制器，人機界(Jie)面，實現對機床的自動化[Hua]、數字化控制，操(Cao)作(Zuo)方(Fang)便，性能優良。

為(Wei)了正确的描述故障，準确[Que]定義故障[Zhang]發生(Sheng)的部位，找出[Chu]影響系統可(Ke)靠性的關鍵部位，應[Ying]對[Dui]數控高速沖(Chong)床[Chuang]進[Jin]行子系統的劃分，根據相關鍛壓手(Shou)冊給出的劃分方[Fang]法和故障樹分析(Xi)的(De)需要，将[Jiang]該?床(Chuang)劃分為8個子系統，代(Dai)碼表見表1。

3.2冷卻潤[Run]滑子系統故[Gu]障樹

冷卻潤滑子系統為(Wei)數控高速沖[Chong]床[Chuang]的各個關鍵運動(Dong)部件提(Ti)供潤滑油[You]循環潤滑(Hua)，并利用油冷機對潤[Run]滑油(You)進(Jin)行冷卻。潤滑油[You]泵從機床底部的[De]潤滑油箱吸油并[Bing]建(Jian)立壓力，壓(Ya)力潤?油經過濾器過濾[Lü]，通(Tong)過壓力閥，将(Jiang)油壓控制到(Dao)所需壓(Ya)力，由分油器(Qi)将壓[Ya]力潤滑油輸[Shu]出(Chu)到各個潤[Run]滑點，潤滑點主要包括滑塊的導柱導套，曲軸上的[De]軸承組件，動平衡滑塊等，Z後經(Jing)潤滑油(You)回路回[Hui]到油箱。當潤滑[Hua]油壓超出規定(Ding)的壓力區間時[Shi]，機床油壓[Ya]檢測報警會被觸發(Fa)。油冷機同時對油箱[Xiang]的潤滑油進行循環冷卻，并具有溫度檢測與報[Bao]警功能。冷卻[Que]潤滑子系統[Tong]的故障[Zhang]樹見圖2。

圖2冷卻潤滑(Hua)子系統的故障(Zhang)樹

4　高速沖床冷卻潤[Run]滑子系統故[Gu]障診(Zhen)斷采用[Yong]的技術手段

4.1油(You)液理化性能分析

監測由于添(Tian)加劑損耗或基礎油衰變引起[Qi]的油[You]品物理或化學性能指标(Biao)的變化[Hua]程度，來(Lai)監測設備的潤滑狀況以及設(She)備潤滑不良而引起的故障。

4.2磨損微粒檢測技術

通(Tong)過對油液中攜帶的[De]磨損微粒的尺寸、形[Xing]貌、含量等(Deng)狀态，實現對設備磨損狀(Zhuang)态的[De]監測與診斷。

高速沖床的冷(Leng)卻潤滑子系統故障主(Zhu)要涉及[Ji]磨[Mo]損微粒檢測技術，總[Zong]結為油液分析技術。

4.3油樣分析(Xi)

1、了解被測設備的情況[Kuang]

（1）機器的機構及潤滑方式:摩[Mo]擦副相對(Dui)運動的類型、潤(Run)滑方式等。

（2）摩擦[Ca]副材料的性能:材料[Liao]成分，熱處理情況[Kuang]，表(Biao)面硬(Ying)度。

（3）機器運行[Hang]條(Tiao)件:轉速、載荷、溫[Wen]度、有否異常等。

（4）設備運轉曆史(Shi)及維修保養情(Qing)況:上次大修[Xiu]時間。原因、措施等。

（5）潤滑油性能。

2、油樣抽(Chou)取

油樣(Yang)抽取應保證所取[Qu]出的油樣具有代表性。

(1)取樣部位

a.循環油路:選(Xuan)在回(Hui)油管路經過(Guo)過濾器(Qi)之前部位;

b.非循環(Huan)油路:停機後半小[Xiao]時内取樣，在整個(Ge)油箱一半稍深(Shen)處。

(2)取樣[Yang]間隔

視機器的重要性、使用性、負荷(He)特性而定。高速沖床屬于地面液[Ye]壓系統，跑合階段和失效前夕階(Jie)段取樣間隔為80小時，正常階段[Duan]取樣間隔為200小時。

(3)采樣規(Gui)範

a.對[Dui]某一待監(Jian)測的設備，一定[Ding]要固定(Ding)取樣位置、取樣時間;

b.保證吸油(You)器具的清潔、無污[Wu]染[Ran]，無殘油，無其它雜質混入;

c.動作小心，不讓污染雜質帶入油(You)樣及(Ji)待監測的設[She]備(Bei)。

(4)原始數據記錄完整

4.4 油(You)液分析的主要方法[Fa]

1.油液(Ye)理化性能檢(Jian)測

采用油液[Ye]的物理化學化驗方法對油液的各種理化性能進[Jin]行測定。需要(Yao)分析的項目[Mu]:粘度、水分、閃[Shan]點、酸度、雜質等。

粘度(Du)（GB266-77）      水分（GB/T260-1977）

閃點（GB/T261-1983;GB/T267-1988

酸值[Zhi]（GB/T264-1983）  灰分(Fen)（GB608-65）

凝點（GB/T510-1983）  機械[Xie]雜質（GB/T511-1988）

2.光譜分析

通過檢測油液[Ye]中所含(Han)各種(Zhong)元素的含量，反推[Tui]出[Chu]含有這些元(Yuan)素[Su]的機械零部件的[De]磨損狀态[Tai]。

（1）分光光度計法：優缺點

優點:靈敏度高.準确度[Du]與穩定性較好(Hao) ,對微[Wei]量元(Yuan)素的分析效果好，缺點:速度慢，不同元素要[Yao]配制不(Bu)同的[De]溶液。

（2）原子發射光譜分析法優缺點

優點:油樣不需預處理,分析速度快(Kuai);讀數準确，重複性好，分[Fen]析容量[Liang]大。缺點(Dian):價格昂貴，安裝條件較嚴格，實驗[Yan]費用高;與鐵譜技術相比，探測較大粒度磨粒的靈敏度低，不[Bu]能獲得磨屑形[Xing]态方(Fang)面的信息。在判斷磨(Mo)損類型和預報災(Zai)變發生的能(Neng)力方面存[Cun]在不足。

3.鐵譜分析

鐵譜分析[Xi]原理：利用高(Gao)梯度(Du)的強磁(Ci)場将[Jiang]潤滑油中所含的機械磨損碎屑按其磨粒(Li)大小有序[Xu]分離出來，通過對磨屑的形狀、大小、成分、數量及粒度分[Fen]布等進行定性(Xing)與定量的觀察、判斷設備磨損狀況(Kuang)、預報[Bao]零部件的失[Shi]效。優點(Dian)：應用範圍廣，能分離出潤滑油中含有(You)較寬尺[Chi]寸範圍的磨屑[Xie]。可[Ke]對磨屑進行定性(Xing)觀察分(Fen)析和定量(Liang)測[Ce]量，以(Yi)判斷機器的磨(Mo)損程度，還可對磨(Mo)屑(Xie)的組成元素進行分析，以[Yi]判斷磨屑産生的部位。缺點：對潤滑油中非鐵系顆粒的檢測能力低;(2)規範化不夠，分析結果對操(Cao)作人員的經驗有較多的依賴性;(3)對大規(Gui)模設備[Bei]群的診[Zhen]斷工作不很适[Shi]應。

4.顆粒(Li)計數法[Fa]

對油(You)樣中的顆[Ke]粒進行顆粒度[Du]測量,按預選的顆粒範圍進行計數,通[Tong]過與标(Biao)準的對比，獲得油液污染度的評價。随着電(Dian)子技術的發展，自(Zi)動顆粒計數器具有(You):計數速度[Du]快、準确度高、操作簡便等特點(Dian)。顆粒計數器(Qi)按原理可[Ke]分為:遮[Zhe]光型、光散(San)型、電阻型。其中遮光[Guang]型顆粒計數器[Qi]應用Z廣[Guang]泛。

5.磁塞法

将一個永磁或電(Dian)磁的磁塞(Sai)探頭插入潤滑[Hua]系統的管路中(Zhong)，收[Shou]集、探測(Ce)油液[Ye]系統中在用潤滑油所含的磁性顆粒。借助于放大鏡和人(Ren)眼觀察、分析被采[Cai]集的磁性顆粒[Li]的大[Da]小、數量、形[Xing]狀[Zhuang]等特征，簡易判斷設備磨(Mo)損狀态。

5　故障(Zhang)防治措施

通由數(Shu)控高速沖床的故(Gu)?樹分析結果可[Ke]?冷卻潤滑子(Zi)系統在[Zai]子系統重[Zhong]要度排序[Xu]中位列，是重要度Z高(Gao)的子系統，即對(Dui)機床[Chuang]可靠性影響Z大。因此[Ci]，按子系統重要度的(De)高低(Di)，對冷卻潤滑(Hua)子系統提出可靠性保障及(Ji)改進措施。

通過數控高速沖床故障樹分析,給出[Chu]了冷卻潤滑(Hua)子系統故障樹[Shu]底事件的(De)重要度排序。根據排序結果可(Ke)以看出[Chu]，底事件“油冷[Leng]裝置不制冷”、“接頭[Tou]漏油”、“油管漏油”的[De]概率[Lü]重要度的排序靠前。在數控高速沖床曆史故障(Zhang)數據的統計[Ji]中,冷(Leng)卻潤滑子系統(Tong)在故障部位統計中(Zhong)為故障頻率Z高的子系統，該統計結(Jie)果與[Yu]故障樹分析結果相符。

冷卻潤(Run)滑(Hua)子系統在故障模式統計中[Zhong]主要的故障模式為“液(Ye)、氣、油滲漏”和“油冷[Leng]裝置[Zhi]無制冷”。在危害[Hai]性矩陣中屬于危害性程度較(Jiao)高的故障模式。所以(Yi)為故障模(Mo)式“油冷裝置不[Bu]制冷”、“接頭(Tou)漏油”及“油管漏油”提出如下可靠性保障及改進措施(Shi)建(Jian)議:

表2可靠性保障及改進措施

6總(Zong)結

本文[Wen]針對數控高速沖床[Chuang]的結構進行(Hang)了簡單介紹(Shao)，之後對高速沖床[Chuang]的子系統進行分(Fen)類介紹，然後進行[Hang]了冷卻潤(Run)滑子系統的[De]故障分析與[Yu]研[Yan]究。介紹了常見的油液分(Fen)析技術[Shu]在高速沖床(Chuang)冷卻潤滑子系統故障診斷中的應用。總[Zong]結了一般油[You]液分析(Xi)的方法步驟及優缺點，并且針對(Dui)危害較大[Da]的兩種故障(Zhang)提出[Chu]了針對性防治(Zhi)措施。但要切實提高數控[Kong]高(Gao)速(Su)沖床的可靠性[Xing]水平還存在一些不足需要進一步完善,存在一些難題需要(Yao)進一步探索。

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