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可靠性分析技术 在数控机床的可靠性设计中，分析是一种重要的技术手段，通过可靠性分析了解产品设计方案存在的缺陷，并通过设计改进将潜在的失效原因消灭在设计阶段，达到设计预防的目的。在数控机床设计制造过程中，常用的可靠性分析技术包括：故障模式、影响及危害性分析(FMECA分析)、故障树分析(FTA分析)、热分析、应力均衡分析、整机匹配性分析等内容。 1?故障模式、影响及危害性分析 故障模式、影响及危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)是分析产品中所有可能产生的故障模式及其对产品造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严酷度及其发生概率予以分类的一种自下而上进行归纳的分析技术，它由故障模式及影响分析(FMEA)和危害性分析(CA)两部分组成。 1.1?FMECA用途 FMECA的用途主要有以下几点： (1)找出产品所有可能的故障模式及其影响，并进行定性、定量的分析，进而采取相应的纠正措施，并确认风险低于可接受水平; (2)对确定严酷度为Ⅰ、Ⅱ类故障模式的清单和单点故障模式清单提供定性、定量分析依据; (3)作为维修性(M)、安全性(S)、测试性(T)、保障性(S)设计与分析的输入; (4)为确定可靠性试验、寿命试验的产品项目清单提供依据; (5)为确定关键、重要件清单提供定性、定量信息。 1.2?FMECA分类 产品在寿命周期中的不同阶段，要选择不同的FMECA分析方法，FMECA分类方法如图1所示。FMECA方法在产品寿命周期各阶段的应用如表1所示。 1.3?FMECA分析流程 本文以设计FMECA(Design Failure Mode,Effects and Criticality Analysis.DFMECA)和过程FMECA(Process Failure Mode,Effects and Criticality Analysis.PFMECA)的分析步骤为例，对FMECA分析流程进行简单介绍，详细细节见文献。 设计FMECA分析流程如图2所示。 过程FMECA分析流程如图3所示。 FMECA方法是一种有效的可靠性分析方法，目前已广泛应用到汽车、数控机床、机器人、轨道交通、航天产品、电子产品等行业，并取得丰硕成果。图4为某加工中心数控转台FMECA分析报告局部图。 1.4?FMECA分析中的注意事项 1.4.1?重视FMECA计划工作 实施FMECA之前，要进行全面、系统的计划，实施过程中要实行边设计、边分析、边改进以及“谁设计、谁分析”的原则，确保FMECA分析工作于产品设计、研制工作并行开展，以提高分析工作的有效性。 1.4.2?加强规范化工作 对于同一个产品而言，应统一使用一种FMECA表、统一初始约定层次、相同的严酷度级别与定义、统一的技术指导等，以保证分析结果的正确性、可比性。 1.4.3?深刻理解、掌握分析中的基本概念 严酷度是一种故障模式对初始约定层次产品的最终影响的严重程度;严酷度与危害度是两个不同的概念，前者是故障模式影响严重程度的度量，而后者是故障模式影响的严重程度及其发生概率的综合度量;故障检测方法是产品运行或使用维修时发现故障的方法，而不是研制试验和可靠性试验中暴露故障的方法。 1.4.4?积累经验、注重信息 故障模式时FMECA的基础，为此在研制、生产和使用单位应注意收集、分析、整理产品以及相似产品的故障模式，建立相应的故障数据库，为后续工作提供支持。 1.4.5?注意与其他故障分析方法相结合 FMECA是一种有效的故障分析方法，但非万能。设计FMECA是一种静态、单因素的分析方法，在动态多因素分析方面还不够完善，为了实现产品的全面分析，还需要与其他方法相结合。 2?故障树分析(FTA) 故障树分析(fault tree analysis, FTA)是通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素等进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原因的各种可能组合方式和(或)其发生概率的一种分析技术。从1961年由美国贝尔实验室的华生(H.A. Watson)和汉塞尔(D.F. Haasl)提出以后，经过多年发展，在汽车、柴油机、数控机床、医疗设备、电力变压器、液压系统等的系统故障诊断、安全性分析和风险评估中发挥了重要作用。 故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。其中“事件”用来描述系统和元、部件故障的状态，“逻辑门”把事件联系起来，表示事件之间的逻辑关系。故障树中常用事件及其符号如表2所示;常用逻辑门及其符号如表3所示。 2.1?故障树分析(FTA)流程 作为一种可靠性分析方法，为保证其实施的有效性，需要以一套合理的分析流程为指导。FTA分析流程如图5所示。 选择好顶事件之后最重要的步骤就是故障树的建立，只有故障树正确合理，后面的定性分析和定量分析才有意义，才可以真正发挥故障树分析的作用。 2.2?故障树的建立 2.2.1?建树基本规则 要实现正确建树，需要对建树基本规则进行规范，以保证建立故障树的合理性。建树基本规则如下： (1)明确建树边界条件，简化系统构成; (2)故障事件应严格定义; (3)应从上向下逐级建树; (4)建树时不允许门-门直接相连; (5)把对事件的抽象描述具体化; (6)处理共因事件和互斥事件。 2.2.2?故障树的建树流程 科学合理的建树流程是正确建树的保障，故障树建树流程如图6所示。 为保证FTA工作的及时性，应在设计阶段初期就开始FTA工作，并在各个研制阶段都要迭代进行，以反映产品技术状态和工艺的变化，并邀请经验丰富的设计、使用和维修人员参与建树工作，以保证故障逻辑关系的正确性。为了提高工作效率，故障树的顶事件首先选择FMECA结果中故障后果为Ⅰ、Ⅱ类的系统故障模式，并且产品处于多个环境剖面下工作或者具有多个工作模式时，应该分别进行分析。图7为某加工中心数控转台拉爪断裂FTA图。 2.3?故障树分析中的注意事项 (1)为保证分析工作的及时性，应在设计阶段早期开始FTA工作，并在研制过程的各个阶段迭代进行，以反映产品的工艺变化和技术状态。 (2)贯彻“谁设计、谁分析”的原则，邀请经验丰富的设计、使用和维修人员参与建树工作，以保证工作的正确性。 (3)应该首先开展FMECA工作，从后果为Ⅰ、Ⅱ类的系统故障模式中选择最不希望发生的故障模式作为顶事件，建立故障树。 (4)必须考虑环境、人为因素对产品的影响，当产品处于多个环境剖面下工作时，应分别进行。 (5)在进行故障树分析时，假设底事件之间是相互独立的，并且每个底事件及顶事件只考虑其发生或不发生两种状态。 (6)建树时，门与门之间不能直接相连。 (7)复杂产品故障树应进行模块分解和简化。 (8)必须进行薄弱环节分析及重要度分析，并提出可能的改进措施及改进的先后顺序，最后反馈到设计、加工、使用等环节。 (未完待续） |
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