第1期 2014年1月 组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique No.1 Jan.2014 文章编号:1001-2265(2014)01—0149—04 DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.042 基于FMECA的缸盖机加生产线故障分析水 崔欣哲 ,丛 明 ,王冠雄 ,谢书文 ,潘大庆 (1.大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024;2.长安汽车股份有限公司工艺部,重庆 404120) 摘要:通过对国内某汽车厂商发动机缸盖生产线故障情况的跟踪,建立该生产线故障数据库,对其进行 了部件层级的故障模式及影响危害度分析。首先定义生产线系统模型,划分约定层级并明确故障判 据,从生产功能实现的角度将故障部位分成十个子系统,对比了各子系统、工序设备和故障源部件的故 障频次。其次对生产线设备故障原因分析归纳,最后给出系统故障频发部位的故障模式和危害度分析 结果。找出了发动机缸盖生产线的薄弱环节,提出改善建议和措施,为发动机缸盖生产线可靠性管理 和改进设计提供了依据。 关键词:发动机缸盖生产线;可靠性;故障模式;危害度 中图分类号:TH165 文献标识码:A Failure Analysis of Engine Head Product Line Based on FMECA CUI Xin—zhe ,CONG Ming ,WANG Guan・xiong,XIE Shu—wen ,PAN Da—qing (1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 1 16024,China;2. Chongqing Chang An Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401 120,China) Abstract:Based on the failure data of engine head product line,a method of failure mode effects and criticali・ ty analysis of the failure parts were performed.The target system was divided into established level and the fail— ure criterion was clarified.By the comparison about failure frequency of each process of the production line, he failture locations were divided into ten subsystems.The failure reasons of each failure mode were summa— ized.According to failure mode effect and crfiticality analysis result of high—frequency parts,the weak parts of the production line were pointed out.Improvement suggestions and measures were proposed,which made contibution to trhe reliability management of the engine head product line. Key words:engine head product line;reliability;failure mode;criticality 0 引言 故障模式、影响及危害度分析(FMECA)是当前可 靠性研究的重要方法,被广泛用于可靠性技术研究工 作¨引。该方法最早由美国Grumman公司提出,用于 研制飞机主操纵系统,随后逐渐应用于机械、汽车、医 疗设备等工业领域_4 。近年来,国内学者和企业将此 方法应用于工业产品的可靠性研究中,并取得显著成 果。文献[7-9]分析了数控机床的故障模式,计算了各 的系统模型,划分FMECA的约定层级并明确故障判据。 如图1所示,该发动机缸盖生产线主要由卧式加工中心、 压装机、清洗机、涂油机、泄检机、等设备组成,从生产功能 实现的角度,可以将其归结为十个功能子系统:切削系统、 装夹系统、控制系统、电气系统、液压气动系统、伺服传动 系统、检测系统、物流系统、清滤系统、防护系统。 约定层级包含“初始约定层级”、“约定层级”和 “最低约定层级”,本文中研究对象的初始约定层级为 发动机缸盖生产线,约定层级为各工序设备和生产线 功能子系统,最低约定层级为发生故障的源部件。 子系统层级对整机的危害度。然而,国内现在对生产 线整体系统的FMECA研究还比较少,如何将FMECA 方法应用于由多台设备组成的复杂工业产品生产线的 可靠性技术研究,尚需进一步的探讨。 由产品可靠性和故障的定义可知,故障发生的判 定是一个相对化的概念,本文将该发动机缸盖生产线 系统的故障判据定义为:导致设备停工,并且维修时间 超过0.5小时,则定义为故障发生。本文建立的生产 线故障数据库中,生产线的总运行时间为5040小时。 1 生产线系统模型定义 在对生产线系统实施FMECA前,要先定义分析对象 收稿日期:2013—04—09 基金项目:国家“高档数控机床与基础制造设备”科技重大专项课题(2011ZX04015—021) 作者简介:崔欣哲(1989一),男,辽宁大连人,大连理工大学硕士研究生,主要研究方向为生产线可靠性技术,(E—mail)william.cui223@gmail.corn。 ・150・ 组合机床与自动化Jju-r技术 第1期 嫠黎 约定层级・ 约定层级z 曩 美 一一一一一一一一一 一一一一一匝夏 ;..........一一 一..... 图1生产线系统模型图 一 2 生产线故障部位分析 对各约定层级做出故障发生频次分析对比,得出: (1)由图2可知,在分系统层级中,装夹系统、液 压气动系统和切削系统的故障比重几乎占到生产线故 障次数的一半。装夹系统的故障发生次数最多,其中 包括导管阀座的压装、轴盖拧紧、工件夹紧等环节,主 要的故障模式体现为不能正常压装、压装或拧紧偏差、 物料或工件脱落以及不能夹紧等。液压气动系统的故 障频次为第二位,体现在气缸、泵、阀等部件的损坏。 其次为切削系统,刀柄和刀具是该系统故障发生的主 要部件。 伺服传动 检测系统4% 装夹系统 压气动 统15% 统 l1% 图2生产线功能系统故障频率图 (2)对比各工序设备发生故障的频率,见图3,可 以看出,该发动机缸盖生产线故障频发设备为G140 压装机、G190拧紧机和G50、G60、G70加工中心。实 际生产中,这几个工序由于故障频发而成为影响生产 线生产效率的瓶颈环节。 故障频率 O-25 0_20 0.15 O.10 O.05 0.oo 图3 生产线各工序故障频率图 (3)对最低约定层级故障源部件故障频次的分析结 果表明,气缸、刀柄、传感器、机械手等部件是该生产线 的主要故障源部件,如表1所示。 表1生产线故障部件频次表(top20) 序号 故障部件 故障 序号 故障部件 故障 次数 次数 l 气缸 15 3 传感器 l2 2 刀柄 12 4 机械手 ll 5 管道 10 l3 阀 6 6 齿形带 10 14 磁性开关 5 7 夹具 9 15 编码器 5 8 排屑机 8 16 定位销 5 9 上料机构 8 17 机器人 5 10 压装头 8 l8 夹爪 5 11 刀具 7 19 轴 5 12 泵 6 20 光栅尺 4 3生产线故障原因分析 故障原因的分析为生产线可靠性的改善提供了切 人点,找出故障发生的原因,进而采取针对性的改进措 施,减少或预防故障发生。 表2生产线故障原因频率表 代码 故障原因 频率 代码 故障原因 频率 B1 CNC参数错 0.12 E3 积水 0.04 E4 积屑 0.10 H3 误操作 0.03 A7 元器件损坏 O.08 A1 变形 0.O3 A2 断裂 0.08 C2 断路 O.O3 D2 卡住 0.O8 Dl 问隙不适 O.O2 E1 堵塞 0.07 FI 振动 0.01 D3 松动 O.07 E5 积油污 O.0l D5 脱落 O.06 C1 短路 0.O1 E6 压力流量不适 O.05 E2 积泡沫 0.0l A6 磨损 0.04 A3 老化 0.Ol A4 零部件不匹配 0.04 C3 过载 O.01 从表2可以看出,导致该生产线设备发生故障的 原因主要分为两方面:一方面是导致产品发生功能故 障或潜在故障的物理、化学或生物变化过程等的直接 原因;另一方面是由外部因素(如其他零件故障、使 用、环境和人为因素等)导致发生故障的间接原因。 该发动机生产线故障发生的主要原因为CNC参 数错、积屑(水)、元器件损坏和零部件的结构损坏等。 为了减少或者预防故障发生,需要调整相应的控制参 数,定期清理积屑来防止加工残屑积留,加强对基本元 器件和零部件的质量控制。环境因素也是在故障原因 分析中必须考虑的重要因素,该生产线所在地域气温 较高和空气潮湿,这就间接对生产线的气动装置和空 2014年1月 崔欣哲,等:基于FMECA的缸盖机加生产线故障分析 N .151. 调冷却装置的提出了更高的要求。 A (5) 4故障模式及危害度分析 基于发动机缸盖生产线故障数据库,按照生产线 系统模型中约定层级,结合故障判据的具体要求,参考 GJB/Z 1391—2006 ,对发动机缸盖生产线进行故障 模式、影响及危害度分析。 其中,n为部件i出现故障模式的种类数; 伪部 件i以故障模式 而引起的该零件发生故障的故障模 式频数比; 为部件i第 种故障模式出现的次数 为部件 全部故障模式发生的总次数; 部件i以故 障模式 发生故障造成该部件损伤的概率(国际草案 将此称为丧失功能的条件概率,其值如下: =1表示 该件肯定发生损伤, =0.5表示该件可能发生损伤, 卢 =0.1表示该件很少发生损伤, =0表示该件无影 响);A 为部件i的基本故障率,是通过现场故障数据 计算的平均故障率;Ni为部件i在规定时间内的故障 总次数,∑t为其累积的总工作时间。 本文给出故障频发工序设备G140中部分故障部 件的故障模式、影响及危害度分析结果,见表3。 部件i以故障模式 发生故障致使该零部件发生 故障的危害性CR 其计算公式为: CRo= A (1) 部件i对系统的危害度为: 衄r 呱 (2) 将(1)式代入(2)式得: CRr善 A %/ni (3) (4) 表3生产线故障多发部位FMECA表 故障源 部件 故障现象 故障模式 故障影响 酷 度 故障原因 ^ 傩 (10 /h) (10 /h) 弹簧圈偏小 螺钉磨损 O.17 O.5 0.33 l l1.9 9.92 压头不能卡住座圈 压 间隙不适 结构损坏 无法压装 压装偏差 4 4 压头处螺钉损坏 装 头 压头损坏 导管压装不一致 上料不稳掉落 压头掉落 顶料处将阀座夹掉 结构损坏 输出不稳定 脱落 脱落 错误动作 动作不到位 卡住 无法压装 返工 压装遗漏 压装遗漏 分料不稳定 物料中断 物料中断 5 6 4 4 4 3 4 压头损坏 压头不匹配 卡簧磨损 0.33 l 0.17 0.5 弹簧圈磨损 气缸位置不对 气缸速度不适 气缸损坏 0.17 0.5 气 阀座不能横移 送料旋转气缸卡住 0.17 0.1 017 1 .11.9 6.15 缸 气缸故障 分料旋转气缸故障 分料故障 工件重叠 无输出 无输出 无输出 位置不当 气缸动力不足 气缸动力不足 气缸不工作 工件运送停滞 2 2 2 2 内有积水 内有积水 挡板位置错误 工件未被传递 0.14 O.5 O.5O 0.5 机 器 人 抓 手 生产速度过慢 抓手松开无反应 抓手动作不到位 上料位置偏差 无法松开工件 报警抓手未抓牢 分料不顺畅 送料不顺 错误动作 无动作 动作不到位 动作不顺 卡住 松动 动作不顺 动作不顺 动作不顺 生产效率降低 工件脱落 无法取料 压装偏差 工件意外脱落 工件脱落 分料不平稳 物料中断 卡料 2 7 3 5 7 7 2 4 3 动作顺序不当 销孔处有异物 销孔处有垫圈挡住 上料位置调整不当 定位销卡住 抓手松动 杂质堵塞 接口位置不当 接头位置错误 0.14 0.1 O.14 0.5 0.14 O.5 014 .l3.9 5.36 O,5 0.1 014 .0.14 0.5 0.5O 0.1 l1.9 3.57 管 道 卡料 输料管道卡料 送料道堵料 卡住 卡住 卡料 物料中断 3 4 多余气孔未密封 料道堵塞 033 O.5 .分料无料 上料不顺 上 无动作 动作不顺 无法压装导管 物料卡滞 4 2 导管卡在管道内 导向槽位置不当 0.17 0.5 0.40 0.1 0.5 9.9 3.37 料 机 上料不顺 顶料处将阀座夹掉 阀座料斗卡料 动作不顺 错误动作 卡住 物料卡滞 分料不平稳 物料卡滞 2 4 2 油污阻塞 顶料头形状不匹配 吹气气流较小 0.20 构 0.40 O.5 转移滑台故障 卡住 转移滑台停运 3 工件孔内螺栓卡住 ・152・ 组合机床与自动化/jn-r技术 第1期 通过对故障现象的描述,归纳故障模式,分析故障 模式的影响并进行严酷度评级,然后分析该故障模式的 故障原因,最后计算部件危害度。通过上面的FMECA 分析表可以看出,在工序G140压装机设备的各个故障 部件中,压装头、气缸和机器人手爪对设备系统的危害 度相对较大,分别达到了9.92、6.15和5.36(10 /h)。 其中机器人手爪的故障发生频率最高而且故障影响的 严酷度也较大,主要故障模式表现为动作不到位、错误 动作、错误位置、动作不顺等,主要的故障原因分别为卡 住、位置调整不当、程序不合理。从设备整体角度来看, 故障所产生的影响主要为物料中断和卡滞,无法压装或 压装偏差,工件脱落等。针对以上的故障源部件发生的 故障模式可以采取如下改进措施: (1)对压装头进行结构优化设计,尤其是压装头和压 装工件接触部分。调整弹簧圈尺寸并增强其耐磨度。 (2)调整机器人运行程序,设定合理的动作执行 顺序,减少由非必要动作导致的精度偏差。手爪部位 需要定期检查维护。 (3)对物料管道要经常进行清理,防止异物或零 件堵塞积压在管路中。 (4)气动三联件故障频发,主要由于积水和密封 不当导致,须降低气动系统中的压缩空气含水量,注意 过滤干燥和密封位置。 参数错、积屑(水)、元器件损坏、零件结构损坏引起的 卡死和松动脱落等。因此调整数控系统程序设置、及 时清理积屑(水)、加强元器件和基础零件的质量管理 是提升系统可靠性的关键。 (3)通过FMECA分析,给出生产线故障频发部件 的故障模式和影响评级,计算了部件对系统危害度,找 到发动机缸盖生产线薄弱环节,提出相应的改善建议, 为完善企业生产系统可靠性管理提供了依据。 [参考文献] [1]Relex Software Co,Intellect.可靠性实用指南[M].北京: 北京航天航空大学出版社,2005. 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[7]于捷,贾亚洲.数控车床故障模式影响与致命性分析 [J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(12):1725—1727. 5 结论 本文分析了发动机缸盖生产线故障部位和原因, 给出故障频发设备的FMECA结果,得到结论如下: (1)该生产线的故障多发工序为压装工序、拧紧 工序和切削工序,高频故障部件主要集中在装夹系统、 液压气动系统和切削系统。装夹系统的机械手和压装 头故障频发,液压气动系统中气缸和高压泵皮带故障 问题比较突出,而切削系统中主要故障部件为刀具和 刀柄,控制系统和电气系统中的光栅尺(线)和编码器 (线)也是故障频率较突出部位。 (2)导致该生产线发生的故障的主要原因有CNC (上接第148页)规律、特点,并提出两种不同加工方 法的关键要点。案例分析和试验结果表明三角函数坐 标旋转法加工斜椭圆类零件能获得更高的精度,但是 三角函数坐标法中③式“+、一”的取舍,参数方程法 中极角 、轮廓角 的确定是加工过程中的关键。本 文研究方法可靠实用,案例分析适用其他类似倾斜类 非圆二次曲线零件的加工,可以作为生产实用。 [参考文献] [1]唐晓初,张燕,牛家龙.基于AutoCAD的圆柱面上非规则曲 线i维建模7f ̄[J].工程图学学报,2o04(4):90—93. [2]张思弟,杨清林.数控编程技术与特殊性研究[J].机床与 液压,2003(4):129—134. [8]王桂萍,贾亚洲等.基于故障比重比的加工中心整机故 障分析及可靠性改进措施[J].吉林大学学报(工学版), 2008,38(Sup):119—122. [9]杨志伟,任工昌,孟勃敏,等.加工中心故障模式的可靠性分 析[J].组合机床与自动化加工技术,2011,lO(3):10—16. [10]中国人民解放军总装备部.GJB/Z 1391—2006.故障模 式、影响及危害度指南[S].北京:总装备部军标出版发 行部,2006. (编辑李秀敏) Least Square Fitting of Ellipses l J].IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1999,21(5):476 —480. 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