可靠性分析技术

张根保 杨兴勇

（重庆大学机械工程学院， 重庆 400044）

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[1-2]。

1.1 FMECA用途

FMECA 的用途主要有以下几点[3]：

（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[4]。FMECA方法在产品寿命周期各阶段的应用如表1 所示。

图1 FMECA方法分类

表1 产品寿命周期各阶段选用的FMECA 方法

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[3]。

图2 设计FMECA分析流程

图3 过程FMECA分析流程图

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。

图4 FMECA分析报告

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[2]。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[5]，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”[6]。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[3]。

表2 故障树常用事件及其符号

表3 故障树常用逻辑门及其符号

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[7]。

图5 FTA分析流程

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[3]。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。

图6 故障树的建树流程

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。

图7 拉爪断裂故障树分析图

（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。

3 热分析

热分析，又称热模拟分析，是利用数学手段并辅以试验方法，在产品的设计阶段获得运行时温度分布的方法，它可以使设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷（由热不均衡引起的应力和变形），从而改进设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障[8]。热分析在电子设备、发动机、钢架结构、数控机床等行业得到广泛应用，也是一种重要的可靠性分析技术。

3.1 热分析步骤

热分析必须考虑热交换的3 种途径：热传导、热对流和热辐射。热分析需要建立产品温度场和流场的数学模型，并对其进行求解。这种求解过程非常复杂，一般需要借助软件和试验仪器（热成像仪）来完成[3]。目前常用的热成像仪有FlukeTi20 热成像仪、FlukeTi30 热成像仪、FlukeTi40 热成像仪、FlukeTi50热成像仪、IRInSightXS/XST 便携式红外热像仪，图8即为FlukeTi50 热成像仪（左）和IRInSightXS/XST便携式红外热像仪（右）图片。

图8 热成像仪

应用软件进行热应力分析的基本步骤为：（1）建立热分析模型，确定边界条件；（2）划分网格，进行计算，迭代直到收敛为止；（3）后处理，以报表、图形或动画的形式观察温度场。

3.2 热分析实施要点

3.2.1 建模

分析模型的建立是热分析的基础，如果过于简单，会忽略大量细节，达不到分析的目的，如果过于复杂，又占用大量计算机资源，花费大量计算时间并可能达不到分析效果。因此需要采用正确的建模策略，即由重要到次要，由简单到复杂，必要时忽略对结果影响不大的次要因素。

首先从最重要的入手，即先确定整体布局，然后加入其它较重要影响因素；对重点部位进行详细建模，对次要因素进行粗略建模，甚至可以忽略。

3.2.2 输入参数的确定

输入参数主要包括材料的热传导率、元器件的热功耗及初始条件等。热传导率可以通过查工程热设计手册、实验或反复修正来得到，初始条件通过测量获得，热功率可以通过查产品手册得到。

3.2.3 网格划分技术

通常情况下，网格划分越多，计算精度越高。但是网格过多会导致计算时间过长，而精度却提高不明显。因此要选用合适的网格划分方法，在重要部位进行局部加密，在不规则形状处采用非结构化网格。

目前，ANSYS 是较为常用的热分析软件，基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度并导出其他热物理参数。ANSYS 热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射相变、热应力、线性和非线性分析及和热有关的耦合场分析等[9]。 图9 即 为 用ANSYS 进行某零件的热分析，得到该零件温度分布图。

图9 零件温度分布图

工程人员进行热分析工作时，应选用成熟商业软件工具，尽量减小由于建模不合理、输入参数不准确、边界条件设置不符合实际等造成的分析误差。

4 应力均衡分析

机械制造工艺中如铸造、锻造、切削、焊接、热处理、表面处理等都会使工件表面和内部产生不同程度的残余应力，有些工艺还会使工件产生应力集中，造成工件内部应力分布不均而处于不稳定状态。

4.1 残余应力分析

构件在制造过程中，会受到来自各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件表面或内部，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。残余应力是一种与工作载荷无关、存在于构件内部的应力。几乎在构件的每一步制造加工过程中都会产生残余应力，尤其是在热处理和铸造件中，存在残余应力均较大。构件内部残余应力与所受载荷的工作应力以及工作温度等相互作用，使其抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂以及抗疲劳变形能力都会有所下降，严重影响构件的刚度、强度、稳定性以及疲劳寿命。因此，残余应力是影响构件性能的一个重要因素[10]。

目前测量残余应力的方法按其对结构是否破坏来讲，有全破坏法、半破坏法和无损法，按其测试原理来讲，可分为机械测定法和物理测定法。机械释放测量方法主要包括截条法、逐层剥层法、Gunnert 切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法、内孔直接贴片法、以及释放管孔周应变测量法等。物理测量方法主要有X 射线衍射法、磁性法、超声波法以及固有应变法等[11]，各种方法具体原理在此不详细论述。

目前市面上有多种残余应力检测仪，为残余应力的检测、分析、消除提供了便利，图10 为几种常用残余应力检测仪。

图10 残余应力检测仪

ANSYS 是较为常用的应力分析软件，可以仿真出构件残余应力分布，进而可以对残余应力进一步分析，而且可以施加外作用，分析其对残余应力的影响，对于残余应力的减小和消除奠定了基础。图11 为用ANSYS 对某零件进行残余应力分析得到的残余应力分布图。

图11 零件残余应力分布图

降低或消除残余应力的过程称为时效处理，传统的方式主要有热时效和自然时效。在消除残余应力方面，还有其他技术和方法，如：振动消除应力技术、外加拉伸载荷法、超声冲击法、电击法、电脉冲法、爆炸法、后热处理、频谱谐波时效技术等[12-13]，在此不一一详述。

4.2 应力集中分析

在零件的截面几何形状突然变化、螺栓过度拧紧、轴承过度预紧、结构受力变形等处，局部应力远远大于名义应力，这种现象称为应力集中。应力集中产生局部应力的作用可以用理论应力集中系数来表征： 。其中 表示应力系数， 表示应力集中处的最大局部应力， 为应力集中截面的名义应力[14]。目前，应力集中系数值主要通过以下几种方法获得：

（1）根据数学分析，采用弹性力学原理计算应力分布及应力集中系数。

（2）采用试验技术，典型的试验方法有脆性涂漆、应变片、光弹性和光应力法。

（3）采用有限元法进行分析，它需要无限小的单元，对于几何形状相差不大的构件更为适合。图12为用ANSYS 对某零件进行应力集中分析所得到的该零件应力分布图。

图12 应力分布图

此外，应力集中的检测可用专用的应力集中检测仪，图13 即为两种常用应力集中检测仪（厂商为俄罗斯动力诊断公司和北京奥德盛世科技有限公司）。

图13 应力集中检测仪

在构件设计时，避免几何形状的突然变化，尽可能做到光滑、逐渐过渡，开孔、开槽处边缘进行加强，另外，有裂纹的地方在裂纹尖端打孔；孔腔内采用喷丸处理等，均可减小应力集中。

5 匹配性分析

数控机床产品是一种高度集成、各种因素耦合较多的复杂机电产品。数控机床由驱动系统、传动系统、执行结构、控制系统、辅助系统等组成，之所以能高效率、高质量地完成任务，主要是因为其各组成部分具有良好的匹配性，相互配合、相互协调，可以在要求时间内完成规定的工作任务。

由于构成数控机床的子系统相互作用，系统性能受到“木桶效应”的影响，即最为薄弱的子系统对整个系统的技术性能有重要影响。这导致局部子系统的性能会影响到其他子系统乃至整个系统，从而产生“牵一发而动全身”的影响，这客观上要求其他子系统与之相适应、相匹配。

但是现在存在这样一个问题：即使采用同样的零部件，国产机床和进口机床的性能和可靠性也存在很大差距，这在很大程度上是匹配性存在问题，因此对数控机床进行匹配性分析不仅重要，而且非常必要。

本文从机电液控等几个方面针对机械系统与机械系统、机械系统与电气系统、机械系统与液压系统以及机械系统与控制系统4 个方面的匹配性进行分析。

5.1 “机——机”匹配性

机械系统与机械系统的匹配性可以通过结合面、运动性能、精度和动态特性4 个方面的匹配来控制。

5.1.1 结合面匹配

由于数控机床中存在大量的结合面，破坏了整机的连续性，并且整机的动态性能又受到结合面与构件性能的共同影响，因此结合面的有效匹配对整机性能的提高至关重要。结合面匹配性主要分析部件之间的技术参数和应用特性是否匹配。根据产品所需要实现的功能和应用特性，经建模、分析、计算之后，选择合适的尺寸、公差等技术参数。

以螺钉连接结合面为例[15]，先建立结合面接触分析模型，分析得到结合面接触压强分布，通过改变结合面的设计参数，来实现螺钉有效影响半径、有效连接区域的最大化，进而可以得到被连接件厚度与螺钉直径的匹配关系，以及相邻螺钉的最大间距。

5.1.2 运动性能匹配

机械产品各零部件之间的有效匹配不仅仅要考虑匹配零部件的结构和尺寸，还需要考虑其运动性能是否匹配。如汽车的行驶性能（动力性能、制动性能、燃料经济性、行驶平顺性、通过性和操纵稳定性）不仅与轮胎的结构和尺寸有关，还与轮胎和路面之间的附着性能、侧偏特性、垂直特性以及滚动阻力等运动性能密切相关。数控机床产品亦是如此，如果运动零部件之间的运动性能无法有效匹配，整机的功能也无法发挥出来。因此首先要分析相互运动零部件的运动性能是什么，进而分析影响运动性能匹配的因素有哪些，在设计、制造、装配以及维护保养等各环节控制影响运动性能匹配的主要因素，达到提高运动性能匹配性的目的。

5.1.3 精度匹配

数控机床的主要性能指标就是其精度、精度寿命和可靠性。其精度指标包括工作精度、动静态下的运动精度、几何精度以及运动轴的控制精度等。

精度匹配，即依据系统总精度要求来确定各分系统乃至各组成单元的误差大小，在便于工程设计的同时，使系统效能达到最大[16]。要实现精度匹配，需要在对整机进行精度分析的基础上，根据机床中各部分、各环节对整机精度影响程度的不同，根据现实可能，分别对各部分、各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配。例如，机床运动连中某些环节精度要求高，就应当设法使这些环节保持足够的精度，对于其他环节，则应根据不同的要求分配不同的精度。另外，还要注意机床各部分之间相互牵连、相互要求上的衔接问题，对各部分之间的耦合关系进行分析，从而达到整机精度最优化。

5.1.4 动态特性匹配

数控机床作为一个复杂的多自由度振动系统，是由多个具有固有振动特性的子系统组成的。对机床的振动特性进行分析时，可以将其看作是一个多振源的弹性系统，承受着电机、液压油缸、传动轴等产生的激励。

要使数控机床内部动态特性匹配，首先需要建立准确的有限元模型；然后对机床各部件进行模态分析，得出各部件低阶的固有频率和振型，分析各部件动态特性分布；然后利用建立的机床模型，用有限元法进对机床运行过程进行仿真，获得运行中各部件的一系列响应结果，得到对振动贡献最大的固有频率值；最后利用模态分析的结果，对机床进行动态特性的匹配分析，确定各部件固有频率适当范围以及有改进空间的部件，利用结构优化软件对部件进行优化，最终达到系统固有频率和动态激励特性合理匹配的目的[17]。

5.2 “机——电”匹配性

高伺服精度和优异的瞬态响应特性已经成为当今高速高精度数控机床设计的追求目标。进行机械系统和电气系统的匹配性研究时，不能只重视转矩的匹配，应该更加重视惯量的匹配，做到转矩虽有所过剩，但惯量匹配达到最佳状态。这对于提高加工效率、零件加工几何精度和表面粗糙度都是十分有利的。

当选定进给系统的伺服电机后，转矩也随之成为定值。电动机本身的转动惯量与折合到电动机轴的负载惯量之和越小，越有利于调速，瞬态响应越好，伺服电动机加减速所需要的能量就越少。一般高速高精度机床，负载惯量不能超过电动机本身惯量的3 倍，而且二者比值越小越好，这是数控机床系统设计这需要解决的首要问题[17]。

实际设计过程中，有多种方法可以减小折合到电动机轴的负载惯量。如有限元分析、通过优化移动零部件的设计减小其重量、合理选择伺服电机和滚珠丝杠螺距、降低丝杠转速等。

5.3 “机——液”匹配性

液压系统是数控机床中必不可少的组成部分，是数控机床零部件的运动和功能部件的功能实现的动力装置。作为重要动力装置，其各油路的压力和流量必须与机械系统相关功能部件的运动和动作相匹配，否则就会造成零部件运动不到位或者因压力、流量过大而导致机床性能下降甚至机床本身的损坏。

做好数控机床机械系统和液压系统的匹配，要对液压装置进行合理选择。例如：根据场地条件和工作要求，进行液压泵装置（分为立式和卧式两种）、液压站结构形式（分为分散式和集中式）等的选择。又如：液压系统动力源形式有很多，如定量泵——比例溢流阀方式、定量泵——蓄能器——卸荷溢流阀方式、恒压变量泵——安全阀方式。对于机床系统而言，执行机构快进时需要较大流量和较低的压力，而工进时需要较小流量和较高的压力，恒压式变量泵正好和这种工况适应，因此比较适合选用恒压变量泵——安全阀方式。

在确定液压装置的类型后，通过计算液压系统各支路所需的压力和流量，根据所得的结果，可以得出每个执行元件的型号参数以及其所在油路的最大压力和最大流量参数，进而根据排量、额定工作压力、最大工作压力等参数选择机床系统和液压系统的液压泵，最后根据液压站电机的经验公式进行电机的选择。

一般情况下，所选液压元件的额定压力和流量尽可能与其计算所需值相近，必要时，通过元件的最大流量可大于它的额定流量，一般不超过20%，以免压力损失过大，引起油液发热，噪声和其他性能恶化[18]。

5.4 “机——控”匹配性

数控系统和机械系统之间也有个匹配问题，这就是为什么在安装数控系统后，需要测量机械部分的特性，再调整数控系统参数与机械系统进行匹配的原因。

为了使数控系统与数控机床相匹配，首先要针对数控机床本身，进行数控系统的合理选择，主要考虑数控装置、可编程逻辑控制器、驱动装置和检测元件（闭环控制）几个方面。

数控装置的选择主要考虑数控系统的类型（用于何种数控机床或加工中心；用经济型、普通型还是全功能型；用开环、半闭环、闭环）、功能（机床所需要的功能要求，如几轴联动）、可维修性（系统的体系结构、机械结构和自诊断能力）、配套性（设计、安装、配套供应、维修服务）、以及价格。

可编程逻辑控制器主要对其功能指标的选择，如：输入/输出点数、计数器和定时器的个数、总步数以及每执行一步所需要的时间等。

对于闭环系统，驱动装置主要是伺服驱动和伺服电机的选择，主要根据负载、速度、精度等确定运行频率、转动惯量等性能指标，进行伺服电机的选择。

检测元件的选择，首先要考虑数控装置的类型、接口，对于全闭环数控系统，一般可选择光栅尺或同步感应器。

数控系统选择好了不一定能够在数控机床上正常运行，这就需要数控系统供应商专业人员进行安装调试或由购买方专业人员严格按照说明书进行安装，进而进行调试。调试步骤一般为：准备调试电缆、语言设定、输入机床初始化文件、机床参数设定、可编程逻辑控制器调试、驱动调试、NC 参数设定以及数据备份等。

在选择合适的数控系统并准确安装调试后，机械系统与数控系统的匹配性将得以保证。

6 结语

本文介绍了五种常用可靠性分析技术，合理利用这些技术可以有效提高数控机床的可靠性水品。这5种可靠性分析技术具有通用性，不仅可以用于机床行业，还可以应用于汽车、工程机械等其他行业，具有广泛的应用价值和工程实践意义。

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