基于FMECA的缸盖机加生产线故障分析*

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)



基于FMECA的缸盖机加生产线故障分析*

崔欣哲1，丛 明1，王冠雄1，谢书文2，潘大庆2

(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)

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。

发动机缸盖生产线；可靠性；故障模式；危害度

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[1-3]。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[4-6]。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。

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。

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。

图1 生产线系统模型图

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。

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。

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)

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入点，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

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调冷却装置的提出了更高的要求。

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[10]，对发动机缸盖生产线进行故障模式、影响及危害度分析。

部件i以故障模式j发生故障致使该零部件发生故障的危害性CRij，其计算公式为：

CRij=αijβijλi

(1)

部件i对系统的危害度为：

(2)

将(1)式代入(2)式得：

(3)

αij=nj/ni

(4)

(5)

其中，n为部件i出现故障模式的种类数；αij为部件i以故障模式j而引起的该零件发生故障的故障模式频数比；nj为部件i第j种故障模式出现的次数，ni为部件i全部故障模式发生的总次数；βij为部件i以故障模式j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：βij=1表示该件肯定发生损伤，βij=0.5表示该件可能发生损伤，βij=0.1 表示该件很少发生损伤，βij=0表示该件无影响);λi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。

表3 生产线故障多发部位FMECA表

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(10-4/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。

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。

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(编辑 李秀敏)

Failure Analysis of Engine Head Product Line Based on FMECA

CUI Xin-zhe1, CONG Ming1, WANG Guan-xiong, XIE Shu-wen2,PAN Da-qing2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China;2.Chongqing Chang An Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China)

Based on the failure data of engine head product line, a method of failure mode effects and criticality analysis of the failure parts were performed. The target system was divided into established level and the failure criterion was clarified. By the comparison about failure frequency of each process of the production line, the failure locations were divided into ten subsystems. The failure reasons of each failure mode were summarized. According to failure mode effect and criticality analysis result of high-frequency parts, the weak parts of the production line were pointed out. Improvement suggestions and measures were proposed, which made contribution to the reliability management of the engine head product line.

engine head product line; reliability; failure mode; criticality

1001-2265(2014)01-0149-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.042

2013-04-09

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)

崔欣哲(1989—)，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.com。

TH165

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