基于浴盆曲线的机械加工设备维护策略
时间：2023-02-19 19:25:07 来源：千叶帆 本文已影响人
陈 瑞，杨嘉玺，林杨杰，许再光，苏立民
（一汽-大众动力总成事业部成都发动机厂，四川成都 610100）
随着社会生产力的发展，机械加工设备的自动化率在逐步提高，批量生产过程中对设备的依赖程度与日俱增，这使得“更低的故障率”成为生产设备维护部门持续不断的追求目标。实践证明，大多数设备的故障率是时间的函数，典型的故障曲线为浴盆曲线（Bathtub Curve，失效率曲线），它是以使用时间为横坐标、以失效率为纵坐标的一条曲线，曲线呈两头高、中间低的形状，所以被称为“浴盆曲线”（图1）。曲线具有明显的阶段性，失效率随使用时间变化分为早期故障期、偶然故障期和耗损失效期3 个阶段。即设备刚投产调试初期阶段（早期故障期）故障率高，经过不断地调试磨合逐步进行平稳期（偶然故障期）故障率降低且保持一段时间，经过长期使用后设备磨损加剧（耗损失效期）导致设备故障频次增高[1]。
图1 设备故障率“浴盆曲线”
（1）早期故障期。由于设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的投产初期生产设备故障率高，因设备长途运输振动、部件应力释放等原因造成连接部件松动，故障占比较高的是程序逻辑漏洞、连接部件松动问题。通过对某国内设备厂家生产线进行专项紧固，发现信号松动故障占5%，连接件松动故障占1.3%，未达到拧紧力矩故障占15%。
（2）设备偶然故障期。设备进入平稳运行阶段失效率较低且较稳定，往往可近似看作常数，偶然失效原因主要是设备维护不当、使用不当、工作条件（负荷、温度、环境等）劣化等，或者由于材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计、制造存在问题所致[2]。此阶段重点关注日常周期性故障，通过点检、巡检和检修对周期性出现故障进行管控，重点总结调整或备件更换的周期性规律。故障管控的思路为：改造优化本质消除隐患→周期性措施预防故障→技能提升减少停机时间。消耗备件的数量结合装置量和消耗频次确定，低储设置不应低于单次采购周期内的消耗量。
（3）设备耗损失效期。这一阶段失效率随时间的延长而急速上升，主要是由磨损、疲劳、老化和耗损等原因造成。重点关注磨损老化部件的处理措施，进行必要的大修改造，除周期性措施外，对驱动、传动部件进行系统检查评估，涉及到接触夹具、橡胶件、轴承等需进行功能验证。
“浴盆曲线”反映的是设备运行的客观统计规律，设备维护管控思路为：①针对恢复现状型故障，首要任务是分析查找真因，最优处理策略是设法彻底消除隐患，居中策略是通过日常点巡检提前发现迹象并控制，最低策略是提高人员应对能力和备品储备，做到故障时快速修复；
②针对防范潜在型故障，应从设备原始资料、维修经验、类似故障等方面对设备进行正向梳理，识别到风险点，针对性组织开展点巡检工作。
维修人员在面对一些棘手或无头绪的设备故障时，可以借助一些方式方法提高效率，如组织头脑风暴，邀请设备操作者、其他技术人员参与进行思路拓展等。在此过程中应遵循以下原则：
（1）理解设备的加工工艺动作顺序，考虑程序运行偶然中断因素、来料因素、测量因素、环境因素等外部变化点。对于绝大多数电气类故障可以结合加工过程中的动作顺序中断/报警点锁定故障原因，尤其是对于NC 加工程序可以结合程序中断点进行条件分析，设定排查方向和工作计划。碰撞类故障因其损失大且恢复时间长，生产中应当极力避免，一旦发生时则须保留第一现场便于分析，程序中断点、刀具状态、人员上一步操作等应当纳入分析范围。
（2）查看相关图纸、程序并理解。在电气故障的处理过程中，会正确地查找图纸和程序点位可以辅助问题的排查，尤其在遇到一些线路虚接导致的偶发性故障时，利用程序监控特定点位的信号状态，捕捉到信号闪断后，查找图纸对应的硬件接线点予以纠正排查。
（3）对故障相关部件的使用规律、动作顺序和工作原理完全清晰。维修过程中经常会遇到总成部件的异常状态处理，此过程中必须掌握该部件的使用规律。例如，对不同类型的三位五通电磁阀会有不同的使用场景，对应的动作顺序也会有差异。
（4）利用鱼刺图、树状图等展示工具进行原因分析、措施制定并验证实施。不同类型展示工具的核心都是通过分析锁定问题点或可能的风险点，制定的措施一般按照先易后难执行。
（1）按照不同的查询方式或全部类似件排查的方式确认库房是否有备件，尤其注意区分产品系列号和订货号，气缸、管路等与长度尺寸信息相关的备件可能存在多组信息，应当予以全部确认。为应对大规模生产的需求，很多公司同一系列内的定制尺寸产品以方便客户选用，掌握各公司备件命名方式有助于提高工作效率，在库房检修信息录入时也应注意涵盖所有特征信息。例如，费斯托（FESTO）公司提供的“DNC-32-…-PPV-A 标准气缸类备件”，即表示该气缸活塞直径为32 mm、气动缓冲、双端可调的一个系列气缸，这系列行程80 mm 的气缸可以通过“DNC-32-80-PPV-A”或“163308”进行订货或查询。
（2）研究能否进行备件替代。对变更点应进行留痕或信息传递，替换时应以实现功能为基础，结合部件特性进行评估。易燃易爆介质替换时应注意防爆等级，机械和电气方面也各有侧重。
机械方面主要考虑管路、机械仪表、泵、阀、过滤器、气缸、油缸、轴承等部件替换。例如，管路替代主要考虑长度、连接方式、耐压等级、传输介质特性等，图2 中的3 种液压油管两端接头方式、耐压等级一致，在安装长度足够的情况下可以互相替代；
机械仪表替代主要考虑量程、作用介质、抗震性等，而轴承替代主要考虑安装尺寸、精度等级、转速、负载、防护方式等因素，在缺件的情况下图3 中的3 种轴承可互相替代。
图2 不同长度的液压油管
图3 不同生产厂家和防护方式的轴承
电气方面主要考虑电源、线缆、信号、电器仪表等。例如，电源替代主要考虑输入输出方式、功率、安装方式、监控反馈方式等（图4）；
线缆替代主要考虑长度、接口方式、防护等级、干扰屏蔽等，图5 中的3 种线缆仅在长度尺寸上存在差异，在使用过程中可以结合实际安装长度进行替换；
信号替代主要考虑接口方式、感应距离、防护等级等，磨床、清洗机等湿式加工环境选型建议在IP67 及以上；
电器仪表主要考虑接口方式、作用介质监控反馈方式等。
图4 性能相似的电源备件
图5 不同长度尺寸的线缆备件
（3）研究能否进行返修或备件拼凑，即从类似备件或待返修件、报废件中组合拼凑一个可用的备件。气缸、油缸类备件进行返修拼凑时，可以选择相同活塞直径的进行返修。图6 中的同系列气缸在必要情况下可返修组装。
图6 不同长度尺寸的气缸备件
（4）研究能否临时屏蔽，并对存在的安全、质量风险进行评估和升级。对于变更管理，难点在于技术的安全可靠性和管理的信息传递，对于复杂设备或功能的屏蔽，应当对可能发生的各类特殊情况进行FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式及后果分析），涉及人员参与协作配合的部分需要进行人员动作分解分析，管理方面的信息传递需要在涉及到此设备使用、维护的人员中进行，确保所有人都对此变更点有充分认知。
（5）对于机械加工件，可利用图纸进行应急性的机械加工，无图纸备件可以开展反向测绘制作图纸。
对于设备故障的管控，应考虑制定后续预防措施，遵循PDCA（Plan-Do-Check-Act，计划、执行、检查和处理）原则。
3.1 对于已经找到本质原因的故障
（1）能彻底消除的，通过预防性维修、替代、改进等方式进行彻底消除。如果控制措施还未实施，应该利用清单跟进后续措施项，按照“5W2H”原则确定负责人和时间节点。实施后进行效果验证，无问题后应将该措施更新到预防性维修的标准作业文件，形成标准化和经验积累。
（2）不能彻底消除的，应该通过员工培训、预防性维修等措施，降低问题发生概率和提高维修速度，并评估对生产的影响程度，通过改造措施以彻底解决。
（3）应该举一反三，消除类似故障隐患。
（4）涉及备件消耗的，应跟踪并确保库存足够。
3.2 暂时没有找到原因的故障
（1）指定问题跟踪负责人，组织对故障进行系统分析和措施制定和实施验证，建立持续跟进机制。
（2）应该举一反三，找出类似故障隐患，待找到解决方法后一并解决。
（3）涉及备件消耗的，应跟踪并确保库存足够。
（1）“浴盆曲线”作为设备全生命周期管理的客观规律，在设备寿命的不同时期，结合故障特点可以进行有效管控介入，可以提高设备开动率，缩短设备早期故障期并延长平稳期。
（2）设备维护过程中会遇到疑难问题、备件短缺等问题，遵循一定的原则和方法能提高故障解决效率。
（3）设备出现故障后，应急解决只是第一步，需要通过科学的方法制定后续预防措施，按照PDCA 原则进行管控可以避免重复故障的发生概率，提高设备使用效率。
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