开式压力机可靠性分析与提高.docx
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开式压力机可靠性分析与提高
1引言
锻压工业在制造业中占领着重要的地位。
它广泛应用于汽车、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品等生产部门。
由于电子技术、信息技术、计算机技术的高速发展，也带动了锻压工业向着数控方向发展。
它必将成为数控装备的一个重要的组成部分。
2压力机特点
锻压生产已有悠久的历史，但采用锻压机械生产却只有百余年的历史。
锻压工业在机床工业中占有着重要的地位。
十九世纪三十年代，世界上出现了第一台简易的平锻机和蒸汽锤。
六十年代生产了一些冲压用的液压机。
二十世纪前期，由于汽车工业的兴起，曲柄压力机及其他锻压设备得到了迅速发展。
由于采用现代化的锻压工艺生产工件具有效率高、质量好、能量省和成本低的特点，所以，工业先进的国家越来越多地采用锻压工艺代替切削工艺和其他工艺。
[3]锻压生产在工业生产中的地位越来越重要，锻压机械在机床中所占的比重也越来越大。
80年代中后期，锻压机械的拥有量在日本为34%，美国32.4%。
随着工业的发展，压力机的品种和数量也越来越多，质量要求也越来越高，压力越来越大。
它在机械制造工业以及其他工业的锻压生产中的作用越来越显著。
[16]
冲压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域，其中，作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及装备的发展，锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。
近年来，曲柄压力机正向着高速和高精度的方向发展，并努力降低噪音，提高安全性，扩大自动化程度，改善劳动条件。
特别是采用微型计算机控制的压力机，更具有先进的水平。
[17]
2.1课题中开式压力机简介
本课题所研究的系列压力机为干式离合开式固定台压力机，其传动系统由交流电动机经过V带带动飞轮，将能量储存于飞轮中，通过干式离合器－制动器，经过一对齿轮减速，带动曲轴连杆机构，使滑块产生上下往复运动。
它典型的外形结构如图2-1所示：
图2-1
该系列开式压力机主要性能参数：
项目
单位
计数参数
公称力
KN
1600
公称力行程
mm
6
滑块行程
mm
180
行程次数
/min
35-50
最大装模高度
mm
350
滑块中心至机身距离
mm
380
主电机功率
KW
15
使用空气压力
MPa
0.55
净重
Kg
14500
3压力机结构框图建立
系统可靠性模型建立的目的是对系统的可靠性指标进行分配、预计、评估的基础，同时可以根据可靠性模型优化系统设计方案。
本章建立系统可靠性模型包括两部分内容：
一是绘制系统可靠性框图；二是建立相应的可靠性数学模型。
绘制系统可靠性框图根据不同的用途也包含两部分的内容：
基本可靠性框图和任务可靠性框图的绘制
可靠性框图是用图形的方法简明扼要地直观表达系统各个功能单元之间的可靠性逻辑关系。
可靠性框图中的方框代表功能单元，方框之间的连接线不代表任何单元。
系统内部各个单元之间的导线、连接器等应作为一个独立的单元放入方框中。
可靠性框图与系统的原理图有着明显的区别，二者不能混淆。
可靠性框图表示系统各个功能单元之间的可靠性逻辑关系，系统原理图表示各个功能单元之间的物理关系。
可靠性框图的绘制是在分析系统结构及功能的基础上进行的[6]。
3.1机床结构及功能分析
压力机主要由机身，动力与传动系统，冲压系统，气动系统，PLC控制及电气系统，润滑系统，六部分组成，其组成结构图如图3-2所示，
图3-1
该机床工作原理图如图所示
图3-2
3.1.1机身
机身是压力机的主要支撑部分，主要由机身，导轨，顶模器，储气筒，工作板台，等附件构成，机床的机械精度和结构参数直接影响到工件的加工质量，特别是对导轨和工作板台的精度要求很高，这样才能保证加工精度，轴承座的加工表面精度要求较高，这样才能与轴承有效配合，油箱盖端盖的密封性也有较高要求，由于机身体主要起支撑及防护作用，机身体必须有较强的刚度保证，机身体的组成结构图如3-3所示。
图3-3
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
垫板
2
上活塞
3
上缸体
4
隔板
5
下活塞
6
下缸体
7
下盖
8
轴套
9
O型圈
10
缓冲螺钉
11
孔用xy型密封圈
12
轴用xy型密封圈
13
O型圈
14
螺母
15
活塞杆
16
缓冲垫
17
管接头
表3-1
机身为一整体结构，中部贯通，曲轴支承在前后均为整体的铜套内，齿轮安装在机身的封闭箱体内，上有盖板，箱内注油，使齿轮浸于油内，箱底部有放油管和放油球阀，由于使用浓油润滑，出油可以过滤后接入油箱循环使用，注油的高度由机身左侧的油标确定。
机身后上部左右内壁上的两个支撑板来固定电机。
机身中部固定有用于储存离合器与平衡缸用气的气泵。
导轨部分
导轨分为左导轨和右导轨，左右两侧导轨必须保证很高的平行度。
导板分为前导板，中导板和后导板，导板起衬垫作用。
导轨是滑块的运动副，滑块为整个压力机的工作部，滑轨的安装必须保证高的几何精度，否则会给滑块的工作带来不利影响。
顶模器
顶模器为选配部件，作用是在冲压过程中将模具顶出，这里介绍圆形顶出面的纯气式顶模器。
顶模器的顶出功能由上活塞实现上活塞和下活塞由活塞杆联接在一起，并在各自的汽缸内，以缸体的内圆表面作为向导，做上、下运动。
上活塞的上平面敷设了一层钢板，顶杆就置于其上，穿过工作台板垫板的孔和模具相连。
压缩空气由汽缸底部通入，经活塞杆轴孔进入上汽缸。
活塞上、下死点均装有缓冲垫，以减少冲击。
整个气垫安装在机身工作台面上的一个沉孔内。
顶出模的顶出力可以通过改变进入汽缸的压缩空气压力进行调整。
顶模器的气源由专用储气筒及减压阀提供。
气缸内活塞润滑由气路中的油雾器提供。
顶模器结构图如图3-4所示。
零件名称如表所示。
图3-4
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
垫板
2
上活塞
3
上缸体
4
隔板
5
下活塞
6
下缸体
7
下盖
8
轴套
9
O型圈
10
缓冲螺钉
11
孔用xy型密封圈
12
轴用xy型密封圈
13
O型圈
14
螺母
15
活塞杆
16
缓冲垫
17
管接头
表3-2
平衡缸
在机身顶部悬挂了两个平衡缸，其活塞杆与滑块体左右两侧壁相连接，以平衡滑块及上模重量，提高平衡缸的运动精度。
平衡缸是机床相对独立的部件，可以将平衡缸划分到机身部分。
平衡缸的缸体为薄壁筒倒装结构，调整压力机几何精度后，滑块位置偏移，靠平衡缸活塞杆与滑块相连的连接块的间隙进行补偿。
平衡缸的润滑用空气管路中的油雾器实现的。
其结构图如图3-5所示。
零件名称如表3-2所示。
图3-5
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
油封
2
O型圈
3
油封
4
O型圈
5
缸盖
6
活塞
7
汽缸
8
活塞杆
9
缸底
表3-3
3.1.2动力与传动系统
驱动系统
压力机的动力与传动系统主要工作方式为：
电动机经三角皮带、摩擦离合器—制动器及传动齿轮驱动曲轴作回传运动。
电动机通过橡胶减震垫固定在支撑板上。
传动齿轮采用浸油润滑。
在曲轴前端部设有曲柄转角指示装置，在与曲轴同步的链轮轴尾部装有一个链轮，它将曲轴的运动同步传送给凸轮控制箱，以此发出压力机操作的各种控制信号，其结构如图3-6.
图3-6
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
前支承压盖
2
O型圈
3
前支承
4
前轴承
5
曲轴
6
大齿轮
7
齿轮端盖
8
链轮
9
小皮带轮
10
电机
11
调整螺栓
12
电机底板
13
离合器及制动器
14
轴套
15
O型圈
表3-4
传动系统中主要由一个曲轴，一个传动轴，大齿轮，飞轮，电机构成，内包括6个O型圈、2个轴承，这些为易损件。
离合器与制动器
离合器分为干式离合器和湿式离合器，此系列压力机采用组合式气动干式摩擦离合器—制动器，活塞在弹簧力的作用下，将制动摩擦片压紧在制动摩擦盘上，使制动器处于制动状态。
当压缩空气（额定为0.55Mpa）通过空气旋转接头进入汽缸时，活塞压缩弹簧，制动器脱开，离合器结合。
当压缩空气通过电磁阀释放时，在弹簧力的作用下，离合器脱开，制动器结合。
摩擦片的原始间隙为2毫米，材料为半金属摩擦材料。
摩擦片的总允许磨损量为4毫米。
干式摩擦离合器的结构图如图3-7所示。
图3-7
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
O型圈
2
O型圈
3
油封
4
卸荷套
5
连接板
6
离合器与制动器
7
外压盖
8
O型圈
9
旋转接头
10
O型圈
11
O型圈
12
内压盖
13
O型圈
14
外隔套
15
内隔套
16
轴承
17
齿轮轴
18
轴套
19
轴承座
20
飞轮
21
制动导向销
22
离合导向销
表3-5
离合及飞轮机构一共有6个O型圈，3个轴承，2个油封，这些都是易磨损件。
由于离合器属于外购件，资料比较少，对其具体构造没有分析的必要。
电机属于外购件，只对其整体进行分析，对其具体构造没有分析的必要。
电机实物如图3-8
3.1.3冲压系统
冲压系统是压力机的主要工作系统，通过曲轴的转动，带动滑块作上下运动，冲压系统主要分为连杆，滑块以及滑块附件等。
滑块与连杆的联接部比较复杂，也很重要。
滑块
滑块体是一个整体铸造箱型结构，左右两侧为六面矩形导轨，滑块底面有模柄孔和“T”型槽，以紧固模具。
冲压系统的结构图：
3-9所示
图3-9
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
连杆瓦
2
上轴瓦
3
下轴瓦
4
连杆
5
球头螺杆
6
O型圈
7
球形盖板
8
油标
9
球头销轴
10
球套
11
球头座
12
滑块体
13
止模螺栓
14
防护套
15
油封
16
方形盖板
17
内套
18
O型圈
19
保险器
20
退料器
21
电机
表3-6
液压超载保护装置
滑块体内设有液压超负荷保护装置。
如图3-10所示，装置具有瞬时排放高压液体压力有的特点。
超载后，高压液体压力迅速排放到油箱，实现对滑块的卸载。
超载后，超负荷红色信号灯亮，气动泵自动补油，当液压垫油达到所需值时，气动泵自动停止工作，气动泵工作压力位0.45-0.5Mpa之间。
图3-10
调模装置
滑块内部安装有调模电机，可以调整模具的高度，调模电机的工作原理：
电机驱动链轮，链轮与蜗杆相连，再由蜗杆带动安装在连杆上的蜗轮，实现上下移动。
如图3-11，图为滑块的剖视图。
图3-11
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
蜗轮
2
油封
3
蜗杆
4
轴承
5
油封
6
链轮
7
制动电机底板
8
电机
9
O型圈
表3-7
3.1.4气动系统
压力机的气动系统主要由顶模器管路，气动泵管路，离合器管路，平衡缸管路组成，不同支路中均设有气路必须的安全阀、调压阀等，气动系统为压力机的正常工作提供保护、平衡以及驱动离合器，是压力机非常重要的部分。
气动原理图如图3-12所示。
管接头以及管路的装配精度需要保证，安装要紧固，避免漏气漏油等影响机床工作性能的故障。
图3-12
项目
名称
项目
名称
项目
名称
1
气动二联件
2
吹件
3
储气筒（顶模器）
4
安全阀（顶模器）
5
放水阀（顶模器）
6
调压阀（顶模器）
7
离合器调压阀
8
压力继电器
9
安全阀
10
气动泵调压阀
11
电磁阀
12
安全双联阀
13
放水阀
14
平衡缸调压阀
15
安全阀
16
放水阀
表3-8
压缩空气由位于机身后下方外壁处送入，压缩空气经过空气滤清器、减压阀及油雾器后进入离合器平衡缸用储气筒及顶模器储气筒，压力为0.7Mpa压缩空气作为气源。
压缩空气通过二联件进入平衡缸及离合器储气筒，离合器储气筒出口经一个双联安全电磁阀进入摩擦离合器汽缸，另一个出口经截止阀进气动泵，平衡缸储气筒出口分别通往左右两个平衡缸，顶模器储气筒只有一个出口进入顶模器。
离合器储气筒上安装有安全阀和压力继电器，平衡缸储气筒装有安全阀，储气筒内的凝结水可由球阀排出。
3.1.5润滑系统
本系列压力机的润滑分为以下三种方式：
油池浸油润滑：
a）传动齿轮浸在机身的齿轮箱内，加油时可卸下油箱顶盖，油量由装在机身侧面的圆形油标指示，油箱底部设有放油阀，有线槽可将回油引入回收装置中。
b）调节模高度的涡轮蜗杆装在滑块内的油池中，油池的油量由滑块前面的油标显示，涡轮蜗杆的润滑采用46号抗磨液压油，根据调模的频次，一般每3个月更换一次。
c）浓油集中润滑：
浓油润滑通过电动泵润滑。
电动浓油泵由PLC控制（加油时间设定：
开机加油，由递进式分配检测开关发出8个循环动作后，油泵停止工作，机床再动作3000次，如此循环），无需人工操作。
浓油采用0号极压理基脂润滑脂。
油枪分散润滑，主要有以下几处：
a）制动电机处链条，浓油，6个月；
b）凸轮控制器处链条，浓油，6个月；
c）连杆内螺纹，46号抗磨液压油，3个月；
d）飞轮内轴承，浓油，6个月；
e）离合器导向套，46号抗磨液压油，每班一次；
f）平衡缸活塞导向处，手动稀油润滑，每周一次；
图3-12为机床浓油润滑示意图，包括PLC控制部，润滑部位表。
图3-13
润滑系统主要由管路，管接头，浓油泵，分油器，滤油器，油缸构成，
安全装置
安全装置主要包括：
（1）紧急停止装置，
所有的规范动作都具备紧急停止功能，在紧急状态下，按下紧急按钮，开式压力机迅速停止。
（2）电机过载保护装置
工作负荷应在压力机公称能力之下，以保证安全运行。
当发生过载时，过载保护继电器工作，将电机迅速停止，此开关可作为电机的保护装置。
（3）二度落检测装置
单次规范操作中，如果滑块一行程之后在上死点位置未停车，那么二度落接近开关在上死点位置再次检测到了信号，则二度落开关开始动作，操纵面板上的“异常报警灯”也会常亮。
（4）双手操作装置
选择双手操作时，左右手必须在0.5秒内同时按下，压力机方可运转，否则必须放开双手，重新操作。
（5）液压过载保护装置
此装置在机床过荷负载的状态下瞬间作紧急停止，复位时使滑块寸动至上死点，这时，气动泵开始动作，当补油结束后，超负荷指示灯熄灭。
此保护装置可保证模具及压力机的安全。
光电安全装置
当使用脚踏功能时，必须选用光电安全保护装置。
用户需根据模具及操作方式对光电保护装置进行调整，并确保操作人员的正常操作处于保护区域。
安全装置是压力机使用过程中非常重要的部分，大多数安全装置都由PLC控制，属于电控系统的一部分。
3.1.6PLC控制及电气系统
本系列压力机为典型的机电气一体化产品，电气系统是以主控PLC为主核心的控制系统，主要包括电机驱动电路，气控阀的驱动，各种附件、信号灯、的控制。
可以大体分为：
元器件、PLC、线路及按钮，这三个部分。
电机控制：
图3-14
三个电机均为三相交流电机。
电气控制
电气由PLC控制，PLC工作原理如图
图3-15
由于PLC控制的元器件很多，要分部分介绍。
a）按钮指示灯控制
图3-16
b）阀、部件控制
图3-17
3.2机床结构框图建立
基本可靠性框图是一个全串联框图，它用以估计产品及其组成单元引起的维修及后勤保障要求。
因此构成产品的所有单元都应包括在框图内，包括产品所有用于储备工作模式的单元，因为构成产品的任何单元发生故障后均需要维修及后勤保障。
基本可靠性框图的基本信息是根据由文件所规定的构成产品的所有单元取得，并受产品配置所控制。
因此，所规定的配置基线应是基本可靠性框图的依据。
基本可靠性框图的详细程度应根据可以获得可用信息的产品层次（系统；分系统；设备组件或零部件级）而定，而且其故障率或MTBF等效参数可用来估算维修及后勤保障对产品设计的影响。
[35]
绘制压力机框图包括以下主要工作：
1）框图标题——每个可靠性框图都应该有一个标题，该标题说明框图的层次，工作方式，任务说明等。
2）方框顺序——基本可靠性框图中的方框的相对位置时没有物理意义的，但是，为了表示工作过程中事件发生的顺序，应按一定的逻辑顺序排列。
3）方框含义——可靠性框图中的每一个方框都应该进行标志。
为避免混淆，对具有许多方框的框图应按照有关编码系统的标准统一规定的代码进行标志。
应该专门说明在可靠性框图中未包括的产品中的硬件或功能单元。
4）框图假设——在绘制基本可靠性框图过程中，所做的假设为：
方框代表对产品可靠性有影响的单元或功能；各方框之间的所有连线不具有可靠性值，只用来表示各方框的连接关系；框图中的任何一个单元或功能故障将使整个产品发生故障；就故障概率而言，框图中一个方框所表示的单元或功能不受其他方框的影响；产品中的软件和操作人员的动作假设完全可靠，且人员与产品之间不存在相互影响的问题。
根据绘制压力机基本可靠性框图的内容以及进行的机床结构及功能分析，采取从整体到局部，逐步分解、细化的方法绘制开式压力机的基本可靠性框图。
[36~37]
开式压力机整体基本可靠性框图
图3-18
<1>开式压力机机身可靠性框图
图3-19
子系统
机身体
导轨
顶模器
平衡缸
功能附件
编码
MS
MD
MQ
MP
MF
表3-9
（1）机身体子系统可靠性框图
图3-20
零件编码表
零件
床身
后轴承
冲盖板
输出轴
孔盖板
后罩
储气筒
压力表
安装板
编码
MS01
MS02
MS03
MS04
MS05
MS06
MS07
表3-10
（2）导轨子系统基本可靠性框图
图3-21
导轨系编码
零件
左导轨
右导轨
前导板
中导板
后导板
编码
MDG01
MDG02
MDB03
MDB04
MDB05
表3-11
（3）顶模器
顶模器分三个部分：
上腔，下腔，杆系
顶模器框图
图3-22
顶模器编码表
上腔：
零件
垫板
上活塞
上缸体
隔板
O型圈
缓冲
螺钉
轴用xy型密封圈
编码
MQS01
MQS02
MQS03
MQS04
MQS05
MQS06
MQS07
表3-12
下腔：
零件
下活塞
下缸体
下盖
孔用xy型密封圈
管接头
缓冲垫
编码
MQX01
MQX02
MQX03
MQX04
MQX05
MQX06
表3-13
杆系：
零件
活塞杆
轴套
螺母
O型圈
编码
MQG01
MQG02
MQG03
MQG04
表3-14
（3）平衡缸
平衡缸框图
图3-23
平衡缸编码表
缸体：
零件
汽缸
缸底
缸盖
油封
O型圈
编码
MPG01
MPG02
MPG03
MPG04
MPG05
表3-15
运动系
零件
活塞杆
活塞
O型圈
油封
编码
MPD01
MPD02
MPD03
MPD04
表3-16
（4）功能附件
功能附件框图
图3-24
附件编码表
零件
打料棒
打料座
放油管
放油球阀
二度落支架
编码
MF01
MF02
MF03
MF04
MF05
表3-17
<2>动力传动系统
动力传动系统子系统框图
图3-25
（1）传动系统框图
图3-26
传动系统编码表
曲轴齿轮：
零件
前支承
端盖
前支承
前轴承
曲轴
大齿轮
齿轮
端盖
O型圈
链轮
编码
SCQ01
SCQ02
SCQ03
SCQ04
SCQ05
SCQ06
SCQ07
SCQ08
表3-18
飞轮轴：
零件
轴套
轴承座
O型圈
齿轮轴
飞轮
油封
卸荷套
V带
编码
SCF01
SCF02
SCF03
SCF04
SCF05
SCF06
SCF07
SCF08
表3-19
（2）离合系统框图
图3-27
离合系统编码表
离合编码表：
零件
制动
导向销
离合
导向销
离合器与制动器
旋转接头
O型圈
连接板
外压盖
编码
SLH01
SLH02
SLH03
SLH04
SLH05
SLH06
SLH07
表3-20
飞轮编码表：
零件
轴承
内压盖
内隔套
外隔套
O型圈
油封
编码
SLF01
SLF02
SLF03
SLF04
SLF05
SLF06
表3-21
（3）电机系
框图
图3-28
<3>冲压系统
冲压系统子系统框图
图3-29
（1）连杆系框图
图3-30
连杆系零件编码表
零件
连杆瓦
上轴瓦
下轴瓦
连杆
球头螺栓
O型圈
方形盖板
防护套
油封
编码
CL01
CL02
CL03
CL04
CL05
CL06
CL07
CL08
CL09
表3-22
（2）滑块系框图
图3-31
滑块系零件编码表
零件
球形盖板
油标
球头销轴
内套
止模螺栓
滑块体
编码
CH01
CH02
CH03
CH04
CH05
CH06
零件
球头座
球套
O型圈
保险器
退料器
编码
CH07
CH08
CH09
CH10
CH11
表3-23
（3）调模系框图
图3-32
调模系零件编码表
零件
涡轮
蜗杆
油封
O型圈
掉模电机
链轮
轴承
制动电
机底板
编码
CT01
CT02
CT03
CT04
CT05
CT06
CT07
CT08
表3-24
<4>气动系统
气动系统结构图参看，图3-
气动系统总框图
图3-33
气动系统编码表
顶模器气路（GD）
零件
调压阀
安全阀
储气筒
放水阀
编码
GD01
GD02
GD03
GD04
平衡缸气路（GP）
零件
调压阀
安全阀
储气筒
放水阀
编码
GP01
GP02
GP03
GP04
离合器与气动泵气路（GL）
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