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    鑄件質量包括鑄件缺陷的預防和消除兩個方面


    鑄造生產是極其復雜的工藝系統.提高鑄件質量是國內外儔造廠家面臨的首要問題.鑄件質量包括鑄件缺陷的預防和消除兩個方面.人們在解決某些鑄件缺陷方面取得一些成績,近年來隨著計算機及故障樹分析(FTA)技術的推廣,使從系統分析角度研究儔造缺陷成為可能.作者從1987年開始從事的這方面的研究工作.

     

      1故障樹分析法

      系統故障樹是一種特殊的因果關系圖.它用邏輯門(與門,或門等)和規定符號描述系統中各事件問的因果關系.邏輯門的輸人事件是因,輸出事件為果.FTA分析法太致分以下步驟進行:

      1)定義系統故障的分析目標,即故障樹的頂事件.

      2)以頂事件為目標,建造系統故障樹.

      3)求解系統故障樹的全體most小割集和most小路集,定性分析系統故障的全部失效模式和各基本事件對系統故障影響的主次關系,即FTA的定性分析.

      4)故障樹的定量分析,即求解頂事件的發生概率、各基本事件的概率重要度和關鍵重要度等.

      任何一種鑄造缺陷都可以看成是鑄造工藝系統的一種故障,用一棵以該缺陷為頂事件的系統故障樹來描述,然后利用故障樹的邏輯關系圖,通過數學手段找出系統故障的全部失效模式,即鑄件缺陷產生的各種途徑.同時,利用故障樹定量分析方法,預報鑄件缺陷發生的概率以及各工藝環節對該缺陷的影響程度,從而達到優化鑄造工藝,提高鑄件質量的目的.

      然而,基于鑄造工藝的復雜性,鑄造缺陷的故障樹往往十分龐大,給一般微機用戶的應用帶來困難(即“NP”困難).文獻Eli首先提出了利用剖集矩陣簡化FTA微機分析的新算法,本文實例的FTA處理均采用這一套軟件.

      2鑄件錯型缺陷的故障樹分析

      鑄件錯型是常見的鑄件缺陷.造成鑄件錯型有設備、工裝、操作等因素及其組臺作用的結果.將鑄件錯型作為系統故障樹的頂事件,以某廠亨特水平分型脫箱造型生產線為對象,建立鑄件錯型系統故障樹,見圖1.

      圖中用[*]表示邏輯與門,用[+]表示邏輯或門;用大于l000的序號如1001,l002等表示邏輯門號,用小于1000的序號如1,2……表示基本事件號.這些數據及門種類就是故障樹微機輔助分析的輸人數據.

      2.1定性分析

      表1是圖1故障樹定性分析結果.因為頂事件是錯型缺陷,故其全體most小割集就是亨特機上鑄件錯型缺陷產生的全部途徑,共有l4種可能.

      表中的每一行都是一個most小剖集.根據故障樹most小割集的定義,表中的任一行都是鑄件錯型缺陷產生的途徑.當亨特機上出現鑄件錯型時,就可以按表1逐項檢查并加以排除.

      2.2定量分析

      頂事件發生率決定于故障樹的結構和各基本事件的不可靠度.由圖1定量分析結果得知,若各基本事件的不可靠度均為Q—0.O1,則鑄件錯型缺陷的廢品率為6.8%,若將各基本事件的不可靠度降為Q=0.0Ol,則其廢品率降為0.7%,即可消除錯型缺陷.

      表2是圖1故障樹各基本事件概率重要度和關鍵重要度的計算結果.

     

      圖1 亨特機上出現的鑄件錯型失效樹

     

      按概率重要度的大小順序,各基本事件對鑄件錯型缺陷的影響大小為:(3,4,5,6,7,14,15)>(8)>(12,13)>(1,2)>(11)>(10,9),(同括號中其重要度相同).概率重要度值越大,說明它對頂事件的影響也越大.因此,要減少鑄件錯型缺陷,應從提高具有較大概率重要度的基本事件可靠度人手.同時,當系統故障出現時,也應按其大小順序尋找并排除故障原因.

      3球鐵皮下氣孔故障樹分析

      球鐵皮下氣孔是球鐵生產中most常見的鑄造缺陷,目前,國內外對皮下氣孔形成機理的認識尚不統一,各種皮下氣孔形成理論還不能準確有效地指導生產實踐.本文在皮下氣孔形成機理的基礎上,從系統分析的角度出發,將導致皮下氣孔的各種因素作為基本事件,根據彼此問的邏輯關系,建立以皮下氣孔為頂事件的皮下氣孔故障樹.

      3.1皮下氣孔形成機理及其故障樹

      目前對球鐵皮下氣孔的形成大致可歸納為反應析出機理、渣氣孔機理、微觀侵入機理等3種.本文結合現場經驗,建造了球鐵皮下氣孔故障樹,其過程大致如圖2所示。

     


      第一步以球鐵皮下氣孔缺陷為頂事件,由于皮下氣孔是以“氣桉形成”且“長大”并“上浮至表皮下不能逸出”為直接原因,故由頂事件通過與門引出3個中間事件.如圖2a所示.

      第二步以其中“形核”為例,氣泡形核以異質形核為主,即借助氣泡形核或借助微粒形核,故用或門相連.如圖2b所示.

      第三步借助固體微粒形核”可分成反應析出型”,渣氣孔型”和微觀侵入型”3種,故用或門引出,如圖2c.

      第四步對于渣氣孔型,是在“鐵水中存在難熔質點”和“產物氣體cO過飽和”的二者共同作用下形成,故用與門引出,如圖2d.

      第五步“鐵水中存在難熔質點”可能由“鐵水CE值偏高”(存在大量石墨),“球化荊加入量過大”,“孕育劑加入量大”,“冒口不能有效集渣排氣”等原因造成的,故用或門連接,如圖2e.

      圖中這4個事件已是生產中可獨立控制的單元,無需再查找其產生原因,所以它們可以是故障樹的基本事件.

      依此類推就可以建成較完整的球鐵皮下氣孔缺陷故障樹.

      3.2球鐵皮下氣孔缺陷故障樹分析結果討論

      由于故障樹是在3種典型機理基礎上建立的,同時考慮鐵水澆注溫度是皮下氣孔形成的一個重要因紊,為了便于處理,本研究對原故障樹按分解定理和邏輯簡化,建立了較高溫度下的皮下氣孔故障樹D。和較低溫度下的故障樹D20。并將D10樹按3種典型機理分割為較高溫度下的反應析出氣孔故障樹D11,渣氣孔故障樹D12,微觀侵入氣孔故障樹D13,將D20樹分割為較低溫度下的反應析出氣孔故障樹D21,渣氣孔故障樹D22,微觀侵入氣孔故障樹D23-5,在這里稱原故障樹為總樹;D10,D20為為分割總樹,表3是以上各故障樹定性分析的統計結果.

     

    為了便于分析不同溫度條件下各種皮下氣孔形成機理間的主次關系和表現形式,本研究定義了割集置信度K1,割集有效度Kz和模式可靠度K3,用以衡量3種典型皮下氣孔在不同溫度下出現的可能性.

    設分割總樹的most小割集數為N,分樹most小割集為Ni,分樹most小害j集中與總樹相同者為Nn,GQ為分割總樹的頂事件概率,GQ為分樹頂事件概率,則定義:

    分樹i的割集置信度表示分樹本身的置信程度,即k1=Nn/Ni;

    分樹i的割集有效度描述分樹在總樹中的有效程度,即K2i=Nn/N,

    分樹i的模式可靠度反映分樹模式相對于總樹的可靠程度,即K3i=GQt/GQ.

    由表3的置信度可知,在鐵水溫度較高的條件下(表中D10~D13),其置信度和有效度的大小順序為:反應析出型>渣氣孔型>微觀侵人型.說明鐵水溫度較高時,球鐵皮下氣孔的主要表現形式是反應析出型氣孔,其次是渣氣孔,微觀侵入型氣孔幾乎不會出現.這是因為鐵水溫度較高時,侵人的氣體由于鐵水溫度高而有較充分的逸出機會.

    當鐵水溫度較低時,氣孔的表現形式為渣氣孔型>反應析出型>微觀侵人型,即皮下氣孔主要表現形式為渣氣孔,其次是反應析出型氣孔,再攻是微觀侵人型氣孔.這是因為,當澆注溫度較高時,砂型及型腔內部氧化一熱分解反應激烈,產生大量氣體而導致形成反應析出型氣孔的機率增加;當澆注溫度較低時,由于鐵水粘度大,流動性下降,渣氣難以逸出并依附于各種熔渣形核長大,故渣氣孔為皮下氣孔的主要表現形式.同時,在鐵水溫度較低的條件下,反應析出型氣孔和微觀侵人型氣孔出現的概率也比較大.

    可見鐵水溫度是出現皮下氣孔的一個極為重要的工藝因素.以上分析結果與球鐵生產實際基本吻合.

    表4是故障樹定量分析的部分結果,即頂事件發生概率和模式可靠度.

     

    從表4中的模式可靠度可以看出,在較高溫度條件下反應析出型氣孔的模式可靠度和在較低溫度下,渣氣孔的模式可靠度均與各自的分割總樹相近,從而又表明,鐵水溫度過高時,反應析出氣孔是皮下氣孔的主要表現形式,鐵水溫度較低時,渣氣孔是皮下氣孔的主要表現形式,與定性分析結果一致.

    本研究還計算了分割總樹D10,D20及各自的分樹的關鍵重要度.其結果表明,各基本事件關鍵重要度的大小順序有較太的差別.這說明溫度條件將明顯改變基本事件對皮下氣孔的影響程度,使皮下氣孔的表現形式發生變化,從而進一步證實,不同的澆注溫度,球鐵的皮下氣孔有不同的形成模式.

    可見,在球鐵皮下氣孔缺陷分析中應用FTA技術,不僅可以較準確地找到該缺陷的各種失效模式,還可以比較客觀地揭示出不同的鐵水溫度下皮下氣孔形成模式發生變化的規律性.為進一步研究球鐵皮下氣孔形成機理提供一種有效方法.

    4結語
    作者在FTA基礎理論研究的基礎上,已將FTA技術應用于鑄造車間的設備設計、皮帶輸送機的故障分析、機械控制系統的故障分析和高臺金材料的研制中,均取得滿意的效果。

    1)在鑄造生產中,尤其在各種鑄件缺陷分析、工藝設計改進、設備及控制系統的故障診斷和維修以及生產管理的改善等方面成功的應用了FTA技術.

    2)FTA應用于鑄造,可以幫助鑄造技術人員拓寬和明晰解決技術問題的思路,獲得新的啟示和理論.

    3)FTA簡單易行,這一套新的生產管理及缺陷分析方法在鑄造領域廣泛應用,將帶來較大的經濟效益和社會效益.

     


    【上一個】 鑄造缺陷的問題和對策 【下一個】 國內外的鎂合金制件絕大多數用壓鑄法生產

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