鑄造生產(chǎn)是極其復(fù)雜的工藝系統(tǒng)．提高鑄件質(zhì)量是國(guó)內(nèi)外儔造廠家面臨的首要問(wèn)題．鑄件質(zhì)量包括鑄件缺陷的預(yù)防和消除兩個(gè)方面．人們?cè)诮鉀Q某些鑄件缺陷方面取得一些成績(jī)，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)及故障樹(shù)分析(FTA)技術(shù)的推廣，使從系統(tǒng)分析角度研究?jī)壴烊毕莩蔀榭赡埽�作者�?987年開(kāi)始從事的這方面的研究工作．

 

　　1故障樹(shù)分析法

　　系統(tǒng)故障樹(shù)是一種特殊的因果關(guān)系圖．它用邏輯門(mén)(與門(mén)，或門(mén)等)和規(guī)定符號(hào)描述系統(tǒng)中各事件問(wèn)的因果關(guān)系．邏輯門(mén)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(jìn)行：

　　1)定義系統(tǒng)故障的分析目標(biāo)，即故障樹(shù)的頂事件．

　　2)以頂事件為目標(biāo)，建造系統(tǒng)故障樹(shù)．

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

　　4)故障樹(shù)的定量分析，即求解頂事件的發(fā)生概率、各基本事件的概率重要度和關(guān)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(tǒng)的一種故障，用一棵以該缺陷為頂事件的系統(tǒng)故障樹(shù)來(lái)描述，然后利用故障樹(shù)的邏輯關(guān)系圖，通過(guò)數(shù)學(xué)手段找出系統(tǒng)故障的全部失效模式，即鑄件缺陷產(chǎn)生的各種途徑．同時(shí)，利用故障樹(shù)定量分析方法，預(yù)報(bào)鑄件缺陷發(fā)生的概率以及各工藝環(huán)節(jié)對(duì)該缺陷的影響程度，從而達(dá)到優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件質(zhì)量的目的．

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

　　2鑄件錯(cuò)型缺陷的故障樹(shù)分析

　　鑄件錯(cuò)型是常見(jiàn)的鑄件缺陷．造成鑄件錯(cuò)型有設(shè)備、工裝、操作等因素及其組臺(tái)作用的結(jié)果．將鑄件錯(cuò)型作為系統(tǒng)故障樹(shù)的頂事件，以某廠亨特水平分型脫箱造型生產(chǎn)線為對(duì)象，建立鑄件錯(cuò)型系統(tǒng)故障樹(shù)，見(jiàn)圖1．

　　圖中用[*]表示邏輯與門(mén)，用[+]表示邏輯或門(mén)；用大于l000的序號(hào)如1001，l002等表示邏輯門(mén)號(hào)，用小于1000的序號(hào)如1，2……表示基本事件號(hào)．這些數(shù)據(jù)及門(mén)種類(lèi)就是故障樹(shù)微機(jī)輔助分析的輸人數(shù)據(jù)．

　　2．1定性分析

　　表1是圖1故障樹(shù)定性分析結(jié)果．因?yàn)轫斒录�是錯(cuò)型缺陷，故其全體most小割集就是亨特機(jī)上鑄件錯(cuò)型缺陷產(chǎn)生的全部途徑，共有l(wèi)4種可能．

　　表中的每一行都是一個(gè)most小剖集．根據(jù)故障樹(shù)most小割集的定義，表中的任一行都是鑄件錯(cuò)型缺陷產(chǎn)生的途徑．當(dāng)亨特機(jī)上出現(xiàn)鑄件錯(cuò)型時(shí)，就可以按表1逐項(xiàng)檢查并加以排除．

　　2．2定量分析

　　頂事件發(fā)生率決定于故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)和各基本事件的不可靠度．由圖1定量分析結(jié)果得知，若各基本事件的不可靠度均為Q—0.O1，則鑄件錯(cuò)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(cuò)型缺陷．

　　表2是圖1故障樹(shù)各基本事件概率重要度和關(guān)鍵重要度的計(jì)算結(jié)果．

 

　　圖1 亨特機(jī)上出現(xiàn)的鑄件錯(cuò)型失效樹(shù)

 

　　按概率重要度的大小順序，各基本事件對(duì)鑄件錯(cuò)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(hào)中其重要度相同)．概率重要度值越大，說(shuō)明它對(duì)頂事件的影響也越大．因此，要減少鑄件錯(cuò)型缺陷，應(yīng)從提高具有較大概率重要度的基本事件可靠度人手．同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)時(shí)，也應(yīng)按其大小順序?qū)ふ也⑴懦�故障原因�?/P>

　　3球鐵皮下氣孔故障樹(shù)分析

　　球鐵皮下氣孔是球鐵生產(chǎn)中most常見(jiàn)的鑄造缺陷，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)皮下氣孔形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一，各種皮下氣孔形成理論還不能準(zhǔn)確有效地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐．本文在皮下氣孔形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，將導(dǎo)致皮下氣孔的各種因素作為基本事件，根據(jù)彼此問(wèn)的邏輯關(guān)系，建立以皮下氣孔為頂事件的皮下氣孔故障樹(shù)．

　　3．1皮下氣孔形成機(jī)理及其故障樹(shù)

　　目前對(duì)球鐵皮下氣孔的形成大致可歸納為反應(yīng)析出機(jī)理、渣氣孔機(jī)理、微觀侵入機(jī)理等3種．本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，建造了球鐵皮下氣孔故障樹(shù)，其過(guò)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(zhǎng)大”并“上浮至表皮下不能逸出”為直接原因，故由頂事件通過(guò)與門(mén)引出3個(gè)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(zhì)形核為主，即借助氣泡形核或借助微粒形核，故用或門(mén)相連．如圖2b所示．

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

　　第四步對(duì)于渣氣孔型，是在“鐵水中存在難熔質(zhì)點(diǎn)”和“產(chǎn)物氣體cO過(guò)飽和”的二者共同作用下形成，故用與門(mén)引出，如圖2d．

　　第五步“鐵水中存在難熔質(zhì)點(diǎn)”可能由“鐵水CE值偏高”(存在大量石墨)，“球化荊加入量過(guò)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(mén)連接，如圖2e．

　　圖中這4個(gè)事件已是生產(chǎn)中可獨(dú)立控制的單元，無(wú)需再查找其產(chǎn)生原因，所以它們可以是故障樹(shù)的基本事件．

　　依此類(lèi)推就可以建成較完整的球鐵皮下氣孔缺陷故障樹(shù)．

　　3．2球鐵皮下氣孔缺陷故障樹(shù)分析結(jié)果討論

　　由于故障樹(shù)是在3種典型機(jī)理基礎(chǔ)上建立的，同時(shí)考慮鐵水澆注溫度是皮下氣孔形成的一個(gè)重要因紊，為了便于處理，本研究對(duì)原故障樹(shù)按分解定理和邏輯簡(jiǎn)化，建立了較高溫度下的皮下氣孔故障樹(shù)D。和較低溫度下的故障樹(shù)D20。并將D10樹(shù)按3種典型機(jī)理分割為較高溫度下的反應(yīng)析出氣孔故障樹(shù)D11，渣氣孔故障樹(shù)D12，微觀侵入氣孔故障樹(shù)D13，將D20樹(shù)分割為較低溫度下的反應(yīng)析出氣孔故障樹(shù)D21，渣氣孔故障樹(shù)D22，微觀侵入氣孔故障樹(shù)D23-5，在這里稱(chēng)原故障樹(shù)為總樹(shù)；D10，D20為為分割總樹(shù)，表3是以上各故障樹(shù)定性分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果．

 

為了便于分析不同溫度條件下各種皮下氣孔形成機(jī)理間的主次關(guān)系和表現(xiàn)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(xiàn)的可能性．

設(shè)分割總樹(shù)的most小割集數(shù)為N，分樹(shù)most小割集為Ni，分樹(shù)most小害j集中與總樹(shù)相同者為Nn，GQ為分割總樹(shù)的頂事件概率，GQ為分樹(shù)頂事件概率，則定義：

分樹(shù)i的割集置信度表示分樹(shù)本身的置信程度，即k1=Nn/Ni；

分樹(shù)i的割集有效度描述分樹(shù)在總樹(shù)中的有效程度，即K2i=Nn/N,

分樹(shù)i的模式可靠度反映分樹(shù)模式相對(duì)于總樹(shù)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?yàn)椋悍磻?yīng)析出型>渣氣孔型>微觀侵人型．說(shuō)明鐵水溫度較高時(shí)，球鐵皮下氣孔的主要表現(xiàn)形式是反應(yīng)析出型氣孔，其次是渣氣孔，微觀侵入型氣孔幾乎不會(huì)出現(xiàn)．這是因?yàn)殍F水溫度較高時(shí)，侵人的氣體由于鐵水溫度高而有較充分的逸出機(jī)會(huì)．

當(dāng)鐵水溫度較低時(shí)，氣孔的表現(xiàn)形式為渣氣孔型>反應(yīng)析出型>微觀侵人型，即皮下氣孔主要表現(xiàn)形式為渣氣孔，其次是反應(yīng)析出型氣孔，再攻是微觀侵人型氣孔．這是因?yàn)�，�?dāng)澆注溫度較高時(shí)，砂型及型腔內(nèi)部氧化一熱分解反應(yīng)激烈，產(chǎn)生大量氣體而導(dǎo)致形成反應(yīng)析出型氣孔的機(jī)率增加；當(dāng)澆注溫度較低時(shí)，由于鐵水粘度大，流動(dòng)性下降，渣氣難以逸出并依附于各種熔渣形核長(zhǎng)大，故渣氣孔為皮下氣孔的主要表現(xiàn)形式．同時(shí)，在鐵水溫度較低的條件下，反應(yīng)析出型氣孔和微觀侵人型氣孔出現(xiàn)的概率也比較大．

可見(jiàn)鐵水溫度是出現(xiàn)皮下氣孔的一個(gè)極為重要的工藝因素．以上分析結(jié)果與球鐵生產(chǎn)實(shí)際基本吻合．

表4是故障樹(shù)定量分析的部分結(jié)果，即頂事件發(fā)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(yīng)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(shù)相近，從而又表明，鐵水溫度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)析出氣孔是皮下氣孔的主要表現(xiàn)形式，鐵水溫度較低時(shí)，渣氣孔是皮下氣孔的主要表現(xiàn)形式，與定性分析結(jié)果一致．

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

可見(jiàn)，在球鐵皮下氣孔缺陷分析中應(yīng)用FTA技術(shù)，不僅可以較準(zhǔn)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(fā)生變化的規(guī)律性．為進(jìn)一步研究球鐵皮下氣孔形成機(jī)理提供一種有效方法．

4結(jié)語(yǔ)
作者在FTA基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，已將FTA技術(shù)應(yīng)用于鑄造車(chē)間的設(shè)備設(shè)計(jì)、皮帶輸送機(jī)的故障分析、機(jī)械控制系統(tǒng)的故障分析和高臺(tái)金材料的研制中，均取得滿意的效果。

1)在鑄造生產(chǎn)中，尤其在各種鑄件缺陷分析、工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)、設(shè)備及控制系統(tǒng)的故障診斷和維修以及生產(chǎn)管理的改善等方面成功的應(yīng)用了FTA技術(shù)．

2)FTA應(yīng)用于鑄造，可以幫助鑄造技術(shù)人員拓寬和明晰解決技術(shù)問(wèn)題的思路，獲得新的啟示和理論．

3)FTA簡(jiǎn)單易行，這一套新的生產(chǎn)管理及缺陷分析方法在鑄造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，將帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益．