混合不確定性下的重型數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)可靠性建模與分析方法研究.pdf

1、重型數(shù)控機(jī)床肩負(fù)著眾多關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)與國防安全的行業(yè)產(chǎn)品及關(guān)鍵零部件的加工制造，其質(zhì)量、性能和技術(shù)水平是衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平和綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。國產(chǎn)重型數(shù)控機(jī)床經(jīng)過多年的發(fā)展已取得一定成就，但由于國產(chǎn)重型數(shù)控機(jī)床科技創(chuàng)新不足，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件缺乏，高級(jí)人才匱乏，尖端核心技術(shù)尚未突破，其在使用過程中不斷暴露出早期故障頻發(fā)、質(zhì)量穩(wěn)定性差、維護(hù)成本高等問題，這些問題給重型數(shù)控機(jī)床用戶帶來系列困難和挑戰(zhàn)，并直接導(dǎo)致我國國產(chǎn)重型數(shù)控機(jī)床可靠性差

2、、產(chǎn)品附加值低、產(chǎn)業(yè)化能力弱、國際競(jìng)爭力不強(qiáng)等惡劣局面。現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系多是針對(duì)中小型數(shù)控機(jī)床構(gòu)建，針對(duì)重型數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)的研究尚未深入開展。由于重型數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)形式、加工任務(wù)等方面與中小型數(shù)控機(jī)床大有不同，現(xiàn)有可靠性技術(shù)不能直接應(yīng)用。因此，亟需針對(duì)重型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，開展重型數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系研究。
　　可靠性建模與分析是重型數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)體系的關(guān)鍵組成部分。重型數(shù)控機(jī)床可靠性建模與分析是在綜合研究

3、機(jī)床可靠性影響因素和可靠性數(shù)據(jù)特征的條件下，以典型系統(tǒng)可靠性模型為基礎(chǔ)，結(jié)合重型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型來對(duì)其可靠性進(jìn)行分析和評(píng)定的過程。相對(duì)于普通數(shù)控機(jī)床，重型數(shù)控機(jī)床可靠性建模與分析具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整機(jī)及關(guān)鍵零部件樣本少、試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足、信息不全、可靠性數(shù)據(jù)類型多樣、故障機(jī)理復(fù)雜且故障相關(guān)等難點(diǎn)。針對(duì)以上重型數(shù)控機(jī)床可靠性研究難點(diǎn)，本文主要開展以下研究工作：
　　（1）以重型數(shù)控機(jī)床主軸為研究對(duì)象，分析了影響重型數(shù)控

4、機(jī)床主軸可靠性的各種不確定性因素及現(xiàn)有不確定性量化方法的局限性，構(gòu)建了基于不精確概率理論的混合不確定性統(tǒng)一量化框架。在混合不確定性統(tǒng)一量化框架下，基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，提出了針對(duì)機(jī)床零部件的不精確結(jié)構(gòu)可靠性建模一般方法。以某重型數(shù)控落地銑鏜床銑軸為例，對(duì)銑軸的多個(gè)失效模式進(jìn)行了不精確結(jié)構(gòu)可靠性分析、建模與計(jì)算。
　?。?）在混合不確定性統(tǒng)一量化框架下，針對(duì)機(jī)床零部件，提出了考慮多失效模式相關(guān)性的結(jié)構(gòu)可靠性建模與分析方法。失效模式

5、多樣且失效相關(guān)是機(jī)床零部件失效的普遍特征，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)失效相關(guān)性的研究基于大量故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，未考慮數(shù)據(jù)不足情況，這與重型數(shù)控機(jī)床實(shí)際數(shù)據(jù)特征不符。針對(duì)該問題，本文引入表征相關(guān)性的Copula函數(shù)于不精確結(jié)構(gòu)可靠性模型中，提出了考慮多失效模式相關(guān)的不精確結(jié)構(gòu)可靠性改進(jìn)模型，并將該改進(jìn)模型應(yīng)用到銑軸可靠性建模與分析中，實(shí)現(xiàn)了銑軸多失效模式相關(guān)性分析與計(jì)算，通過與失效獨(dú)立條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了工程實(shí)際中考慮失效相關(guān)的必要性。
　

6、?。?）重型數(shù)控機(jī)床整機(jī)及其子系統(tǒng)的可靠性仍受到混合不確定性因素影響，且各子系統(tǒng)失效相互關(guān)聯(lián)，本文綜合考慮以上兩個(gè)因素，以零部件混合不確定性統(tǒng)一量化、零部件不精確結(jié)構(gòu)可靠性建模、零部件失效相關(guān)性分析為基礎(chǔ)，提出了同時(shí)考慮混合不確定性和失效相關(guān)性的系統(tǒng)可靠性建模與分析方法，并分別建立了典型系統(tǒng)不精確可靠性模型、基于故障樹分析的系統(tǒng)不精確可靠性模型；重型數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)組成零部件眾多，對(duì)各個(gè)零部件均進(jìn)行故障相關(guān)性分析，工作量巨大，本文借助于

7、DEMATEL方法，分析了主軸系統(tǒng)各個(gè)零部件的故障重要程度、零部件故障關(guān)聯(lián)程度，以銑軸組件為研究重點(diǎn)，完成了銑軸組件的不精確可靠性建模與分析。
　?。?）重型數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)研制階段經(jīng)過“設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-改進(jìn)-再設(shè)計(jì)-再試驗(yàn)”、“研制-測(cè)試-改進(jìn)-再研制-再測(cè)試”的重復(fù)過程，其可靠度不斷增長，前一增長階段的可靠性信息可作為下一階段可靠性增長的評(píng)定依據(jù)，考慮到數(shù)據(jù)不足時(shí)先驗(yàn)分布無法精確確定，本文采用不精確Dirichlet先驗(yàn)分布族表征先