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

1、重型數(shù)控機床肩負著眾多關系國民經濟與國防安全的行業(yè)產品及關鍵零部件的加工制造，其質量、性能和技術水平是衡量一個國家工業(yè)化水平和綜合經濟實力的重要標志。國產重型數(shù)控機床經過多年的發(fā)展已取得一定成就，但由于國產重型數(shù)控機床科技創(chuàng)新不足，基礎實驗條件缺乏，高級人才匱乏，尖端核心技術尚未突破，其在使用過程中不斷暴露出早期故障頻發(fā)、質量穩(wěn)定性差、維護成本高等問題，這些問題給重型數(shù)控機床用戶帶來系列困難和挑戰(zhàn)，并直接導致我國國產重型數(shù)控機床可靠性差

2、、產品附加值低、產業(yè)化能力弱、國際競爭力不強等惡劣局面。現(xiàn)有數(shù)控機床可靠性技術體系多是針對中小型數(shù)控機床構建，針對重型數(shù)控機床可靠性技術的研究尚未深入開展。由于重型數(shù)控機床在結構形式、加工任務等方面與中小型數(shù)控機床大有不同，現(xiàn)有可靠性技術不能直接應用。因此，亟需針對重型數(shù)控機床結構功能特點，開展重型數(shù)控機床可靠性技術體系研究。
　　可靠性建模與分析是重型數(shù)控機床可靠性技術體系的關鍵組成部分。重型數(shù)控機床可靠性建模與分析是在綜合研究

3、機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，結合重型數(shù)控機床結構功能特點，建立數(shù)學模型來對其可靠性進行分析和評定的過程。相對于普通數(shù)控機床，重型數(shù)控機床可靠性建模與分析具有系統(tǒng)結構復雜、整機及關鍵零部件樣本少、試驗數(shù)據(jù)不足、信息不全、可靠性數(shù)據(jù)類型多樣、故障機理復雜且故障相關等難點。針對以上重型數(shù)控機床可靠性研究難點，本文主要開展以下研究工作：
　　（1）以重型數(shù)控機床主軸為研究對象，分析了影響重型數(shù)控

4、機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，基于應力-強度干涉理論，提出了針對機床零部件的不精確結構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，對銑軸的多個失效模式進行了不精確結構可靠性分析、建模與計算。
　?。?）在混合不確定性統(tǒng)一量化框架下，針對機床零部件，提出了考慮多失效模式相關性的結構可靠性建模與分析方法。失效模式

5、多樣且失效相關是機床零部件失效的普遍特征，現(xiàn)有文獻對失效相關性的研究基于大量故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，未考慮數(shù)據(jù)不足情況，這與重型數(shù)控機床實際數(shù)據(jù)特征不符。針對該問題，本文引入表征相關性的Copula函數(shù)于不精確結構可靠性模型中，提出了考慮多失效模式相關的不精確結構可靠性改進模型，并將該改進模型應用到銑軸可靠性建模與分析中，實現(xiàn)了銑軸多失效模式相關性分析與計算，通過與失效獨立條件下的計算結果進行對比，驗證了工程實際中考慮失效相關的必要性。
　

6、?。?）重型數(shù)控機床整機及其子系統(tǒng)的可靠性仍受到混合不確定性因素影響，且各子系統(tǒng)失效相互關聯(lián)，本文綜合考慮以上兩個因素，以零部件混合不確定性統(tǒng)一量化、零部件不精確結構可靠性建模、零部件失效相關性分析為基礎，提出了同時考慮混合不確定性和失效相關性的系統(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)控機床主軸系統(tǒng)組成零部件眾多，對各個零部件均進行故障相關性分析，工作量巨大，本文借助于

7、DEMATEL方法，分析了主軸系統(tǒng)各個零部件的故障重要程度、零部件故障關聯(lián)程度，以銑軸組件為研究重點，完成了銑軸組件的不精確可靠性建模與分析。
　?。?）重型數(shù)控機床在設計研制階段經過“設計-試驗-改進-再設計-再試驗”、“研制-測試-改進-再研制-再測試”的重復過程，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定依據(jù)，考慮到數(shù)據(jù)不足時先驗分布無法精確確定，本文采用不精確Dirichlet先驗分布族表征先