面向重型數(shù)控機床的服役可靠性評估方法及增長技術(shù)研究.pdf

1、重型數(shù)控機床主要用于大型零部件的加工,是國防軍工、航天、船舶、能源、機械等國家重點企業(yè)的當家把關(guān)裝備。由于重型數(shù)控機床是集成機械、電氣、液壓、和信息等多項技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品,具有樣本少、結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量大、壽命長、故障多樣等特點。傳統(tǒng)的可靠性評估方法(基于失效數(shù)據(jù))所需樣本多,且對于可靠性高、壽命長的產(chǎn)品評估難度較大。因此僅僅采用基于失效的可靠性評估方法難以真實全面的反映重型數(shù)控機床可服役可靠性的變化情況。為解決這一問題,本文提出了基于

2、―故障‖―加工穩(wěn)定性‖―性能保持性‖三個角度的不同的可靠性評估方法來全面的評估重型數(shù)控機床的服役可靠性,對重型數(shù)控機床提供具有指導意義的可靠性評估結(jié)果。在可靠性評估的基礎(chǔ)上,對重型數(shù)控機床的可靠性增長技術(shù)進行了研究,提出了基于FMEA的維修策略優(yōu)化方法和基于加工過程非線性動力學模型的多目標加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法,從而在維修和控制參數(shù)的角度對重型數(shù)控機床的服役可靠性進行了提高。
　　本文圍繞基于失效、動態(tài)特性參數(shù)、性能劣化參數(shù)的三種可

3、靠性評估方法,構(gòu)建了重型數(shù)控機床服役可靠性評估體系,開展了基于―故障‖―加工穩(wěn)定性‖和―性能保持性‖的重型數(shù)控機床服役可靠性評估和可靠性增長技術(shù)研究,具體內(nèi)容包括:
　　(1)給出了重型數(shù)控機床服役可靠性的定義,并從狹義可靠性、性能可靠性、維修可靠性、可用性四個角度建立了比較全面的重型數(shù)控機床的可靠性評估指標體系。從―故障‖―加工穩(wěn)定性‖―性能保持性‖三個不同的角度論述了重型數(shù)控機床可靠性的評估問題,并對三個不同角度出發(fā)的可靠性評

4、估方法進行了國內(nèi)外的研究概況分析。
　　(2)從―故障‖的角度對重型數(shù)控機床服役可靠性進行分析,并基于重型數(shù)控機床失效數(shù)據(jù)進行可靠性評估,得到機床的各項可靠性指標。該評估方法通過繪制多臺重型數(shù)控機床生產(chǎn)加工中的故障間隔時間及維修時間數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)及累計概率密度函數(shù)的散點圖,通過對比排除法得到該類型重型數(shù)控機床的故障間隔時間和維修時間可能遵循的幾類分布模型。通過K-S假設(shè)檢驗驗證各假設(shè)分布的正確性并最終得到機床故障間隔時間和維修

5、時間所滿足的分布模型。由此可計算出重型數(shù)控機床的多項可靠性指標。
　　(3)從―加工穩(wěn)定性‖的角度對重型數(shù)控機床進行可靠性分析,通過基于機床動態(tài)特性參數(shù)的可靠性評估方法對機床的工藝可靠性進行了評估。該評估方法分析了機床-刀具-工件系統(tǒng)的振動特性并建立了機床加工過程的非線性動力學模型,通過激勵試驗和切削實驗得到頻率響應(yīng)函數(shù)和切削力與進給速度之間的非線性關(guān)系,進而通過擬合和參數(shù)辨識得到機床的固有動態(tài)特性參數(shù)(固有頻率、阻尼和剛度系數(shù))

6、和切削力模型參數(shù)。將各項參數(shù)代入到加工過程非線性動力學模型后求解得到機床的仿真振動曲線,用實際振動曲線對仿真曲線進行驗證后,并由仿真曲線求得機床在指定工況下的工藝可靠性指標值。
　　(4)分析重型數(shù)控機床在使用過程中的性能劣化現(xiàn)象,從―性能保持性‖的角度分析了對重型數(shù)控機床的可靠性,基于性能劣化數(shù)據(jù)進行機床的可靠性評估。采用隱馬爾科夫鏈模型(HMM)描述機床的性能劣化過程與機床運行狀態(tài)的隱含關(guān)系,根據(jù)機床的少樣本多性能的特點,對標

7、準隱馬爾科夫鏈模型進行改進,得到可用于多性能多序列訓練的馬爾科夫鏈模型,經(jīng)過對多臺重型數(shù)控機床的多項關(guān)鍵性能參數(shù)數(shù)據(jù)的訓練得到模型的參數(shù)估計值,然后基于此模型進一步計算得到該類重型數(shù)控機床的各狀態(tài)概率變遷曲線和性能可靠度變遷曲線。
　　(5)分析維修對重型數(shù)控機床可靠性增長的影響,提出了基于模糊故障影響圖的FMEA分析法,在FMEA分析結(jié)果的基礎(chǔ)上充分考慮維修的成本、耗時等因素,針對不同的故障模式對可靠性的影響采用不同的維修策略,

8、在保證有效提高可靠性的同時能更好的節(jié)約維修時間和維修成本。
　　(6)分析不同的加工工藝參數(shù)對加工穩(wěn)定性的影響,提出優(yōu)化加工工藝參數(shù)組合達到提高重型數(shù)控工藝可靠性的目的。同時,本文還將加工過程中的生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本、加工尺寸精度以及表面粗糙度等因素引入到加工工藝參數(shù)的優(yōu)化過程中,構(gòu)建了基于加工過程非線性動力學模型的多目標加工工藝參數(shù)優(yōu)化模型,并通過網(wǎng)格尋優(yōu)算法對加工工藝參數(shù)的可行域進行尋優(yōu),由此得到更穩(wěn)定、更快速、更低成本的加工工藝