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数控机床可靠性及维修性的模糊综合分配与预计

2019-05-15

数控机床是实现装备制造业现代化的关键设备,是装备制造业发展的重中之重。目前,由于国产数控机床的可靠性与环球水平存在较大差距,导致中数控机床及其数控系统和关键功能部件主要依赖。可靠性水平已成为严重制约国产中数控机床发展的关键因素,提高国产数控机床的可靠性迫在眉睫。

对于数控机床这类可修理产品来说,不但要求产品少发生故障,还要在发生故障后能够快速修理,所以需开展既包含可靠性也包含维修性的广义可靠性研究。开展可靠性工作的经验表明:要提高产品的可靠性,关键在于做好产品的可靠性设计工作。其中,可靠性分配和预计作为可靠性设计中的指导性和基础性工作,需要在设计的各个阶段大量运用,从而推动各项可靠性设计工作开展,以确保设计并生产出满足规定可靠性指标要求的产品。目前,国内的机床企业虽然开展了一些具体的可靠性设计工作,但由于现有数据的缺失和方法的不完善,多数企业并没有开展的可靠性分配和预计工作,从而导致机床各组成部分的可靠性要求不明确。分散的可靠性工作花费了大量的人力和物力,但是效果却并不显著。针对上述情况,本文结合国度科技重大专项课题“高速/精密数控机床可靠性设计与性能试验技术”的任务需求,通过对数控机床设计阶段应开展的广义可靠性(可靠性和维修性)工作进行分析,研究制定了数控机床设计阶段的可靠性和维修性工作流程,将可靠性建模、故障分析、定量指标的制定、可靠性及维修性的分配与预计等工作联系起来,并研究了数控机床可靠性及维修性的分配和预计技术。论文的研究工作主要包括以下几个方面:

(1)针对传统的按故障率和设计特性的维修性分配法对所有维修性设计特性等同考虑,且这些设计特性难以定量分析的问题,本文对这一方法进行了改进。在传统方法只考虑故障检测方式、可达性、可替换性、可调整性四种定性因素的基础上,增加了复杂程度和危害程度两种定量因素。综合考虑上述因素,建立了维修性加权因子综合评判模型;按各个因素对维修性影响程度的大小,采用区间层次分析法为各个因素赋予了权重,使用模糊综合评判的方法求出了各个子系统的加权因子;结合各子系统的可靠性分配值和维修性加权因子计算出了各个子系统应分配的维修性指标。使用该方法对研制对象进行了维修性分配,解决了传统方法存在不确定性的难题。

(2)针对现阶段数控机床各子系统的维修数据完整程度存在较大差异的情况,本文提出了一种基于数据完整程度的数控机床维修性预计方法。和传统方法较大的区别是:传统方法针对零部件进行分析,该方法针对具体的故障模式进行分析,相比较来说数据较充分,准确性较高。针对维修数据完整程度不同的子系统,分别采用功能层次预计法和单元对比预计法来进行维修性预计。然后结合实例进行了数控机床的维修性预计。该方法为数控机床领域开展维修性预计提供了一种新思路,克服了现阶段维修性数据严重缺乏,单纯使用一种方法预计精度较差的问题。

(3)根据数控机床设计过程各个阶段的任务分析,制定了相应的可靠性和维修性设计工作流程,归纳了制定数控机床可靠性和维修性指标时需要考虑的因素。结合可靠性工作的特点对数控机床进行了层次划分,明确了各个子系统的结构和组成,为开展故障分析、可靠性分配和预计等工作打下了基础。

(4)分析了可靠性数据的来源,制定了数控机床现场数据的收集方法,结合该方法对现有同类机床进行了现场可靠性试验,采集了大量的故障和维修数据。基于采集到的故障数据建立了故障间隔时间的分布模型,并通过图形法和解析法两种方法进行了模型检验,得出该批产品故障间隔时间服从尺度参数563.21,形状参数1.057的两参数威布尔分布。通过对产品进行FMECA分析,求出了各个子系统的危害度。其中进给系统是危害度大的子系统,其次依次为自动换刀系统、电气系统和主轴系统。在新产品时应分析如何降低这些子系统的故障率。

(5)结合数控机床的层次划分情况建立了整机的可靠性框图及其数学模型。为了解决数控机床可靠性分配过程中存在多种影响因素,且有些因素难以定量分析的问题,研究了一种将区间分析、模糊综合评判和层次分析法相结合的数控机床可靠性分配方法。综合考虑了故障频繁性、故障危害性、维修性、复杂性、技术水平、费效比等多种影响因素,根据影响程度的大小给每个因素赋予相应的权重;综合利用现场试验信息和专家经验,使用模糊区间数代替实数表达不确定信息,建立了数控机床可靠性分配模型。使用该方法对研制对象进行了可靠性分配。结果表明该方法是可行的,能解决目前数控机床可靠性分配中存在的主要问题。

(6)针对传统相似比较法用于数控机床可靠性预计时,预计对象和相似产品之间可靠性水平的差异程度难以准确评定的问题,提出了一种引入区间层次分析的数控机床可靠性预计方法。起先分析了整机和子系统的可靠性关系,建立了整机的可靠性预计模型。在子系统可靠性预计过程中,充分利用了相似产品的可靠性数据。建立了可靠性修正因子评估模型,从设计、生产、使用、管理、产品结构等方面综合分析了评价对象和相似产品之间的差异,并通过使用区间层次分析法求出了可靠性修正因子,实现了确定性信息和模糊信息的互补。结合四台相似产品进行了主轴部件的可靠性预计,验证了该方法的可行性。