（重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

1 可靠性試驗的目的及意義

可靠性試驗是指為了評價、分析和提高產(chǎn)品可靠性而進行的各種試驗活動的總稱，其目的如下：

（1）確定產(chǎn)品在預期工作條件下可靠性的特征量；

（2）驗證產(chǎn)品是否符合設計或合同規(guī)定的可靠性指標要求[1]；

（3）發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計、材料和工藝方面的各種缺陷，為改善產(chǎn)品的性能，提高可靠性水平，減少維修及保障費用提供科學依據(jù)[2]。

當設備剛生產(chǎn)出來時，在理想情況下，它應該滿足合同或任務書對它的可靠性要求，實際情況遠非如此。據(jù)美國人經(jīng)驗：大型的電子-機械系統(tǒng)的首臺樣機，初期平均故障間隔時間（mean time between failure，MTBF）通常只有設計值的1/10左右，必須經(jīng)過一系列的可靠性試驗，糾正和改進存在的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，才能使產(chǎn)品的可靠性逐步提高到設計要求值[3]。據(jù)統(tǒng)計，在各種失效原因中，零部件的缺陷，工藝缺陷，設計缺陷大體上各占1/3左右，糾正這些缺陷，使產(chǎn)品的可靠性逐步增長到要求的值，所花費的可靠性試驗時間大體上是要求的MTBF值的5～25倍左右。

2 可靠性試驗概述

2.1 可靠性試驗相關(guān)概念

(1)故障

故障是指：

①產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，不能完成其規(guī)定的功能；

②產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，一個或者幾個性能參數(shù)不能保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；

③產(chǎn)品在規(guī)定的應力范圍內(nèi)工作時，導致產(chǎn)品不能滿足其規(guī)定要求的機械零部件、結(jié)構(gòu)件或元器件的破裂、斷裂、卡死等損壞狀態(tài)。圖1、2、3、4列舉了臥式加工中心中常見的幾類故障，分別為斷裂型、卡死型、超標型和泄漏型。

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺拉爪斷裂(折裂型)

圖2 刀庫撞刀(卡死型)

圖3 逆變器電流異常（超標型）

在可靠性試驗中發(fā)生的所有故障均應按關(guān)聯(lián)或非關(guān)聯(lián)進行分類，關(guān)聯(lián)故障是指在規(guī)定的試驗條件下，受試產(chǎn)品本身發(fā)生的故障，此種故障在解釋試驗結(jié)果或計算可靠性特征值時必須計入；非關(guān)聯(lián)故障是指不是由于受試產(chǎn)品本身引起，在規(guī)定試驗條件以外發(fā)生的故障，此種故障在解釋試驗結(jié)果或計算可靠性特征值時不應計入。

(2)剖面

數(shù)控機床壽命剖面是指機床從首次開始工作到壽命終結(jié)或者退出使用這段時問內(nèi)所要經(jīng)歷的各種事件和狀態(tài)的一種時序描述，與可靠性試驗相關(guān)的剖面概念如下所示：

①任務剖面 是對產(chǎn)品在完成規(guī)定任務這段時間所要經(jīng)歷的全部重要事件和狀態(tài)的一種時序描述。

②環(huán)境剖面 是產(chǎn)品在儲存、運輸、使用中將會遇到的各種主要環(huán)境參數(shù)和時間的關(guān)系圖，它主要依據(jù)任務剖面繪制。

③試驗剖面 是直接供試驗用的環(huán)境參數(shù)與時間的關(guān)系圖，是按照一定的規(guī)則對環(huán)境剖面進行處理后得到的，試驗剖面還考慮了任務剖面以外的環(huán)境條件。

(3)譜系

①零件譜 是指對數(shù)控機床加工對象中結(jié)構(gòu)、工藝特征相似的零件進行統(tǒng)計分析，得到其加工零件的類型(即零件簇)及其出現(xiàn)頻率。

②工況譜 是指數(shù)控機床加工不同零件時，其參與工作的機床關(guān)鍵功能部件的工作狀況及其工序、工步的出現(xiàn)頻率。

③載荷譜 是指數(shù)控機床加工不同零件時，其參與工作的機床功能部件所承受的各種載荷的分布狀況。

④故障譜 是指運用FTA、FMEA等分析手段以及故障診斷技術(shù)，分析得到的加工中心各部件出現(xiàn)的故障模式、故障頻率和故障原因。

⑤功能譜 是指數(shù)控機床在進行不同零件加工時，各部件功能的不同利用率。

(4)試驗應力

試驗應力是指可靠性試驗時對產(chǎn)品施加的環(huán)境應力和工作應力，其內(nèi)容包括：環(huán)境應力和工作應力的類型，大小(應力水平)、作用時間長短、施加頻率及次數(shù)、應力的次序等。可靠性試驗中主要考慮的環(huán)境應力和工作應力類型如下所示：

①環(huán)境應力是指產(chǎn)品在任一時刻和任一地點遇到的能夠誘發(fā)產(chǎn)品失效的因素，主要包括：高溫、低溫、高相對濕度、低相對濕度、高氣壓、低氣壓、加速度、振動、磁場、塵埃等。

②工作應力是指在規(guī)定工況下，產(chǎn)品承載的能夠誘發(fā)產(chǎn)品失效的各種因素，主要包括：電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、切削載荷、切削液流量、重復啟動次數(shù)、托盤交換次數(shù)、轉(zhuǎn)臺交換次數(shù)、主軸換刀次數(shù)等。

2.2 可靠性試驗

從20世紀50年代初采用單應力模擬的研制試驗與鑒定試驗，到20世紀70年代開始采用綜合應力模擬試驗，模擬試驗一直都是保證可靠性的主要試驗手段，由此發(fā)展而來的可靠性試驗稱為傳統(tǒng)試驗，可分為6個工作項目：環(huán)境應力篩選試驗、可靠性增長試驗、可靠性研制試驗、可靠性鑒定試驗、可靠性驗收試驗、壽命試驗等。

按照試驗的目的，可靠性試驗可分為工程試驗與統(tǒng)計試驗。工程試驗的目的在于暴露產(chǎn)品材料、設計、制造、裝配等方面存在的缺陷，提出改進措施，提高產(chǎn)品可靠性。統(tǒng)計試驗的目的是為了驗證產(chǎn)品的可靠性或者壽命是否達到規(guī)定的要求。

傳統(tǒng)可靠性試驗技術(shù)的成熟和應用使得產(chǎn)品可靠性有了大幅度的提高，與此同時傳統(tǒng)可靠性試驗試驗周期長，效率低的缺陷也暴露無遺。1967年美羅姆航展中心提出了加速壽命試驗方法[4]（accelerated life testing,ALT），其按試驗方法可分為恒定應力試驗、步進應力試驗、序進應力試驗等。1988年美國的HOBBS[5]提出了高加速壽命試驗（highly accelerated life testing,HALT）和高加速應力篩選（highly accelerated stress screening,HASS）。20世紀90年代美國波音公司正式提出可靠性強化試驗（reliability enhancement testing,RET）的概念和技術(shù)[6]，依據(jù)故障物理學，把故障或失效作為研究對象，通過人為的施加步進環(huán)境應力，加速激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，由于其理論和方法基本涵蓋了HALT和HASS的內(nèi)容，故很多學者認為RET是這類試驗的總稱[7]。20世紀90年代以后，在ALT的基礎上出現(xiàn)了一個全新的研究熱點——加速退化試驗[8]。加速可靠性試驗技術(shù)與傳統(tǒng)可靠性試驗一起構(gòu)成了完善的可靠性試驗體系。如圖5所示。

（1）環(huán)境應力篩選：是一種通過向電子產(chǎn)品施加合理的環(huán)境應力和電應力，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速成為故障，并通過檢驗發(fā)現(xiàn)和排除的過程，主要目的是為了發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品中不良元器件、制造工藝和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障。環(huán)境應力篩選是一種工藝手段，主要用于電子產(chǎn)品，不適用與機械產(chǎn)品。

（2）可靠性增長試驗：是為暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，有計劃、有目標地對產(chǎn)品施加模擬實際環(huán)境的綜合環(huán)境應力及工作應力，以激發(fā)故障，分析故障和改進設計與工藝，并驗證改進措施的有效性而進行的試驗。其目的是暴露產(chǎn)品中的潛在缺陷并采取糾正措施，使產(chǎn)品的可靠性得到穩(wěn)步增長。

（3）可靠性研制試驗：是通過向受試產(chǎn)品施加應力，將產(chǎn)品中存在的材料、元器件、設計和工藝缺陷激發(fā)成為故障，進行故障分析定位后，采取糾正措施加以排除，是一個試驗、分析、改進的過程，主要適用于新研制的產(chǎn)品。

（4）可靠性驗證試驗：包括可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗，兩種試驗都是應用數(shù)理統(tǒng)計的方法驗證產(chǎn)品可靠性是否符合規(guī)定要求，屬于統(tǒng)計試驗。其中，可靠性鑒定試驗是用來驗證產(chǎn)品在批準投產(chǎn)之前已經(jīng)符合規(guī)定的可靠性指標要求，并向訂購方提供合格證明；可靠性驗收試驗的目的是驗證批生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性是否保持在規(guī)定的水平。

（5）壽命試驗：為了測定產(chǎn)品在規(guī)定條件下的壽命所進行的試驗，其目的是驗證產(chǎn)品在規(guī)定條件下的使用壽命、儲存壽命。

（6）可靠性強化試驗：包括高加速應力篩選和高加速壽命試驗，是一種通過系統(tǒng)地施加逐步增大的環(huán)境應力和工作應力，激發(fā)和暴露產(chǎn)品設計中的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進設計和工藝，提高產(chǎn)品可靠性的試驗。通過采用比技術(shù)規(guī)范極限更加嚴酷的試驗應力加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，解決了傳統(tǒng)可靠性模擬試驗時間長、效率低及費用大等問題。

（7）加速壽命試驗：是在失效機理不變的基礎上，通過尋找產(chǎn)品壽命與應力之間的物理化學關(guān)系——加速模型，利用高應力水平下的壽命特征去外推或者評估正常應力水平下的壽命特征的試驗技術(shù)和方法，屬于統(tǒng)計試驗。

圖5 可靠性試驗體系

(8)加速退化試驗：是在失效機理不變的基礎上，通過尋找產(chǎn)品壽命與應力之間的關(guān)系(加速模型)，利用產(chǎn)品在高應力水平下的性能退化數(shù)據(jù)去外推和預測正常水平下的壽命特征的試驗技術(shù)和方法。

3 可靠性試驗技術(shù)規(guī)范

可靠性試驗規(guī)范是對產(chǎn)品實施可靠性試驗的依據(jù)，是進行可靠性試驗的技術(shù)準備，一般包括試驗目的、試驗要求、試驗設備、試驗方法和步驟、試驗結(jié)果分析等內(nèi)容，針對數(shù)控機床可靠性試驗的要求，試驗規(guī)范一般包括以下內(nèi)容：

(1)試驗目的和要求

產(chǎn)品在生命周期的不同階段具有不同的可靠性水平，對產(chǎn)品開展可靠性試驗應該根據(jù)產(chǎn)品研制階段或生產(chǎn)階段的不同、可靠性目標以及訂貨合同的要求，選擇合適的試驗類型和試驗方法，可靠性試驗的目的正是對開展可靠性試驗的出發(fā)點和最終目標的規(guī)范性表述。可靠性試驗要求是為保證可靠性試驗規(guī)范、合理、安全地進行對試驗過程提出的規(guī)范性要求。

(2)試驗對象的選擇

數(shù)控機床可靠性試驗根據(jù)試驗對象的不同可以分為整機可靠性試驗和功能部件可靠性試驗，當數(shù)控機床整機作為可靠性試驗對象時，其試驗樣機的選擇有如下原則：

①樣機必須有出廠合格證。

②樣機應是符合正常批量生產(chǎn)條件下生產(chǎn)的機床。

③樣機應是按正常使用工況使用的機床。

④樣機的使用單位應具有良好的設備管理水平。

任何產(chǎn)品的研制過程，都不可能對構(gòu)成產(chǎn)品的各項功能部件全部進行可靠性試驗，因此，必須考慮各功能部件的結(jié)構(gòu)特點、重要度、技術(shù)特點、復雜程度以及經(jīng)費等因素綜合權(quán)衡來確定可靠性試驗的對象，對于數(shù)控機床功能部件可靠性試驗對象選擇可參照以下原則進行：

①對數(shù)控機床可靠性、安全性及任務完成等有重大影響的功能部件。

②新研制且重要度較高的、較為復雜的、關(guān)鍵的、缺乏繼承性的或重大技術(shù)更改后的復雜關(guān)鍵功能部件。

③沿用其他型號但不能滿足新型號機床可靠性要求的功能部件。

④在研制階段暴露問題較多的功能部件。

(3)試驗剖面

試驗剖面是可靠性試驗規(guī)范和試驗方案的核心內(nèi)容，保證可靠性試驗對工況應力模擬的真實性，是試驗結(jié)果客觀真實的保障；同時試驗剖面的合理性直接關(guān)系到可靠性試驗方法的可行性和試驗規(guī)范的可操作性?？煽啃栽囼炂拭娴闹贫ㄖ饕ㄈ蝿掌拭娴闹贫ê铜h(huán)境剖面的制定，其中任務剖面的制定針對利用率高的功能部件，主要依據(jù)是試驗對象的功能譜和工況譜，環(huán)境剖面制定的關(guān)鍵在于試驗應力的選擇，試驗應力水平和應力施加方式的確定，這也是可靠性試驗方案設計的難點所在。

確定試驗應力首先應對受試產(chǎn)品預期將經(jīng)受的環(huán)境條件進行全面分析，并判定產(chǎn)品對哪些環(huán)境應力最為敏感。在制定試驗方案時，試驗應力的水平應按照實測應力一估計應力一參考應力這樣一個順序選取，并結(jié)合具體的試驗類型和試驗要求進行確定，其中實測應力指產(chǎn)品在實際使用中執(zhí)行典型任務時，在受試產(chǎn)品中實際測量到的應力數(shù)據(jù)；估計應力指在無法進行實測時，由相似產(chǎn)品實測應力數(shù)據(jù)估計而來的數(shù)據(jù)；參考應力指根據(jù)國標GJB 899A-一-2009給出的應力或按GJB 899A一2009提供的數(shù)據(jù)、公式和方法導出的應力。

對于數(shù)控機床，通常應按照規(guī)定將選定的各種環(huán)境應力和工作應力綜合于同一試驗時間和空間施加，常用的試驗應力有環(huán)境溫度、工作臺負載、切削液流量、數(shù)控轉(zhuǎn)臺分度頻率、托盤交換架交換頻率等。數(shù)控機床較大的體積給環(huán)境應力施加帶來了極大的難度，這對于考察機床在極寒、極熱等極端環(huán)境的可靠性帶來巨大的困難。對此，對環(huán)境因素敏感的零部件為試驗對象，參考電子產(chǎn)品環(huán)境應力施加方法專門對其進行試驗。

試驗剖面的例子見圖11所示。

(4)試驗裝置

數(shù)控機床是集機電液氣于一體化大型設備，其結(jié)構(gòu)復雜，零部件眾多，體積龐大，通用的試驗設備不能滿足個性化差異較大的數(shù)控機床的可靠性試驗要求。針對具體的試驗對象，設計相應的可靠性試驗裝置是開展可靠性試驗的基礎保證。臥式加工中心是一種典型的高檔數(shù)控機床，對其開展的可靠性試驗具有較強代表性，臥式加工中心整機可靠性試驗以模擬切削試驗和主軸加載試驗為主，功能部件可靠性試驗以數(shù)控轉(zhuǎn)臺、托盤交換架和刀庫為主，其相應的試驗裝置如下圖6、7、8、9所示。

圖6 數(shù)控機床加載試驗儀

（5）試驗方法及步驟

試驗方法和步驟是可靠性試驗的具體實施過程，依據(jù)試驗剖面利用試驗裝置，實現(xiàn)受試產(chǎn)品的運行、加載。其中主要包括：受試產(chǎn)品性能測試程序、受試產(chǎn)品及試驗裝置的布置安裝程序、試驗應力的加載運行程序、試驗監(jiān)測程序以及試驗結(jié)束后的整合歸置程序等。

（6）故障判據(jù)和故障處理程序

故障判據(jù)是對可靠性試驗過程中性能監(jiān)測指標及其范圍、常見故障制定的規(guī)定和說明，是判定試驗中關(guān)聯(lián)故障的依據(jù)。可靠性試驗中一旦發(fā)生故障必須停機，并對故障進行處理，故障處理程序就是對這一過程的規(guī)范性規(guī)定，數(shù)控機床可靠性試驗中常用故障處理程序如下圖10所示。

（7）試驗數(shù)據(jù)分析和試驗報告

試驗數(shù)據(jù)分析和試驗報告主要包括以下內(nèi)容：原始數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析報告、故障分析報告和可靠性試驗結(jié)果報告。

原始數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析主要是針對兩種類型的數(shù)據(jù)，一是性能數(shù)據(jù)記錄及分析，二是故障數(shù)據(jù)記錄及分析。受試產(chǎn)品性能指標會隨著試驗的進展和應力的變化而變化，研究其在規(guī)定應力剖面下的性能退化規(guī)律是獲得產(chǎn)品可靠性特征的重要途徑，這也是加速退化試驗的基本原理。故障數(shù)據(jù)分析主要以對故障發(fā)生時間進行分布擬合為主，選定合適的分布模型，對故障時間分布進行參數(shù)擬合，得到產(chǎn)品可靠性特征值，常用的分布模型有威布爾模型、指數(shù)模型等。故障分析報告由試驗人員和產(chǎn)品設計人員共同完成，利用FTA、FMEA等方法結(jié)合試驗中出現(xiàn)的特定故障，進行故障原因、故障缺陷及改進措施分析?？煽啃栽囼灲Y(jié)果報告是對可靠性試驗過程的總結(jié)性描述，是對試驗方案及過程的反思，主要包括對試驗過程的描述、對試驗數(shù)據(jù)的記錄整理、對故障缺陷及改進措施的陳述、對試驗方法和試驗執(zhí)行過程存在的問題的總結(jié)等內(nèi)容。

4 實例分析

以臥式加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性試驗為例，對其可靠性試驗中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行論述。臥式加工中心連續(xù)分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的試驗剖面模擬轉(zhuǎn)臺夾緊缸放松、分度、夾緊缸夾緊、拉爪松開、拉爪拉緊五個功能動作?？煽啃栽囼瀾Φ脑O定按試驗條件中規(guī)定設定，試驗過程中，設置了4個旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)臺進行正轉(zhuǎn)分度、反轉(zhuǎn)分度、正反交替分度動作循環(huán)，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的可靠性強化試驗綜合剖面詳見圖11。表1中包含了應力水平和試驗時間、相鄰分度動作的間隔時間、拉爪松開時間。

圖7 加工中心刀庫可靠性試驗平臺

圖8 托盤交換架可靠性試驗臺架

圖11 連續(xù)分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性強化試驗綜合應力剖面

表1 綜合應力剖面參數(shù)

按照上述試驗剖面的參數(shù)設置，總共對3臺數(shù)控轉(zhuǎn)臺同時進行了750 h的可靠性強化試驗，3臺轉(zhuǎn)臺因性能參數(shù)超標和功能喪失全部發(fā)生故障，依次在第78h、210h、325h、439h、514h、593h、746h共發(fā)生7次故障，故障分析見表2。

表2 故障失效分析

通過對數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性試驗的故障進行分析后，發(fā)現(xiàn)了數(shù)控轉(zhuǎn)臺的故障薄弱點是罩殼的密封不可靠、渦輪蝸桿副的溫升和磨損以及液壓系統(tǒng)的泄露，并針對失效模式找到了失效原因，提出具體的改進措施來消除產(chǎn)品的缺陷。

5 結(jié)束語

本文針對數(shù)控機床可靠性試驗問題，詳細介紹了與可靠性試驗相關(guān)的概念、可靠性試驗體系的組成和常見類型的可靠性試驗的概念，本文中的可靠性試驗規(guī)范介紹是在重慶大學可靠性團隊研究成果的基礎上進行的，為實施數(shù)控機床可靠性試驗提供了充實的知識準備，更為可靠性試驗方案制定提供了有效的技術(shù)手段。對數(shù)控機床實施可靠性試驗，提高產(chǎn)品的可靠性是實現(xiàn)高檔數(shù)控裝備國產(chǎn)化的必經(jīng)之路。

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