陳 浩 張 蔚 權(quán) 潔 蔣清海

(①常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇常州213164；②南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

在高速精密沖床研制過(guò)程中，可靠性水平難以立即達(dá)到指標(biāo)要求[1]，需要“試驗(yàn)——改進(jìn)——再試驗(yàn)”這一循環(huán)過(guò)程[2]，來(lái)暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和外購(gòu)件等方面的故障，通過(guò)有針對(duì)性地糾正故障及隱患，使得高速?zèng)_床可靠性水平不斷提高，即實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

可靠性增長(zhǎng)技術(shù)在提升系統(tǒng)的可靠性方面發(fā)揮著重要作用，備受工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注。美國(guó)通用電氣公司的工程師Duane提出了具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的Duane模型[3]。美國(guó)陸軍裝備系統(tǒng)分析中心的Crow基于NHPP提出了美國(guó)陸軍裝備系統(tǒng)分析中心模型(AMSAA，army materiel system analysis activity)[4]。 這兩個(gè)模型為開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)分析奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)可靠性增長(zhǎng)技術(shù)的研究不斷地深入。Duane模型與AMSAA模型屬于連續(xù)模型，主要針對(duì)的是可修系統(tǒng)，為了克服這一局限，文獻(xiàn)[5-7]給出了成敗系統(tǒng)離散可靠性增長(zhǎng)模型的貝葉斯評(píng)估方法。另外，為了克服AMSAA模型不適用試驗(yàn)中引入延緩改進(jìn)措施的評(píng)估，文獻(xiàn)[8]深入研究了離散系統(tǒng)含延緩糾正的可靠性增長(zhǎng)問(wèn)題，在學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了很大影響；文獻(xiàn)[9]給出了在任意改進(jìn)措施條件下，復(fù)雜系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)的貝葉斯模型。在可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)，為了提高試驗(yàn)效率，會(huì)有多臺(tái)產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，所以文獻(xiàn)[10]基于多層Bayes估計(jì)法、加權(quán)最小二乘估計(jì)法和AMSAA模型，提出了多臺(tái)同型產(chǎn)品同步糾正可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法。上述研究都基于同一階段的增長(zhǎng)信息，為充分利用不同階段試驗(yàn)信息對(duì)系統(tǒng)的最終可靠性做出科學(xué)的評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[11]基于新Dirichlet先驗(yàn)分布建立了一種適合復(fù)雜系統(tǒng)異總體可靠性增長(zhǎng)分析的Bayesian模型。除上述文獻(xiàn)外，文獻(xiàn)[12-14]從不同角度研究了可靠性增長(zhǎng)過(guò)程中的可靠性預(yù)測(cè)問(wèn)題。

上述可靠性增長(zhǎng)理論研究在軍工類產(chǎn)品上應(yīng)用較多，而在民用產(chǎn)品上則應(yīng)用相對(duì)較少，尤其是高速?zèng)_壓設(shè)備類鮮有提及。因此，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某型高速重型精密沖床研制期間可靠性較低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)高速?zèng)_床可靠性試驗(yàn)，選用AMSAA模型作為可靠性增長(zhǎng)模型，根據(jù)高速?zèng)_床各子系統(tǒng)的特點(diǎn)搭建可靠性測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的故障進(jìn)行及時(shí)地糾正與改進(jìn)，使得改進(jìn)后的高速?zèng)_床的MTBF達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

1 高速?zèng)_床可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)綜合應(yīng)力剖面設(shè)計(jì)

高速?zèng)_床主要承受周期性的沖擊載荷，該沖擊載荷的主要兩個(gè)特征量是載荷大小和沖擊頻率。由于廠家建議用戶在實(shí)際使用時(shí)高速?zèng)_床工作過(guò)程中載荷與行程次數(shù)都不要超過(guò)最大值的75%。基于上述原因，設(shè)計(jì)了某型高速?zèng)_床試驗(yàn)剖面如圖1所示。行程次數(shù)分為4個(gè)等級(jí):60行程/min、90行程/min、120行程/min和150行程/min；載荷分為4個(gè)等級(jí)0、1 500 kN、3 000 kN和4 500 kN。該型高速?zèng)_床的最高行程次數(shù)為200行程/min，公稱壓力7 500 kN。液壓系統(tǒng)壓力、潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力與氣動(dòng)系統(tǒng)氣壓都根據(jù)實(shí)際使用工況設(shè)定。

1.2 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)計(jì)劃

該系列其他型號(hào)高速?zèng)_床的平均故障間隔MTBF＝500 h左右[15]，如果僅依靠可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)使得該新型機(jī)床的MTBF達(dá)到500 h，成本將會(huì)較高。鑒于此，該新型機(jī)床以MTBF＝400 h作為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的目標(biāo)，余下的可靠性增長(zhǎng)任務(wù)將在后期用戶使用一年過(guò)程中完成。根據(jù)GJB 1407《可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)》規(guī)定的增長(zhǎng)試驗(yàn)方案，總試驗(yàn)時(shí)間為增長(zhǎng)目標(biāo)MTBF的5～25倍，同樣考慮到試驗(yàn)成本，取試驗(yàn)時(shí)間為5倍的目標(biāo)MTBF，即2 000 h，后期會(huì)根據(jù)可靠性增長(zhǎng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2 可靠性增長(zhǎng)模型的選取

在可維修系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，常用的可靠性增長(zhǎng)模型有Duane模型和AMSAA模型。與Duane模型相比，AMSAA模型能夠?qū)?shù)進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)，且參數(shù)估計(jì)精度高。因此，本文選取AMSAA模型作為高速?zèng)_床的可靠性增長(zhǎng)模型。

2.1 AMSAA模型的數(shù)學(xué)描述

AMSAA模型有兩個(gè)假定[2]:

(1)可修系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)期(0，t]內(nèi)的失效次數(shù)N(t)是有均值函數(shù)EN(t)＝v(t)＝atb及瞬時(shí)失效強(qiáng)度λ(t)＝d EN(t)/d t＝abtb-1的非齊次泊松過(guò)程:

(2)可修系統(tǒng)T時(shí)刻定型后，其失效時(shí)間服從指數(shù)分布，即 λ(t)＝ abTb-1，t≥T。

設(shè)在開(kāi)發(fā)期(0，T]內(nèi)，系統(tǒng)相繼的失效時(shí)間為0＝t0＜t1＜t2＜…＜tn，失效時(shí)間間隔△ti＝ti-ti-1，i＝ 1，2，…，n。對(duì)于AMSAA模型來(lái)說(shuō)，當(dāng)0＜b＜1時(shí)，失效時(shí)間間隔△ti隨機(jī)增加，系統(tǒng)處于可靠性增長(zhǎng)過(guò)程；當(dāng)b＞1時(shí)，失效時(shí)間間隔△ti隨機(jī)減小，系統(tǒng)處于可靠性下降過(guò)程；當(dāng)b＝1時(shí)，λ(t)＝a，非齊次泊松過(guò)程退化為泊松過(guò)程，失效時(shí)間間隔△ti服從指數(shù)分布，系統(tǒng)可靠性沒(méi)有增長(zhǎng)趨勢(shì)，也沒(méi)有下降趨勢(shì)。

2.2 定時(shí)截尾試驗(yàn)情形

設(shè)系統(tǒng)的失效時(shí)間依次為 0＝t0＜t1＜t2＜…＜tn＜T。對(duì)于 t＞s，N(s，t)＝ N(t)-N(s)服從均值為 E(N(t))-E(N(s))的泊松分布，在無(wú)窮小的區(qū)間(t，t+d t)內(nèi)，發(fā)生失效的概率為λ(t)d t?？紤]威布爾過(guò)程的獨(dú)立增量性，可得到定時(shí)截尾數(shù)據(jù)(t1，t2，…，tn，T)的似然函數(shù):

因此，得到a和b的極大似然估計(jì):

因此，當(dāng)t＞T時(shí)，系統(tǒng)不再改進(jìn)，其MTBF的M(t)估計(jì)為:

M(t)的區(qū)間估計(jì)為(ML，MU)，其中 ML、MU分別表示的是區(qū)間的下限和上限，ML＝ρ1M︿(T)，MU＝ρ2M︿(T)，ρ1和ρ2為AMSAA模型失效截尾區(qū)間估計(jì)系數(shù)，可從文獻(xiàn)[1]中查取。

2.3 Cramer-Von Mises檢驗(yàn)

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為:

3 高速?zèng)_床可靠性試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障，并為故障分析提供依據(jù)，搭建了高速?zèng)_床的可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，在試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)高速?zèng)_床的性能變化。

3.1 測(cè)試內(nèi)容

高速?zèng)_床主要包括以下幾個(gè)子系統(tǒng):傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)主要性能參數(shù)為滑塊3個(gè)方向的動(dòng)態(tài)精度、軸瓦溫度和電動(dòng)機(jī)軸扭矩，電氣系統(tǒng)主要性能參數(shù)為變頻器電流和電壓，氣動(dòng)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)為離合制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓和平衡缸的氣壓，潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要性能參數(shù)為曲軸潤(rùn)滑油壓、銷軸油壓和油箱溫度，液壓系統(tǒng)的性能參數(shù)為系統(tǒng)油壓；另外，為了監(jiān)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷情況，需要測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變。因此，根據(jù)各子系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，確定了高速?zèng)_床可靠性試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試內(nèi)容如圖2所示。

3.2 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

根據(jù)測(cè)試內(nèi)容，搭建的高速?zèng)_床可靠性試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。動(dòng)態(tài)精度測(cè)試分為三類:x(前后)、y(左右)方向動(dòng)態(tài)精度，z(豎直)方向動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平行度，根據(jù)各自的特點(diǎn)選用位移傳感器、光電開(kāi)關(guān)結(jié)合虛擬儀器的方式對(duì)x、y方向動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行測(cè)量，采用位移傳感器對(duì)z方向動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平行度進(jìn)行測(cè)量。軸瓦與油箱的溫度采用鉑敏電阻結(jié)合虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量。變頻器的電參數(shù)采用電流鉗與電壓衰減探針結(jié)合虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量。油壓、氣壓采用壓力傳感器結(jié)合虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量。電動(dòng)機(jī)扭矩與關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變采用應(yīng)變片結(jié)合必創(chuàng)的無(wú)線扭矩節(jié)點(diǎn)與無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

4 高速?zèng)_床可靠性試驗(yàn)

4.1 故障分析與改進(jìn)措施研究

以某新型高速精密沖床為研究對(duì)象，在上文搭建的可靠性試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，按照?qǐng)D1試驗(yàn)剖面進(jìn)行了可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。圖1中的每種應(yīng)力進(jìn)行8 h試驗(yàn)，一個(gè)試驗(yàn)周期為128 h。計(jì)劃試驗(yàn)時(shí)間2 000 h，由于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)評(píng)估發(fā)現(xiàn)機(jī)床MTBF未達(dá)到目標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算將試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至2 250 h。試驗(yàn)期間共出現(xiàn)了11次故障，對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，制定并實(shí)施了改進(jìn)措施。具體故障與改進(jìn)措施如表1所示。

4.2 可靠性增長(zhǎng)分析

高速?zèng)_壓機(jī)床可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的計(jì)劃試驗(yàn)時(shí)間為2 000 h，通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)機(jī)床的MTBF并未達(dá)到目標(biāo)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算將試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至2 250 h。試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)床故障時(shí)間如表2所示，故障數(shù)n＝11，試驗(yàn)定時(shí)截尾時(shí)間T＝2 250 h。

表2 高速?zèng)_壓機(jī)床故障時(shí)間

(1)趨勢(shì)檢驗(yàn):使用拉普拉斯檢驗(yàn)法。將M＝n＝11，T＝2 250 h以及失效時(shí)間ti代入下式:

取α＝0.20，查表得到趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的臨界值μα/2＝-1.645。 由于 μ＜μα/2，故以顯著性水平 0.10 表明，產(chǎn)品可靠性具有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)參數(shù)估計(jì):根據(jù)公式(3)得到a和b的極大似然估計(jì)為＝0.147 6 和＝0.560 1，根據(jù)公式(4)得到a和b的無(wú)偏量估計(jì)為a-＝0.218 5和b-＝0.509 2。

(3)擬合優(yōu)度檢驗(yàn):采用Cramer-Von Mises檢驗(yàn)。首先，將M＝n＝11和T＝2 250 h，以及表2中的失效時(shí)刻ti代入公式(6)，計(jì)算出＝0.036 9。取顯著性水平 α＝0.1，查表得到臨界值＝ 0.167。 因此有C2＜0.167＝，表明擬合優(yōu)度以0.9的置信水平接受AMSAA模型，即可以采用AMSAA模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4)MTBF的點(diǎn)估計(jì):試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，根據(jù)公式(5)，計(jì)算出機(jī)床 MTBF的點(diǎn)估計(jì)為401.69 h。

表1 故障與改進(jìn)措施

(5)MTBF的區(qū)間估計(jì)。取置信水平γ＝0.90，查表可得AMSAA模型的失效截尾區(qū)間估計(jì)系數(shù)ρ1＝0.489 2，ρ2＝2.127。 因此，可以計(jì)算得到 MTBF 的置信區(qū)間的下限為 ML＝ρ1M︿(T)＝ 196.51 h，上限為 MU＝ρ2M︿(T)＝ 854.39 h。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了高速?zèng)_床可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)剖面和試驗(yàn)計(jì)劃，選取了AMSAA模型作為高速?zèng)_床可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的增長(zhǎng)模型。為能在試驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并給故障分析提供依據(jù)，根據(jù)高速?zèng)_床各子系統(tǒng)的特點(diǎn)搭建了高速?zèng)_床可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，基于此進(jìn)行了可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)?？煽啃栽鲩L(zhǎng)試驗(yàn)共進(jìn)行了2 250 h，試驗(yàn)期間共出現(xiàn)了11次故障，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的每個(gè)故障進(jìn)行了充分的分析，制定并實(shí)施了改進(jìn)措施。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠性增長(zhǎng)分析:使用拉普拉斯檢驗(yàn)法對(duì)增長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顯著性水平0.10表明高速?zèng)_床可靠性具有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)；然后，進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)和擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，結(jié)果表明擬合優(yōu)度以0.9的置信水平接受AMSAA模型；通過(guò)點(diǎn)估計(jì)得到可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的MTBF點(diǎn)估計(jì)值為401.69 h，達(dá)到了高速?zèng)_壓機(jī)床可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的目標(biāo)值。

.知識(shí)窗.

自動(dòng)斷路器(automatic circuit-breaker)當(dāng)發(fā)生某種預(yù)定的故障(例如超載等)時(shí)，即能把電路自動(dòng)斷開(kāi)的斷路器。

自動(dòng)短路器(automatic short-circuiter)將某些單相整流子電動(dòng)機(jī)內(nèi)的整流子片自動(dòng)短路的器件。

自動(dòng)裝配機(jī)(automatic assenbling machine)進(jìn)行自動(dòng)裝配的機(jī)械裝置，該裝置能自動(dòng)地從主體件開(kāi)始(箱體、架體或底板)將零部件逐一裝于其上，構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品。在自動(dòng)裝配過(guò)程中除完成零件的定向、進(jìn)給和定位工作外，還能進(jìn)行沖裁、成形、彎曲、鉆削、攻絲、切槽、銑邊、卷邊、咬合、錘擊、擰螺絲、裝銷、壓配、鉚焊、電焊、錫焊、加粘結(jié)劑、清理、加熱、冷卻、打印、檢驗(yàn)、測(cè)試等20多種工作。自動(dòng)裝配機(jī)由本體、傳送機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、裝配工作頭、供料機(jī)構(gòu)、上、下料裝置、檢測(cè)裝置、控制裝置組成。

自動(dòng)換刀裝量(automatic tool changer)簡(jiǎn)稱ATC，數(shù)控機(jī)床和加工中心，特別是鉆、鐐、車等類機(jī)床，用來(lái)貯存、選擇和更換刀具的自動(dòng)裝置。主要由三部分組成:1)刀庫(kù)，用來(lái)儲(chǔ)存加工所需的刀具；少至兒把，多至150～200把不等，2)選刀機(jī)構(gòu):根據(jù)指令從刀庫(kù)中選出指定的刀具，并把它送到換刀位置上的機(jī)構(gòu)；3)交換機(jī)構(gòu)；又稱機(jī)械手，將刀具裝上刀架或主軸并將換下的刀具送回刀庫(kù)的機(jī)構(gòu)。