高速精密沖床可靠性增長試驗與分析??

陳 浩 張 蔚 權 潔 蔣清海

(①常州紡織服裝職業(yè)技術學院機電學院，江蘇常州213164；②南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

在高速精密沖床研制過程中，可靠性水平難以立即達到指標要求[1]，需要“試驗——改進——再試驗”這一循環(huán)過程[2]，來暴露產品設計、制造和外購件等方面的故障，通過有針對性地糾正故障及隱患，使得高速沖床可靠性水平不斷提高，即實現可靠性增長，以達到設計要求。

可靠性增長技術在提升系統(tǒng)的可靠性方面發(fā)揮著重要作用，備受工程界和學術界關注。美國通用電氣公司的工程師Duane提出了具有廣泛應用價值的Duane模型[3]。美國陸軍裝備系統(tǒng)分析中心的Crow基于NHPP提出了美國陸軍裝備系統(tǒng)分析中心模型(AMSAA，army materiel system analysis activity)[4]。 這兩個模型為開展可靠性增長分析奠定了基礎。近年來，學者對可靠性增長技術的研究不斷地深入。Duane模型與AMSAA模型屬于連續(xù)模型，主要針對的是可修系統(tǒng)，為了克服這一局限，文獻[5-7]給出了成敗系統(tǒng)離散可靠性增長模型的貝葉斯評估方法。另外，為了克服AMSAA模型不適用試驗中引入延緩改進措施的評估，文獻[8]深入研究了離散系統(tǒng)含延緩糾正的可靠性增長問題，在學術界產生了很大影響；文獻[9]給出了在任意改進措施條件下，復雜系統(tǒng)可靠性增長的貝葉斯模型。在可靠性增長試驗時，為了提高試驗效率，會有多臺產品同時進行試驗，所以文獻[10]基于多層Bayes估計法、加權最小二乘估計法和AMSAA模型，提出了多臺同型產品同步糾正可靠性增長試驗數據統(tǒng)計分析方法。上述研究都基于同一階段的增長信息，為充分利用不同階段試驗信息對系統(tǒng)的最終可靠性做出科學的評價，文獻[11]基于新Dirichlet先驗分布建立了一種適合復雜系統(tǒng)異總體可靠性增長分析的Bayesian模型。除上述文獻外，文獻[12-14]從不同角度研究了可靠性增長過程中的可靠性預測問題。

上述可靠性增長理論研究在軍工類產品上應用較多，而在民用產品上則應用相對較少，尤其是高速沖壓設備類鮮有提及。因此，本文針對國內某型高速重型精密沖床研制期間可靠性較低的問題，設計高速沖床可靠性試驗，選用AMSAA模型作為可靠性增長模型，根據高速沖床各子系統(tǒng)的特點搭建可靠性測試平臺，進行可靠性增長試驗。針對試驗過程中的故障進行及時地糾正與改進，使得改進后的高速沖床的MTBF達到試驗目標。

1 高速沖床可靠性增長試驗設計

1.1 試驗綜合應力剖面設計

高速沖床主要承受周期性的沖擊載荷，該沖擊載荷的主要兩個特征量是載荷大小和沖擊頻率。由于廠家建議用戶在實際使用時高速沖床工作過程中載荷與行程次數都不要超過最大值的75%。基于上述原因，設計了某型高速沖床試驗剖面如圖1所示。行程次數分為4個等級:60行程/min、90行程/min、120行程/min和150行程/min；載荷分為4個等級0、1 500 kN、3 000 kN和4 500 kN。該型高速沖床的最高行程次數為200行程/min，公稱壓力7 500 kN。液壓系統(tǒng)壓力、潤滑系統(tǒng)壓力與氣動系統(tǒng)氣壓都根據實際使用工況設定。

1.2 可靠性增長試驗計劃

該系列其他型號高速沖床的平均故障間隔MTBF＝500 h左右[15]，如果僅依靠可靠性增長試驗使得該新型機床的MTBF達到500 h，成本將會較高。鑒于此，該新型機床以MTBF＝400 h作為可靠性增長試驗的目標，余下的可靠性增長任務將在后期用戶使用一年過程中完成。根據GJB 1407《可靠性增長試驗》規(guī)定的增長試驗方案，總試驗時間為增長目標MTBF的5～25倍，同樣考慮到試驗成本，取試驗時間為5倍的目標MTBF，即2 000 h，后期會根據可靠性增長情況進行適當調整。

2 可靠性增長模型的選取

在可維修系統(tǒng)的可靠性增長試驗中，常用的可靠性增長模型有Duane模型和AMSAA模型。與Duane模型相比，AMSAA模型能夠對參數進行點估計和區(qū)間估計，且參數估計精度高。因此，本文選取AMSAA模型作為高速沖床的可靠性增長模型。

2.1 AMSAA模型的數學描述

AMSAA模型有兩個假定[2]:

(1)可修系統(tǒng)在開發(fā)期(0，t]內的失效次數N(t)是有均值函數EN(t)＝v(t)＝atb及瞬時失效強度λ(t)＝d EN(t)/d t＝abtb-1的非齊次泊松過程:

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

設在開發(fā)期(0，T]內，系統(tǒng)相繼的失效時間為0＝t0＜t1＜t2＜…＜tn，失效時間間隔△ti＝ti-ti-1，i＝ 1，2，…，n。對于AMSAA模型來說，當0＜b＜1時，失效時間間隔△ti隨機增加，系統(tǒng)處于可靠性增長過程；當b＞1時，失效時間間隔△ti隨機減小，系統(tǒng)處于可靠性下降過程；當b＝1時，λ(t)＝a，非齊次泊松過程退化為泊松過程，失效時間間隔△ti服從指數分布，系統(tǒng)可靠性沒有增長趨勢，也沒有下降趨勢。

2.2 定時截尾試驗情形

設系統(tǒng)的失效時間依次為 0＝t0＜t1＜t2＜…＜tn＜T。對于 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，在無窮小的區(qū)間(t，t+d t)內，發(fā)生失效的概率為λ(t)d t。考慮威布爾過程的獨立增量性，可得到定時截尾數據(t1，t2，…，tn，T)的似然函數:

因此，得到a和b的極大似然估計:

因此，當t＞T時，系統(tǒng)不再改進，其MTBF的M(t)估計為:

M(t)的區(qū)間估計為(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)間估計系數，可從文獻[1]中查取。

2.3 Cramer-Von Mises檢驗

檢驗統(tǒng)計量為:

3 高速沖床可靠性試驗平臺的搭建

為能及時地發(fā)現故障，并為故障分析提供依據，搭建了高速沖床的可靠性試驗平臺，在試驗過程中監(jiān)測高速沖床的性能變化。

3.1 測試內容

高速沖床主要包括以下幾個子系統(tǒng):傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)主要性能參數為滑塊3個方向的動態(tài)精度、軸瓦溫度和電動機軸扭矩，電氣系統(tǒng)主要性能參數為變頻器電流和電壓，氣動系統(tǒng)的主要性能參數為離合制動系統(tǒng)的氣壓和平衡缸的氣壓，潤滑系統(tǒng)的主要性能參數為曲軸潤滑油壓、銷軸油壓和油箱溫度，液壓系統(tǒng)的性能參數為系統(tǒng)油壓；另外，為了監(jiān)測機械結構的載荷情況，需要測量機械結構關鍵點的應變。因此，根據各子系統(tǒng)的各自特點，確定了高速沖床可靠性試驗平臺的測試內容如圖2所示。

3.2 試驗平臺的搭建

根據測試內容，搭建的高速沖床可靠性試驗平臺如圖3所示。動態(tài)精度測試分為三類:x(前后)、y(左右)方向動態(tài)精度，z(豎直)方向動態(tài)精度和動態(tài)平行度，根據各自的特點選用位移傳感器、光電開關結合虛擬儀器的方式對x、y方向動態(tài)精度進行測量，采用位移傳感器對z方向動態(tài)精度和動態(tài)平行度進行測量。軸瓦與油箱的溫度采用鉑敏電阻結合虛擬儀器進行測量。變頻器的電參數采用電流鉗與電壓衰減探針結合虛擬儀器進行測量。油壓、氣壓采用壓力傳感器結合虛擬儀器進行測量。電動機扭矩與關鍵點應變采用應變片結合必創(chuàng)的無線扭矩節(jié)點與無線應變節(jié)點進行實時測量。

4 高速沖床可靠性試驗

4.1 故障分析與改進措施研究

以某新型高速精密沖床為研究對象，在上文搭建的可靠性試驗平臺的基礎上，按照圖1試驗剖面進行了可靠性增長試驗。圖1中的每種應力進行8 h試驗，一個試驗周期為128 h。計劃試驗時間2 000 h，由于試驗結束時評估發(fā)現機床MTBF未達到目標值，經計算將試驗時間延長至2 250 h。試驗期間共出現了11次故障，對試驗中出現的故障進行了分析，制定并實施了改進措施。具體故障與改進措施如表1所示。

4.2 可靠性增長分析

高速沖壓機床可靠性增長試驗的計劃試驗時間為2 000 h，通過數據分析發(fā)現機床的MTBF并未達到目標值，經過計算將試驗時間延長至2 250 h。試驗過程中機床故障時間如表2所示，故障數n＝11，試驗定時截尾時間T＝2 250 h。

表2 高速沖壓機床故障時間

(1)趨勢檢驗:使用拉普拉斯檢驗法。將M＝n＝11，T＝2 250 h以及失效時間ti代入下式:

取α＝0.20，查表得到趨勢檢驗統(tǒng)計量的臨界值μα/2＝-1.645。 由于 μ＜μα/2，故以顯著性水平 0.10 表明，產品可靠性具有明顯的增長趨勢。

(2)參數估計:根據公式(3)得到a和b的極大似然估計為＝0.147 6 和＝0.560 1，根據公式(4)得到a和b的無偏量估計為a-＝0.218 5和b-＝0.509 2。

(3)擬合優(yōu)度檢驗:采用Cramer-Von Mises檢驗。首先，將M＝n＝11和T＝2 250 h，以及表2中的失效時刻ti代入公式(6)，計算出＝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模型擬合試驗數據。

(4)MTBF的點估計:試驗結束時，根據公式(5)，計算出機床 MTBF的點估計為401.69 h。

表1 故障與改進措施

(5)MTBF的區(qū)間估計。取置信水平γ＝0.90，查表可得AMSAA模型的失效截尾區(qū)間估計系數ρ1＝0.489 2，ρ2＝2.127。 因此，可以計算得到 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 結語

設計了高速沖床可靠性增長試驗的試驗剖面和試驗計劃，選取了AMSAA模型作為高速沖床可靠性增長試驗的增長模型。為能在試驗中及時發(fā)現故障，并給故障分析提供依據，根據高速沖床各子系統(tǒng)的特點搭建了高速沖床可靠性試驗平臺，基于此進行了可靠性增長試驗。可靠性增長試驗共進行了2 250 h，試驗期間共出現了11次故障，對試驗過程中出現的每個故障進行了充分的分析，制定并實施了改進措施。對試驗數據進行了可靠性增長分析:使用拉普拉斯檢驗法對增長趨勢進行檢驗發(fā)現，顯著性水平0.10表明高速沖床可靠性具有明顯的增長趨勢；然后，進行了參數估計和擬合優(yōu)度檢驗，結果表明擬合優(yōu)度以0.9的置信水平接受AMSAA模型；通過點估計得到可靠性增長試驗結束時的MTBF點估計值為401.69 h，達到了高速沖壓機床可靠性增長試驗的目標值。

.知識窗.

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自動短路器(automatic short-circuiter)將某些單相整流子電動機內的整流子片自動短路的器件。

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