混合不確定性下機床主軸可靠性建模與（yǔ）分（fèn）析(上）-功（gōng）能部件網（wǎng）-數控機床市場網

您現（xiàn）在的位置：功能部件網> 技術前（qián）沿（yán）>混合不確定性下機床主軸可靠性建模與分析(上）

混合不確定性下機床主軸可（kě）靠性建模與分析(上）

2018-10-16 來源：轉載（zǎi）作者：黃洪鍾，劉征，米金華（huá）李彥鋒

摘要：重型數（shù）控機床肩負著眾（zhòng）多關係國民經濟與國防安全的產品及關鍵（jiàn）零部件的加工製造:其質量、性能和技術水（shuǐ）平是衡（héng）量一個國家工（gōng）業化水平和綜合實力的重要標誌與（yǔ）普通數控機床相比，重型數控機床可靠性建模與分析具有係統結構複雜、樣本少（shǎo）、試驗數據不足、信息不全、可靠數據類型多樣、故障機理複雜等難點.同時重型數控機床可靠性受到多種不確定性（xìng）因素的影響，針對重型數控機床（chuáng）不確定性分析難點，本文以重型數控機床主軸為研究（jiū）對象，分析了影（yǐng）響其可靠性的各種不確定性（xìng）因素，建立了基於（yú）不精確概率理論的混合不確定性量化方法.基於應力一強（qiáng）度幹（gàn）涉理論，提出了針對機床（chuáng）零部件的（de）不精確可靠性建模與分（fèn）析的（de）一般方法，並以某（mǒu）型號重型數（shù）控落地（dì）銑鍵床銑軸為例，對銑軸的靜強度和疲勞強度進行可靠性分析與計算.通（tōng）過與蒙特卡羅方（fāng）法（fǎ）的對比驗證了本文所提方（fāng）法（fǎ）的（de）有效性.

關鍵詞混合不確（què）定性，重型數控機床主軸，不精確概（gài）率，可靠性建模

１、引言

通過對某麗型數控落地銑鏜龐署後維修數據進行分析（xī）．機床機械結構及傳動係統發生的故歐占機床翁鉞的３８％，其（qí）中．銑軸、機軸前（qián）故障占機械結構及（jí）ｆｔ動係統故障的４０％．其主要故障糢式包括軸（zhóu）的磨榻變形．、運動因需對機床主軸進行可拿性建樓與分析目前，機味（wèi）領域（yù）專拿季考對主軸（zhóu）係統的研宄（guǐ）側重於主軸動態特（tè）性分析、主軸組件機理及熱補償等性能方麵［２］，針對主軸係統可’靠性的研究非（fēi）常少，．至此，在實際工程中如何：對機床主軸係統進＿行可靠性麓．樓與１分析（xī）是目前亟待解決的問題機床，主軸的可靠性（xìng）：性建糢（mó）與分（fèn）析禽不開不確定性暈化．影響機床生（shēng）軸可靠性的因素＇不是單一的隨機不確定性、模糊不確定（dìng）：性或未確知性，而是隨機不確定性、楱糊不確（què）定性、未確知性善多種不（bú）確定性的混合．不能用ｆｔ統概率論、樓糊數學、區間分析（xī）、證據理論（lùn）等一種（zhǒng）數學理論來處理Ｍ，因此，混（hún）合不確定性統一璧化及以混合不確定性統（tǒng）一鐘化（huà）為基礎的可靠性建趨與分析方麵ｆｔ童型數撞機床可靠ｔｔ．研究的一個童要課題．

作（zuò）為傳統概率論的推廣（guǎng），不精確概率理論在混含（hán）不確定性量（liàng）化方麵具有較大優勢（shì）．因此．本文擬引入不精確概率理論於可靠性建模與分析中，提出不精確（què）概率理論框架下的（de）海（hǎi）合不確定性統一量化方撝建立以不精確概率通論為數學基礎的結構可靠性分析模型以，某論（lùn）裏（lǐ）數控落（luò）地銑（xǐ）鏜（táng）床銑軸為分析麗點，在研究＃可靠姓要求覆主棄（qì）失效模式的基｜出上，建立不同（tóng）失效搶式下的不精（jīng）確可靠性模型．並將分析結果與現有方祛進行對比．

２、機床主軸可靠（kào）性

機床主軸可（kě）靠性（xìng）要求主（zhǔ）要（yào）包括靜強度、疲（pí）勞強度、剛度、振動穩（wěn）定性及運動精度要求（qiú），足夠的（de）靜強度和疲勞強度是機床主軸承載能力的基本保證，否則容易發生塑性變形或者斷裂失效（xiào），使其不能正常工作（zuò）;對於旋轉精度（dù）要求較（jiào）高或受力較大的軸，足夠的剛度可防止其產生過大彈性變形;對於高速旋轉的主軸（zhóu），需考慮振動穩定性，以防（fáng）發生（shēng）共（gòng）振;運動精度要求從本質上講（jiǎng）是機床的（de）一（yī）個性能指標，當機床運動精度不達（dá）標時，其不（bú）能（néng）生產出符合精度等級要求的零部件。

某重型數控落地銑銼床主（zhǔ）軸係統（tǒng）結（jié）構如圖1所示該主軸係統主要由銑軸組件、撞軸（zhóu）組件及自動鬆拉刀機構三部分組成（chéng）。對於該重型數控落地銑撞床，銑軸、膛軸均是其核心零部（bù）件，銑軸在外齒輪帶動（dòng）下在滑枕內做回轉運動，銼軸通過（guò）導向鍵安裝於銑軸內部（bù）;銑軸的主（zhǔ）要工作是對工件進行銑削加工，攪軸的主要工作是對工件進行銼（cuò）肖d加工[}s}.下麵以銑軸為例，分析機床主軸的可靠性要求.

(1)靜強度可靠（kào）性

對於（yú）瞬（shùn）時過載較大的（de）機床主軸，為了（le）校（xiào）核（hé）其對塑性變形的抵抗能（néng）力，必（bì）須對其靜（jìng）強度進行分析.當主軸同時承受彎矩和扭矩時，主軸的（de）靜（jìng）強度可靠性計算公式為

圖1某重型數控落地銑鎮（zhèn）床（chuáng）主軸係統示（shì）意圖（tú）.1,銑軸;2.軸套;3,軸二4,雙列短圓柱滾（gǔn）子軸承工;5，雙（shuāng）向推力角接觸球軸承;6,滑枕刀（dāo），雙列短圓柱滾子軸承II; 8,齒輪;9，球軸承;10銼軸頭

在傳統結構可靠（kào）性建模與分析中，一般假設結構（gòu）的應力參（cān）數、強度參數、幾何參（cān）數（shù）、運動參數等服從某一概率分布，然後采集大（dà）量統計數據確定分布參數．然而，由於重型數控（kòng）機床的特（tè）殊性，在對其進行可靠性建模（mó）與分析時，很難得到大量統計數據，因此主軸的（de）應力參數、強度參數、幾何參數、運動參數等（děng）需分別采用不同（tóng）類型的變量來表征,下麵對機床（chuáng）主軸各參數的不確定性量（liàng）化方（fāng）式（shì）進行分（fèn）析：

（１）機床主軸的應力參數、強度（dù）參數一般采（cǎi）用隨機變量來表征，當（dāng）參數的統計數據足夠多時，其概率分布及分布參數可精確確定；當統（tǒng）計數據（jù）不足時，其分布類型及概率分布（bù）參數不能精確確定，此時可用Ｐ－Ｂｏｘ變量來表征．

（２）機床（chuáng）主軸（zhóu）的加工不能保證其幾何尺寸絕對精確，隻能保證該尺寸在規定誤差範圍內［８］，因此，與（yǔ）幾何尺寸相（xiàng）關的設計參數（shù）需（xū）采用（yòng）區間（jiān）變量來表征．主軸的疲勞強度修（xiū）正係數與主軸的材料、結構、幾何尺寸（cùn）、加載次數等因素有關，它不是（shì）一個確定值，存在一定誤差，也用區間變量來表征．

（３）機床（chuáng）主軸某些功能性失效沒有精確界限，例如精度降低、速度失調、振動等，此時機床主軸（zhóu）失效（xiào）是（shì）一個模糊事件，可（kě）用模糊數來表征．

（４）當與參數直（zhí）接相關的統計數據不足時，專家意見、工（gōng）程師經驗等主觀信息可作為可靠性數據的有益補充，主觀信息可用區間變量、模糊變量等非概率形式來表征綜上所述，機床（chuáng）主（zhǔ）軸可靠（kào）性建（jiàn）模與分析不是單一不確定性量化（huà）問題不能單獨用概率論、區間分析、模（mó）糊數學、可能性理論（lùn）等其中一種數學理論來處理，機（jī）床主軸可靠性建模與分析麵臨的是混合不確定性量化問題．

３、混（hún）合（hé）不確定性下的（de）不（bú）精確結構可（kě）靠性建模與分析方法（fǎ）

３．１應力－強度幹涉理論

對於機械零部件來講，應力是引起零部件失效的載荷，強度是零部件抵（dǐ）抗失效的能力．由於與應力、強度（dù）有關的（de）某（mǒu）些變量具有不確定性，應力和強度也（yě）具有分散特征．應（yīng）力－強度幹涉（shè）理論（lùn）通過（guò）研究應力分（fèn）布（bù）和強度分布的幹涉情況來確定機械零（líng）部（bù）件可靠度［Ｍ４４９］令３分別表（biǎo）示應力和強度，依據（jù）結構可靠性理論，當時，結構可靠；當時，結構失（shī）效；當時，結（jié）構達到極限（xiàn）狀態．在實際工程中，應力（lì）和強度不是確定值，而是由若幹（gàn）變（biàn）量組（zǔ）成的（de）多元函數，即

３．２混合不確定性下的結構可靠性建模及計算

不精確結構可靠性建（jiàn）模是（shì）傳統結構可（kě）靠性建模的推廣．仍然以遽力－強度午（wǔ）渉理詮為基礎，傳統（tǒng）的（de）應強度（dù）幹渉理論需（xū）要已（yǐ）知（zhī）應力、強度的精確概率分布．適用於數據充、足的情況．當窺計數據不足時，參數的概率分布（bù）類型。及參數不能確定．此時．可依據不精確概率理論，建立不精確結構可靠（kào）性模型不精確結構可靠性（xìng）模型描述如下: