【摘要】：隨著社會的發(fā)展進步,機電產(chǎn)品的復雜程度不斷增加使得機電系統(tǒng)可靠性建模和分析的難度隨之大幅提升。針對傳統(tǒng)可靠性建模和分析方法與產(chǎn)品結構模型脫節(jié)、與產(chǎn)品失效模式脫節(jié)、可靠性控制因素難于在設計、加工、裝配、維修、經(jīng)濟性分析等環(huán)節(jié)中得到直接體現(xiàn)等問題,本文以數(shù)控機床產(chǎn)品為研究對象,利用所提出的元動作鏈方法(Meta-action Chain Methodology,MCM),結合產(chǎn)品運行狀態(tài)對產(chǎn)品的失效模式及經(jīng)濟性進行建模和分析。數(shù)控機床在運行過程中的每一個狀態(tài)都可以通過元動作結構鏈(Meta-action Structure chain)和元動作運行鏈(Meta-action Operating Series Chain)進行綜合表達,從而將機電產(chǎn)品的結構信息、故障信息、經(jīng)濟特性信息、運行參數(shù)信息等多元信息集成到系統(tǒng)可靠性模型中。另一方面,所得到的可靠性評估結果能夠精確地描述系統(tǒng)可靠度隨時間變化的規(guī)律,為系統(tǒng)運行過程的維修決策、產(chǎn)品質量改進等控制措施提供充分的依據(jù)。具體研究內(nèi)容包括:(1)數(shù)控機床元動作鏈建模(MCM)及可靠性計算。給出了元動作結構鏈和元動作運行鏈的定義,將系統(tǒng)結構信息和系統(tǒng)運行信息融合到系統(tǒng)可靠性建模過程中,并提出了元動作鏈的建立流程。對系統(tǒng)連續(xù)的運行空間進行離散化處理,引入模型時間求解精度δ,從而定義了元動作鏈狀態(tài)以及系統(tǒng)運行狀態(tài)空間。同時,針對所建立的元動作鏈,建立了相應的元動作可靠性計算方法。利用馬爾科夫狀態(tài)轉移矩陣(Markov Transition Probability Matrix),建立了機電系統(tǒng)運行過程的元動作鏈狀態(tài)轉移有向圖。同時,根據(jù)該理論模型給出了能夠在工程中實際應用的求解算法及算法流程圖,并利用Matlab進行了相應的求解計算。以TH63系列加工中心的端齒盤分度式數(shù)控轉臺為例,結合該轉臺的結構圖以及失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)結果,對該系統(tǒng)在不同運行模式下的可靠性進行了動態(tài)評估,繪制了可靠度衰減曲線,并將其與經(jīng)典的威布爾分布(Weibull distribution)模型所得到的曲線進行了對比,從而驗證了該方法的可行性和先進性。以磨損型、開關型及交變應力型三種典型的元動作故障為例,利用冪律過程(Power Law Process,PLP)、對數(shù)正態(tài)分布(Logarithmic Normal Distribution,LND)等方法建立了微觀失效原因與宏觀可靠性之間的耦合關系,為數(shù)控機床產(chǎn)品可靠性的評估和維修控制打下了理論基礎。(2)基于元動作鏈的數(shù)控機床運行故障建模與分析。利用所提出的元動作鏈方法,對數(shù)控機床產(chǎn)品具體故障的故障原因進行了分析,同時,建立了定量計算模型,能夠為各元動作的故障分布參數(shù)提供支撐。以蝸輪齒面磨損以及齒輪軸交變應力失效為例,分析了微觀失效原因與故障發(fā)生概率的聯(lián)系。所得到的故障底事件發(fā)生概率曲線能夠為第二章所建立的系統(tǒng)可靠性曲線的分析提供支持,從而實現(xiàn)系統(tǒng)結構信息、系統(tǒng)運行信息、微觀失效原因信息、宏觀可靠性模型的高度集成,極大地提升了可靠性建模的適用范圍。(3)基于運行狀態(tài)包絡的預防性維修策略建模與分析。建立了可靠運行區(qū)間以及可靠運行包絡(Reliable Operating Envelope)的概念。定義了一維情況下的可靠運行區(qū)間重疊度(Coincidence Degree of Reliable Operating Range)。利用可靠運行空間包絡對系統(tǒng)中不同故障敏感性、不同運行時間維度的部件進行分組,集成了部件的經(jīng)濟特性信息、結構信息、運行模式信息,使機電產(chǎn)品的預防性維修更加具有針對性。提出了維修策略矩陣,利用遺傳算法(Genetic Algorithm)對維修策略組合矩陣進行優(yōu)化遍歷,給出了相應的算法并計算了算法的復雜度。以MKS16系列數(shù)控磨床和FMS80柔性生產(chǎn)線為例,分別驗證了所建立的維修策略模型在數(shù)控機床和生產(chǎn)線不同行模式和不同故障敏感性條件下的適用性,并與經(jīng)典維修策略進行了對比。(4)基于用戶期望符合度的數(shù)控機床可靠性提升模型與分析。引入了用戶期望分布描述產(chǎn)品質量的具體意義。以馬氏距離(Mahalanobis Distance)計算用戶期望分布與產(chǎn)品實際質量特性分布的差異,建立了相應的質量損失函數(shù)(Quality Loss Function),從而定義了數(shù)控機床產(chǎn)品的使用質量。根據(jù)該質量損失函數(shù),分別計算各質量特性的質量損失,得到相應的用戶期望符合度向量(Coincidence Degree Vectors of Customer Expectations)。計算各質量提升措施的效用費用比,得到機電系統(tǒng)可靠性提升的優(yōu)化序列。以MKS16系列數(shù)控磨床為例,建立了產(chǎn)品的質量評價指標體系,得到了可靠性改進措施的優(yōu)化控制序列,驗證了該模型的實用性。(5)數(shù)控機床可靠性經(jīng)濟特性建模與分析。定義了可靠性邊際效用(Marginal Utility)和邊際成本(Marginal Cost)的概念。基于歲收需量法(Revenue Requirements Method)和區(qū)間分析方法推導了可靠性投入與可靠性效益之間的關系,并給出定量計算模型。具體建立了機電系統(tǒng)可靠性經(jīng)濟特性分析流程。利用仿真軟件模擬機電系統(tǒng)可靠性經(jīng)濟模型的各項參數(shù),計算了產(chǎn)品可靠性投入與可靠性回報動態(tài)更新的迭代過程,為產(chǎn)品可靠性控制點的選取提供了充分的決策依據(jù)。對產(chǎn)品生產(chǎn)關鍵工序的工序能力進行了計算,以主軸加工工序為例分析了產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工序能力,消除了產(chǎn)品加工過程的經(jīng)濟損耗因素。
【圖文】：

1 緒 論構化分解方法，被用來分析機電系統(tǒng)的運行，，該分解方法是元動作理論的核心。動作在該理論中定義為系統(tǒng)中運動部件的狀態(tài)變化，而元動作的定義為：結構關系相對獨立、能夠實現(xiàn)一定動作目標或達到一定目的，可控可分析不需要（也不能）再細分的動作單元（Meta-action）。該分析方法的優(yōu)勢在于：盡管機電系統(tǒng)的運動可以非常復雜，但是，分解到基本的元動作只有移動和轉動兩種，將機電系統(tǒng)分解到元動作能夠充分對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行精確描述。轉動包括電機軸、螺栓、齒輪、軸系的轉動等。移動包括螺母、活塞、汽缸的移動等。

重慶大學博士學位論文取提供了充分的決策依據(jù)。對產(chǎn)品生產(chǎn)關鍵工序的工序能力進行了計算，以主軸工序分析了產(chǎn)品生產(chǎn)的工序能力，消除了產(chǎn)品加工過程的損耗因素。第七章：結論與展望歸納出全文的主要研究結論及創(chuàng)新之處，根據(jù)研究中存在的問題及研究特點，指出研究中存在的不足與缺陷，指明今后該領域的相關研究方向。1.4 論文整體架構本論文的研究方法與框架如圖 1.2 所示。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG659

【參考文獻】

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本文編號：2599179