极小样本下高速列车轴承及电主轴的可靠性试验分析研究

摘要

随着科学技术的飞快发展和工业水平的不断提高,出现了许多高可靠性、长寿命的产品,要想获得这些产品的失效数据,不但需要花费相当长的试验时间,而且由于这些产品往往价格都比较昂贵,可靠性很高等,对其进行破坏性的试验是很难做到的。因此,对小样本甚至极小样本下的可靠性试验进行研究是有重要的理论意义和应用前景的。
　　本课题以国产高速列车轴承和高速磨削电主轴为研究对象,结合Bayes可靠性理论和性能退化模型,在极小样本无失效的情况下,提出一套适用于高速列车轴承可靠性试验分析方案,为高速列车轴承的可靠性评估提供了参考和理论支撑;同时完成了电主轴系统的可靠度分配和电主轴可靠性加速寿命试验的分析。主要研究工作如下:
　　1)概述了本课题研究的背景及意义,介绍了小样本无失效数据下的可靠性研究进展,确立出论文的研究主线。简要列举了文中用到的可靠性数据分析理论知识,主要包括基本概念、性能退化轨迹的一般模型、常用的可靠性特征量和加速寿命试验相关的知识等;
　　2)考虑到Bayes方法在处理小样本试验时能充分利用现有的信息和先验信息来提高可靠性评估的精度,不但可减少因样本少而带来的统计误差,而且在无失效数据样本的条件下也可对被测量数据进行估计,故文中从高速列车轴承的设计指标要求出发,提出基于Bayes理论的可靠性分析方法,通过建立的累积失效概率模型,求解出二参数威布尔分布的两个未知参数,最终得到满足设计指标要求的高速列车轴承可靠性模型,为极小样本无失效情况下的高速列车轴承可靠性寿命试验提供了指导依据;
　　3)鉴于高速列车轴承造价昂贵、精度和可靠性要求极高等问题,在进行可靠性寿命试验时,只能做极小样本、短时间内的定时截尾寿命试验。在此情况下,为有效的利用试验数据进行可靠性分析,提出以不完全混合Beta分布作为高速列车轴承累积失效概率的先验分布,建立起极小样本无失效情况下的高速列车轴承可靠性数学模型。修正了利用Bayes理论得到的模型中会出现大量的先验信息淹没小样本现场试验数据的情况,使得到的可靠性模型更加符合工程实际;
　　4)高可靠性小样本产品在做短时间定时截尾试验时多出现无失效现象,因此,试验时间的确定是可靠性试验研究的重要环节。文中从高速列车轴承寿命所服从的分布入手,在高速列车轴承疲劳寿命服从二参数威布尔分布的前提下,解析出高速列车轴承样本数和可靠性寿命试验时间之间的关系模型。当给定参试样本数及寿命可靠度后,可计算出不同置信度下所需的可靠性试验时间,为高速列车轴承可靠性寿命试验的进行提供了一定的指导作用;
　　5)针对高速列车轴承性能退化过程缓慢、退化轨迹较为平稳的特点,提出基于随机性能退化的可靠性分析模型。该模型将Wiener过程中的未知参数看作随机变量,体现出批量生产的产品之间个体的差异性。随后根据性能退化幅度的大小和工程经验确定出合理的退化轨迹模型,得出轴承寿命的可靠度函数。根据对轴承试验数据的实例分析,表明了该方法能够在极小样本无失效数据情况下充分利用性能退化数据,完成产品寿命的可靠性评估,为高速列车轴承在极小样本无失效数据下可靠性分析的问题提供了参考;
　　6)根据数控机床用高速电主轴系统的可靠性分配指标具有多层次、多因素且定量与定性指标并存的特点,提出基于改进模糊层次分析法的电主轴可靠性分配。以某型号磨削电主轴为例,从影响可靠性分配的众多不确定因素出发,建立可靠性分配的层次分析结构,定量分析计算出组成电主轴系统的主轴、轴承、电机等各组件的权重,根据权重完成对电主轴系统可靠性的合理分配。结果证明该方法具有较好的实用性,较传统层次分析法更具有合理性和易用行,可为电主轴的可靠性设计提供依据;
　　7)为在短时间内获得电主轴的可靠性寿命信息,提出以加速寿命试验的方法进行可靠性寿命分析。以某型号磨削电主轴为例,通过加大载荷应力的方式建立起加速寿命试验模型。根据现有理论和试验结果分析,在不同加速载荷下,电主轴的失效机理基本上没有发生改变,验证了在不改变失效机理的前提下对磨削电主轴进行加速寿命试验的可行性,从而可提高产品寿命的检测效率。

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1 绪论

1.1可靠性研究意义

1.2 课题研究背景

1.3国内外研究进展

1.4 主要研究内容

2 可靠性试验分析的理论知识

2.1可靠性定义

2.2 可靠性特征量

2.3 可靠性工程中常用的分布

2.4 性能退化的相关知识

2.5 加速寿命试验的相关知识

2.6 本章小结

3 基于Bayes理论的极小样本高速列车轴承可靠性试验分析

3.1 概述

3.2 Bayes可靠性分析方法

3.3 高速列车轴承寿命分布及参数估计

3.4 高速列车轴承的可靠性试验分析

3.5 本章小结

4 基于混合Beta分布的极小样本高速列车轴承的可靠性试验分析

4.1 概述

4 . 2 不完全混合Beta先验分布下的Bayes评估方法

4.3 高速列车轴承的可靠性模型

4.4 实例分析

4.5 本章小结

5 高速列车轴承可靠性试验方案分析

5.1 概述

5.2 高速列车轴承可靠性试验方案的确定

5.3 高速列车轴承可靠性试验时间的确定

5.4结论

6 随机性能退化下高速列车轴承的可靠性试验分析

6.1 概述

6.2性能退化数据模型

6.3高速列车轴承试验数据获取

6.4高速列车轴承试验数据的分析

6.5 实例分析

6.6 本章小结

7 基于改进的模糊层次分析法的电主轴可靠性分配

7.1 概述

7.2 高速电主轴系统的层次结构体系

7.3 改进的模糊层次分析法原理

7.4 高速电主轴系统的可靠度分配

7.5 本章小结

8 高速磨削电主轴的可靠性加速寿命试验分析

8.1概述

8.2电主轴的可靠性加速寿命试验模型

8.3 电主轴的加速寿命试验

8.4 电主轴加速寿命试验数据处理

8.5 电主轴的可靠性寿命预测

8.6 本章小结

9 结论与展望

9.1全文工作总结

9.2创新总结

9.3展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果