一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法技術

本發明專利技術屬于數控機床技術領域，涉及一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，包括下述步驟：1、采集產品載荷數據與故障信息；2、建立載荷分布模型；3、設計程序載荷譜；4、基于Miner疲勞累積損傷理論確定產品壽命估算式，據此建立加速壽命試驗加速因子模型；5、基于故障信息，經模型假設、參數估計及假設檢驗建立首次故障時間可靠性模型；6、基于首次故障時間進行試驗時間設計，以可接受的可靠度所對應的首次故障時間為基準，建立電主軸試驗時間與樣本量的關系模型；7、考慮加速因子開展試驗時間設計，并驗證其可信性。本發明專利技術不僅考慮試驗時間與樣本量的關系模型，同時基于修正Miner理論建立加速因子模型，提高了建模準確度，更加符合實際。

Design time of accelerated life test for motorized spindle

The invention belongs to the technical field of CNC machine tool spindle, relates to a time of accelerated life test design method, which comprises the following steps: 1, to collect the product load data and fault information; 2, establish the load distribution model; 3, the design of program load spectrum; 4, based on the Miner fatigue cumulative damage theory to determine the product life estimation, established accelerated life test acceleration factor model; 5, based on the fault information, the establishment of the first failure time reliability model by model assumptions, parameter estimation and hypothesis testing; 6, based on the first failure time of the test time design, with acceptable reliability corresponding to the first failure time basis, establishes the relationship model between the spindle and the test time the quantity of samples; 7, considering the acceleration factor to carry out the test design time, and verify its credibility. The invention not only considers the relation model between test time and sample quantity, but also establishes acceleration factor model based on modified Miner theory, thus improving modeling accuracy and more conforming to reality.

【技術實現步驟摘要】
一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法
本專利技術屬于數控機床
，涉及一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，具體涉及電主軸試驗時間與樣本量的關系模型構建、Miner疲勞累積損傷理論及其修正、程序載荷譜建立、加速壽命試驗加速因子模型構建，在此基礎上考慮加速因子對機床電主軸試驗時間進行設計計算，并驗證其可信性。
技術介紹
電主軸是機床系統的關鍵部件，其性能和可靠性水平的高低在很大的程度上決定了整臺機床的加工精度和生產效率；可靠性試驗是獲取故障信息、故障數據以及進行可靠性評估的基礎；但目前機床電主軸樣品往往數量較少、成本高且壽命相對較長，傳統的可靠性壽命試驗難以滿足要求；為此，開展電主軸加速壽命試驗研究勢在必行。當前國內外電主軸可靠性試驗技術研究較多，主要側重于恒定應力加速壽命模型下以定數截尾的方式進行壽命模型參數估計及預測精度分析。如劉瀚文等利用所設計的電主軸試驗臺，通過加載系統模擬真實工況的載荷譜，以功率為加速應力，進行恒應力下電主軸加載試驗，但與步進應力加速壽命相比，其試樣失效較慢，所需樣本量較大；朱德馨、遲玉倫等假設機床主軸的壽命服從威布爾分布且機床主軸的特征壽命與試驗載荷之間滿足逆冪率方程時，建立定數截尾恒定應力加速壽命試驗模型，但是實際試驗中產品受到多種應力的復雜影響，難以建立符合實際的加速模型來表示壽命特征與應力水平之間的關系；Siew-LengTeng和Kwee-PooYeo假設壽命-應力曲線服從對數線性關系，建立定數截尾步進應力加速壽命試驗模型，提出了步進應力加速壽命試驗的最小二乘分析方法，明顯簡化了試驗方案設計的推導過程，但在電主軸等高可靠性產品壽命試驗中，經常只出現極少失效數據的情況，缺少足夠的試驗數據。
技術實現思路
針對現有技術鮮有考慮加速因子對電主軸試驗樣本量以及試驗時間進行設計，本專利技術提供了一種集試驗時間與樣本量的關系模型和加速因子模型的電主軸加速壽命試驗時間設計方法，并進行可信性驗證，為加速壽命試驗方案設計提供依據。為解決上述技術問題，本專利技術是采用如下技術方案實現的，結合附圖說明如下：一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，包括下述步驟：步驟一：采集產品載荷數據與故障信息；步驟二：基于所收集的載荷數據建立載荷分布模型；步驟三：設計程序載荷譜；步驟四：基于Miner疲勞累積損傷理論確定產品壽命估算式，據此建立加速壽命試驗加速因子模型；步驟五：基于故障信息，經模型假設、參數估計及假設檢驗建立首次故障時間可靠性模型；步驟六：基于首次故障時間進行試驗時間設計，以可接受的可靠度所對應的首次故障時間為基準，建立電主軸試驗時間與樣本量的關系模型；步驟七：考慮加速因子開展試驗時間設計，并驗證其可信性。步驟二中所描述的建立載荷分布模型具體步驟如下：(1)根據所收集的載荷數據，分別繪制相對切削力矩Tr與相對循環次數Cr、累積相對循環次數的關系曲線，其中相對切削力矩Tr指的是實際切削力矩T與額定力矩TR之比；相對循環次數Cr指的是切削力矩T對應的循環次數C與全部切削力矩所對應的總循環次數CΣ之比；(2)經過模型假設、參數估計及假設檢驗，建立載荷分布模型。步驟三所描述的設計程序載荷譜具體步驟如下：(1)考慮電主軸在設計上所能承受的最大相對切削力矩，結合載荷分布模型，將切削力矩載荷分為輕載、輕中載、中載、中重載和重載五種情況；(2)確定各級載荷的相對載荷區間，結合載荷分布模型，將連續的曲線轉化為階梯曲線，使之成為適合電主軸可靠性試驗用的程序載荷譜。步驟四所描述的確定產品壽命估算式具體步驟如下：(1)基于Miner疲勞累積損傷理論建立累積損傷計算式：考慮測量出的各級應力σi的頻次ni與零件σ-N曲線上的理論頻次Ni，其比值ni/Ni＝di的累積值即為材料的累積損傷而達到的總損傷量D，其中σ-N曲線是材料處于彈性應變范圍時，應力與循環次數的關系曲線；則總損傷量式中：D——總損傷量；σi——應力循環特征r＝i時的應力；ni——試件在σi作用下的實際工作循環次數；Ni——在相應材料的σ-N線上，對應于σi的疲勞極限壽命，即失效循環次數；ni/Ni——試件在σi下產生的損傷分量。(2)考慮疲勞極限壽命的累積損傷計算式：根據各級應力水平下的疲勞壽命，得到材料σ-N曲線的數學關系式式中：l,Q——與材料、試樣和加載有關的常數；σr——表示在給定應力循環特征r下的應力。同時考慮交變應力σ-1對應的疲勞極限壽命N0，得式中，l——與材料、試樣和加載有關的常數，b為σ-N曲線斜率；σ-1——應力循環特征r＝-1時的應力，也稱對稱循環應力；N0——對稱循環應力σ-1下的疲勞極限壽命。將式(3)代入式(1)，得累積損傷的計算式為：根據Miner理論，當D＝1時，就發生疲勞破壞；因此，根據Miner線性疲勞累積理論，考慮各工況下的程序載荷譜，計算出電主軸在不同工況下的累積損傷。(3)修正Miner疲勞累積損傷理論：Miner理論沒有考慮疲勞持久極限以下的載荷對裂紋形成和擴展的影響，很多情況下，直接按Miner線性疲勞累積理論對部件的疲勞壽命進行估計與實際情況存在較大的差距，需要對其進行修正。經過研究，H.T.科爾頓和T.J.多蘭提出用強度系數指數α代替式(2)中的l，其中α＝(0.81～0.94)l，通常取α＝0.85l。同時考慮到小載荷的影響，將σ-N曲線的直線段從σ-1延長至0.5σ-1，認為0.5σ-1以下的應力循環不再對機件造成損傷，不考慮其影響，將其刪去。因此累積損傷的計算式寫成：(4)建立壽命估算表達式：在多級程序載荷譜中，各級載荷作用下的循環次數為式中：nt——各級載荷作用總循環次數，即nt＝∑ni；fi——σi應力水平下的相對循環次數；ωi——程序載荷譜中對應σi的循環次數。將式(6)代入式(5)，可得當D＝1時即發生疲勞破壞，則壽命可按式(8)估算：步驟四所述的建立加速壽命試驗加速因子模型具體步驟如下：(1)加速因子K是較可靠性強化試驗和實際使用相比較而言的，它是產品在加速環境2和實際環境1下，達到相同的損傷時的可靠性壽命nt2，nt1之比，稱為加速環境2相對于實際環境1的加速因子，按式(9)計算K＝nt2/nt1……………………………(9)(2)結合壽命估算表達式(8)，建立電主軸加速壽命試驗加速因子模型式中，D1,D2——試驗與實際中的損傷因子統計量；nt1,nt2——試驗與實際中的估算壽命；ω1,ω2——試驗與實際中的總循環次數；fi1,fi2——試驗與實際中的相對循環次數。則加速因子模型為步驟五所描述的首次故障時間可靠性模型具體步驟如下：(1)可靠性模型初選：基于首次故障時間數據，進行數據的預處理，應用近似中位秩法得到首次故障截尾時間經驗分布函數，并繪制其散點圖。由概率論可知，正態分布和對數正態分布的曲線呈單峰形狀，指數分布的曲線呈單調下降形狀，而威布爾分布的形狀參數具有彈性，其取不同數值可簡化為指數分布、正態分布或對數正態分布，因此假設電主軸首次故障時間服從分布函數為t≥0的兩參數威布爾模型。(2)參數估計：對1-F0(t)兩邊取兩次自然對數得將該式左側與右側lnt做線性回歸模型的擬合，可以得到威布爾模型參數其中分布函數采用近似中位秩法計算(3)擬合優度檢驗：采用K-S檢驗法，計算假設分布函數F0本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，其特征在于，包括下述步驟：步驟一：采集產品載荷數據與故障信息；步驟二：基于所收集的載荷數據建立載荷分布模型；步驟三：設計程序載荷譜；步驟四：基于Miner疲勞累積損傷理論確定產品壽命估算式，據此建立加速壽命試驗加速因子模型；步驟五：基于故障信息，經模型假設、參數估計及假設檢驗建立首次故障時間可靠性模型；步驟六：基于首次故障時間進行試驗時間設計，以可接受的可靠度所對應的首次故障時間為基準，建立電主軸試驗時間與樣本量的關系模型；步驟七：考慮加速因子開展試驗時間設計，并驗證其可信性。

【技術特征摘要】
1.一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，其特征在于，包括下述步驟：步驟一：采集產品載荷數據與故障信息；步驟二：基于所收集的載荷數據建立載荷分布模型；步驟三：設計程序載荷譜；步驟四：基于Miner疲勞累積損傷理論確定產品壽命估算式，據此建立加速壽命試驗加速因子模型；步驟五：基于故障信息，經模型假設、參數估計及假設檢驗建立首次故障時間可靠性模型；步驟六：基于首次故障時間進行試驗時間設計，以可接受的可靠度所對應的首次故障時間為基準，建立電主軸試驗時間與樣本量的關系模型；步驟七：考慮加速因子開展試驗時間設計，并驗證其可信性。2.根據權利要求1所述的一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，其特征在于：步驟二中所述的建立載荷分布模型具體步驟如下：(1)根據所收集的載荷數據，分別繪制相對切削力矩Tr與相對循環次數Cr、累積相對循環次數的關系曲線；其中相對切削力矩Tr指的是實際切削力矩T與額定力矩TR之比；相對循環次數Cr指的是切削力矩T對應的循環次數C與全部切削力矩所對應的總循環次數CΣ之比。(2)經過模型假設、參數估計及假設檢驗，建立載荷分布模型。3.根據權利要求1所述的一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，其特征在于：步驟三所述的設計程序載荷譜具體步驟如下：(1)考慮電主軸在設計上所能承受的最大相對切削力矩，結合載荷分布模型，將切削力矩載荷分為輕載、輕中載、中載、中重載和重載五種情況；(2)確定各級載荷的相對載荷區間，結合載荷分布模型，將連續的曲線轉化為階梯曲線，使之成為適合電主軸可靠性試驗用的程序載荷譜。4.根據權利要求1所述的一種電主軸加速壽命試驗時間設計方法，其特征在于：步驟四所述的確定產品壽命估算式具體步驟如下：(1)基于Miner疲勞累積損傷理論建立累積損傷計算式：考慮測量出的各級應力σi的頻次ni與材料應力-壽命(σ-N)曲線上的理論頻次Ni，其比值ni/Ni＝di的累積值即為材料的累積損傷而達到的總損傷量D，其中σ-N曲線是材料處于彈性應變范圍時，應力與循環次數的關系曲線；則總損傷量式中：D——總損傷量；ni——試件在σi作用下的實際工作循環次數；Ni——在相應材料的σ-N線上，對應于σi的疲勞極限壽命，即失效循環次數；ni/Ni——試件在σi下產生的損傷分量，σi為應力循環特征r＝i時的應力；(2)考慮疲勞極限壽命的累積損傷計算式：根據各級應力水平下的疲勞壽命，得到材料應力-壽命(σ-N)曲線的數學關系式式中：l,Q——與材料、試樣的加載有關的常數；σr——表示在給定應力循環特征r下的應力；同時考慮對稱循環應力σ-1對應的疲勞極限壽命N0，得疲勞極限壽命的計算式為式中，l——與材料、試樣和加載有關的常數，b為σ-N曲線斜率；σ-1——應力循環特征r＝-1時的應力，也稱對稱循環應力；N0——對稱循環應力σ-1下的疲勞極限壽命；將式(3)代入式(1)，得累積損傷的計算式為：根據Miner理論，當D＝1時，就發生疲勞破壞；因此，根據Miner線性疲勞累積理論，考慮各工況下的程序載荷譜，計算出電主軸在不同工況下的累積損傷；(3)修正Miner疲勞累積損傷理論：用強度系數指數α代替式(2)中的l，其中α＝(0.81～0.94)l，取α＝0.85l；將σ-N曲線的直線段從σ-1延長至0.5σ-1，認為0.5σ-1以下的應力循環不再對機件造成損傷，不考慮其影響，將其刪去；累積損傷的計算式寫成：(4)建立壽命估算表達式：在多級程序載荷譜中，各級載荷作用下的循環次數為式中：nt——各級載荷作用總循環次數，即nt＝∑ni；fi——σi應力水平下的相對循環次數；ωi——程序載荷譜中對應σi的循環次數；將式(6)代入式(5)，得到當D＝1時即發生疲勞破壞，則壽命按式(8)估算：步驟四所述的建立加速壽命試驗加速因子模型具體步驟如下：(1)加速因子K是較可靠性強化試驗和實際使用相比較而言的，它是產品在加速環境2和實際環境1下，達到相同的損傷時的可靠性壽命nt2，nt1之比，稱為加速環境2相對于實際環境1的加速因子，按式(9)計算K＝nt2/nt1……………………………(9)(2)結合壽命估算表達式(8)，建立電主軸加速壽命...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭玉彬，楊斌，張英芝，申桂香，趙憲卓，秦猛猛，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：吉林,22