一種基于fmea分析的數(shù)控機(jī)床可靠性綜合分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械系統(tǒng)可靠性分析領(lǐng)域，具體涉及一種基于FMEA分析的數(shù)控機(jī)床 可靠性綜合分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械可靠性分配是根據(jù)一定的原則和方法，將整機(jī)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)自上而下逐級(jí) 分配到下屬各級(jí)產(chǎn)品，最終達(dá)到整機(jī)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的過程，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性在一定程 度上取決于設(shè)計(jì)初期可靠性指標(biāo)分配過程的合理性；
[0003] 數(shù)控車床作為制造業(yè)的主要設(shè)備，其可靠性程度對(duì)制造業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用； 由于數(shù)控車床結(jié)構(gòu)復(fù)雜且故障模式繁多，其設(shè)計(jì)初期的可靠性分配結(jié)果常出現(xiàn)不合理或可 信度不足的現(xiàn)象，進(jìn)而影響機(jī)床的使用效率及壽命；因此，討論如何合理地對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行 分配或再分配十分重要；
[0004] 數(shù)控機(jī)床可以看作是一種典型的串聯(lián)系統(tǒng)，針對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分配，目前主 要有平均分配法、基于FMEA的直接分配法、基于FMEA的指數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)分配法、綜合分配法、 基于模糊理論的可靠性分配方法等；然而，不同的理論均有其各自的優(yōu)勢(shì)與不足；例如，相 比于基于FMEA的平均分配法，基于FMEA的指數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)分配法雖然增強(qiáng)了高嚴(yán)重度及高 失效頻率的可靠性區(qū)分度，但是在工程實(shí)際中，大部分子系統(tǒng)的嚴(yán)重度及失效頻率均分布 在中區(qū)間內(nèi)（FMEA評(píng)價(jià)值為5-8)，該方法并不能很好地適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于FMEA分析的數(shù)控機(jī)床可靠性綜合分 配方法，以達(dá)到根據(jù)工程實(shí)際需要調(diào)節(jié)可靠性分配所關(guān)注的嚴(yán)重度區(qū)間，調(diào)節(jié)子系統(tǒng)可靠 性的區(qū)分度，在子系統(tǒng)分配較低可靠度的同時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到要求的可靠度，以達(dá)到降低 加工制造成本的目的。
[0006] 一種基于FMEA分析的數(shù)控機(jī)床可靠性綜合分配方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、設(shè)置目標(biāo)數(shù)控機(jī)床的目標(biāo)可靠度，并確定目標(biāo)數(shù)控機(jī)床所包括的子系統(tǒng)， 及每個(gè)子系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)和失效模式；
[0008] 步驟2、判斷可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)中是否包含子系統(tǒng)相關(guān)失效嚴(yán)重度，即是否考需要考 慮故障相關(guān)性的影響，若是，則執(zhí)行步驟3,否則執(zhí)行步驟4 ;
[0009] 步驟3、根據(jù)目標(biāo)數(shù)控機(jī)床子系統(tǒng)的失效概率，獲得子系統(tǒng)相關(guān)失效嚴(yán)重度；
[0010] 步驟4、結(jié)合實(shí)際情況，采用FMEA分析方法確定每個(gè)子系統(tǒng)中不同失效模式的 FMEA評(píng)價(jià)值，包括不同失效模式的失效嚴(yán)重度和不同失效模式的失效頻率，根據(jù)上述失效 嚴(yán)重度和失效頻率，進(jìn)一步獲得所有子系統(tǒng)的相對(duì)失效嚴(yán)重度平均值和相對(duì)失效頻率平均 值；
[0011] 步驟5、將FMEA分析方法中的嚴(yán)重程度和失效程度進(jìn)行分區(qū)，包括低、中、高三區(qū)；
[0012]步驟6、判斷每個(gè)子系統(tǒng)的相對(duì)失效嚴(yán)重度平均值和相對(duì)失效頻率平均值所屬分 區(qū)，并設(shè)定該分區(qū)內(nèi)子系統(tǒng)的可靠性分區(qū)度；
[0013] 步驟7、根據(jù)不同分區(qū)所設(shè)定的子系統(tǒng)的可靠性分區(qū)度和三階轉(zhuǎn)換函數(shù)，將每個(gè)子 系統(tǒng)的嚴(yán)重度和失效率有線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為非線性關(guān)系；
[0014] 步驟8、根據(jù)轉(zhuǎn)換后獲得的每個(gè)子系統(tǒng)失效嚴(yán)重度和失效頻率，及其他可靠性評(píng)價(jià) 指標(biāo)，獲得每個(gè)子系統(tǒng)在不同可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)下的分配系數(shù)和不同可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的分配 權(quán)重，進(jìn)而獲得子系統(tǒng)分配向量；
[0015] 步驟9、根據(jù)獲得的子系統(tǒng)分配向量，獲得最終每個(gè)子系統(tǒng)的可靠度，具體如下： [0016]當(dāng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)中不包括子系統(tǒng)相關(guān)失效嚴(yán)重度時(shí)，具體如下：
[0017] 步驟9-1、將步驟1所設(shè)定的目標(biāo)可靠度轉(zhuǎn)換為目標(biāo)失效率，根據(jù)子系統(tǒng)分配向量 和目標(biāo)失效率，獲得每個(gè)子系統(tǒng)的失效率；
[0018] 步驟9-2、將每個(gè)子系統(tǒng)的失效率轉(zhuǎn)換為可靠度，即獲得最終每個(gè)子系統(tǒng)的可靠 度；
[0019] 當(dāng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)中包括子系統(tǒng)相關(guān)失效嚴(yán)重度時(shí)，具體如下：
[0020] 步驟9-a、根據(jù)子系統(tǒng)分配向量，獲得子系統(tǒng)失效率比值；
[0021] 步驟9-b、根據(jù)步驟1所設(shè)定的目標(biāo)可靠度、子系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)、子系統(tǒng)的故障相 關(guān)關(guān)系和子系統(tǒng)失效率比值，獲得每個(gè)子系統(tǒng)的失效率；
[0022] 步驟9-c、將每個(gè)子系統(tǒng)的失效率轉(zhuǎn)換為可靠度，即獲得最終每個(gè)子系統(tǒng)的可靠 度；
[0023] 步驟10、根據(jù)所獲得的每個(gè)子系統(tǒng)的可靠度，設(shè)計(jì)目標(biāo)機(jī)床。
[0024] 步驟3所述的獲得子系統(tǒng)相關(guān)失效嚴(yán)重度，具體步驟如下：
[0025] 步驟3-1、統(tǒng)計(jì)目標(biāo)數(shù)控機(jī)床子系統(tǒng)的失效概率；
[0026] 步驟3-2、采用極大似然估計(jì)法獲得任意兩個(gè)子系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)；
[0027] 步驟3-3、建立目標(biāo)數(shù)控機(jī)床子系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)矩陣；
[0028] 步驟3-4、根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算獲得子系統(tǒng)相關(guān)失效嚴(yán)重度。
[0029] 步驟4所述的根據(jù)上述失效嚴(yán)重度和失效頻率，進(jìn)一步獲得所有子系統(tǒng)的相對(duì)失 效嚴(yán)重度平均值和相對(duì)失效頻率平均值，具體為：在每個(gè)子系統(tǒng)不同失效模式的失效嚴(yán)重 度中選擇最大值作為相對(duì)失效嚴(yán)重度，再獲得所有子系統(tǒng)的相對(duì)失效嚴(yán)重度平均值；在每 個(gè)子系統(tǒng)不同失效模式的失效頻率中選擇最大值作為相對(duì)失效頻率，再獲得所有子系統(tǒng)的 相對(duì)失效頻率平均值。
[0030] 步驟5所述的低區(qū)取值范圍為1~3級(jí)，中區(qū)取值范圍為4~7級(jí)，高區(qū)取值范圍 為8~10級(jí)。
[0031] 步驟7所述的根據(jù)不同分區(qū)所設(shè)定的子系統(tǒng)的可靠性分區(qū)度和三階轉(zhuǎn)換函數(shù)，將 每個(gè)子系統(tǒng)的嚴(yán)重度和失效率有線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為非線性關(guān)系，具體如下：
[0032] 三階轉(zhuǎn)換函數(shù)矣(￡)公式如下：
[0033]
)
[0034] 其中，E表示FMEA嚴(yán)重程度或失效程度，〖表示相對(duì)失效嚴(yán)重度平均值或相對(duì)失 效頻率平均值，a(l、C(l和C :均為待定系數(shù)；
[0035] 三階轉(zhuǎn)換函數(shù)與可靠性分區(qū)度關(guān)系式如下：
[0036]
[0037] 其中，As表示可靠性分區(qū)度；
[0038]將公式（2)代入至公式（1)中求解％、(^和ci系數(shù)的取值，即獲得三階轉(zhuǎn)換函數(shù) 式(幻，即完成每個(gè)子系統(tǒng)的嚴(yán)重度和失效率從有線性關(guān)系向非線性關(guān)系的轉(zhuǎn)換。
[0039] 步驟8所述的獲得子系統(tǒng)分配向量，具體步驟如下：
[0040] 步驟8-1、將轉(zhuǎn)換后獲得的每個(gè)子系統(tǒng)失效嚴(yán)重度和失效頻率作為兩個(gè)可靠性評(píng) 價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)其他可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立每個(gè)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)情況下，子系統(tǒng)兩兩之間的 失效率分配相對(duì)值矩陣；
[0041] 步驟8-2、根據(jù)失效率分配相對(duì)值矩陣，進(jìn)一步獲得每個(gè)子系統(tǒng)在不同可靠性評(píng)價(jià) 指標(biāo)下的相對(duì)分配系數(shù)矩陣；
[0042] 步驟8-3、采用專家打分的方法對(duì)每個(gè)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行打分，獲得分配 指標(biāo)權(quán)重向量；
[0043] 步驟8-4、將分配指標(biāo)權(quán)重向量與相對(duì)分配系數(shù)矩陣相乘，獲得子系統(tǒng)分配向量。
[0044] 步驟9_b所述的根據(jù)步驟1所設(shè)定的目標(biāo)可靠度、子系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)、子系統(tǒng)的故 障相關(guān)關(guān)系和子系統(tǒng)失效率比值，獲得每個(gè)子系統(tǒng)的失效率，具體公式如下：
[0045]
[0046] 其中，R/(t)表示設(shè)定的目標(biāo)可靠度，m表示具有相關(guān)性的子系統(tǒng)個(gè)數(shù)，s表 示相互獨(dú)立的子系統(tǒng)個(gè)數(shù)，n表示子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，Rjt)表示相關(guān)第i子系統(tǒng)的可靠度， ，入i表示第i個(gè)子系統(tǒng)失效率比值，a i表示分配向量的第i個(gè)元素， 叫表示分配向量的第1個(gè)元素，t表示時(shí)間，'U)表示不相關(guān)第/子系統(tǒng)的可靠度，7表示 具有故障相關(guān)性的子系統(tǒng)序數(shù)；/表示具有故障獨(dú)立的