基于性能衰变特征的重型数控装备时变可靠性分析与应用

可靠性是制约整个装备制造业发展的重大共性和关键性问题。本申请项目以重型数控装备为研究对象，从装备功能特性出发，探索装备性能非线性累积失效作用过程和性能状态演变规律，针对性地研究数据驱动的重型数控装备时变可靠性分析新方法，主要包括：建立对重型数控装备可靠性变动最敏感的最优特征参数集，识别多尺度多维性能特征参数与装备可靠性内在联系；建立基于状态相依自回归模型的性能衰变多维聚合模型，揭示装备性能衰退的时变性规律；提出基于隐马尔科夫随机场模型的多态系统时变可靠性分析方法，评估装备可靠性随时间的变动情况；开发重型数控装备时变可靠性分析平台，为上述可靠性技术的广泛应用提供支撑平台。本申请项目的研究为重型数控装备可靠性问题的解决提供新的理论方法和实用工具，对于提高重型数控装备稳定可靠运行能力、保证重型数控装备高精高效使用以及从纵深方向发展可靠性理论体系等都具有重要的理论意义和工程应用价值。

可靠性是影响国产数控装备市场占有率的关键因素之一，已成为制约装备制造业发展的重大共性和关键性问题。本项目的研究对象是重型数控装备。与普及类数控装备相比，重型数控装备不仅技术含量高、结构复杂、故障模式多样，而且加工工况多变、大变载和大行程、数量少等，这使得面向普及类数控装备的可靠性研究成果并不能完全适用于重型数控装备。此外，重型数控装备的单个零件加工周期长、价格昂贵，这使得需要及时掌握重型数控装备使用过程中可靠性变动情况，而传统的基于故障数据的可靠性分析方法无法及时评估与预测重型数控装备可靠性能力。经调研发现：重型数控装备在使用过程中尽管未发生突发性故障，但是由于其组成元器件电性能衰退、零部件的耗损等，导致性能随着时间延长而逐渐下降或上升。此时，重型数控装备虽然仍能“正常”运行，但是已丧失部分规定功能，装备发生非计划停机故障率增大，降低了装备工作可靠性。相比突发性故障，性能衰变能够为重型数控装备可靠性分析提供更准确更及时的信息，有助于快速地分析与评估重型数控装备可靠性。基于此，本项目从重型数控装备功能特性出发，首先探索了数控装备性能非线性累积失效作用过程，将性能衰退失效划分为三个阶段，并确定衰退分析或寿命预测都必须针对衰退序列的第三阶段进行。然后，针对数控装备精度性能的小样本、多变退化规律和非周期性检测等特点，分别开展非重复精度和重复精度的衰退分析和寿命预测。对于非重复精度，提出局部退化规律的概念，并利用指数函数进行表征，局部退化视为全局退化规律的采样，利用参数经验贝叶斯技术，通过局部寿命样本“逼近”全局寿命；对于重复精度，将其分为均值和方差两个退化过程，提出一种基于双维纳过程的退化模型，且均值和方差退化的漂移参数服从二元正态分布，并通过EM算法实现参数估计。同时，进行了仿真案例、裂纹案例和数控装备滑枕进给子系统精度衰退案例分析，以验证所提出方法的有效性和实用性。接着，通过对HMM模型进行了改进，提出了基于性能衰退数据的数控装备时变可靠性分析方法，揭示了数控装备运行状态演变过程。同时，在某型重型数控双门龙镗铣床进行了应用研究，以验证所提出方法的有效性。最后，在理论方法研究的基础上，设计与开发了重型数控装备时变可靠性分析平台，并在企业进行了初步应用。本项目的研究结果对于提升重型数控装备的稳定可靠运行能力和保证重型数控装备高精高效使用等都具有重要的理论意义和工程应用价值。