一种电主轴加速寿命试验时间设计方法技术

本发明专利技术属于数控机床技术领域，涉及一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，包括下述步骤：1、采集产品载荷数据与故障信息；2、建立载荷分布模型；3、设计程序载荷谱；4、基于Miner疲劳累积损伤理论确定产品寿命估算式，据此建立加速寿命试验加速因子模型；5、基于故障信息，经模型假设、参数估计及假设检验建立首次故障时间可靠性模型；6、基于首次故障时间进行试验时间设计，以可接受的可靠度所对应的首次故障时间为基准，建立电主轴试验时间与样本量的关系模型；7、考虑加速因子开展试验时间设计，并验证其可信性。本发明专利技术不仅考虑试验时间与样本量的关系模型，同时基于修正Miner理论建立加速因子模型，提高了建模准确度，更加符合实际。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种电主轴加速寿命试验时间设计方法
本专利技术属于数控机床
，涉及一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，具体涉及电主轴试验时间与样本量的关系模型构建、Miner疲劳累积损伤理论及其修正、程序载荷谱建立、加速寿命试验加速因子模型构建，在此基础上考虑加速因子对机床电主轴试验时间进行设计计算，并验证其可信性。
技术介绍
电主轴是机床系统的关键部件，其性能和可靠性水平的高低在很大的程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率；可靠性试验是获取故障信息、故障数据以及进行可靠性评估的基础；但目前机床电主轴样品往往数量较少、成本高且寿命相对较长，传统的可靠性寿命试验难以满足要求；为此，开展电主轴加速寿命试验研究势在必行。当前国内外电主轴可靠性试验技术研究较多，主要侧重于恒定应力加速寿命模型下以定数截尾的方式进行寿命模型参数估计及预测精度分析。如刘瀚文等利用所设计的电主轴试验台，通过加载系统模拟真实工况的载荷谱，以功率为加速应力，进行恒应力下电主轴加载试验，但与步进应力加速寿命相比，其试样失效较慢，所需样本量较大；朱德馨、迟玉伦等假设机床主轴的寿命服从威布尔分布且机床主轴的特征寿命与试验载荷之间满足逆幂率方程时，建立定数截尾恒定应力加速寿命试验模型，但是实际试验中产品受到多种应力的复杂影响，难以建立符合实际的加速模型来表示寿命特征与应力水平之间的关系；Siew-LengTeng和Kwee-PooYeo假设寿命-应力曲线服从对数线性关系，建立定数截尾步进应力加速寿命试验模型，提出了步进应力加速寿命试验的最小二乘分析方法，明显简化了试验方案设计的推导过程，但在电主轴等高可靠性产品寿命试验中，经常只出现极少失效数据的情况，缺少足够的试验数据。
技术实现思路
针对现有技术鲜有考虑加速因子对电主轴试验样本量以及试验时间进行设计，本专利技术提供了一种集试验时间与样本量的关系模型和加速因子模型的电主轴加速寿命试验时间设计方法，并进行可信性验证，为加速寿命试验方案设计提供依据。为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，包括下述步骤：步骤一：采集产品载荷数据与故障信息；步骤二：基于所收集的载荷数据建立载荷分布模型；步骤三：设计程序载荷谱；步骤四：基于Miner疲劳累积损伤理论确定产品寿命估算式，据此建立加速寿命试验加速因子模型；步骤五：基于故障信息，经模型假设、参数估计及假设检验建立首次故障时间可靠性模型；步骤六：基于首次故障时间进行试验时间设计，以可接受的可靠度所对应的首次故障时间为基准，建立电主轴试验时间与样本量的关系模型；步骤七：考虑加速因子开展试验时间设计，并验证其可信性。步骤二中所描述的建立载荷分布模型具体步骤如下：(1)根据所收集的载荷数据，分别绘制相对切削力矩Tr与相对循环次数Cr、累积相对循环次数的关系曲线，其中相对切削力矩Tr指的是实际切削力矩T与额定力矩TR之比；相对循环次数Cr指的是切削力矩T对应的循环次数C与全部切削力矩所对应的总循环次数CΣ之比；(2)经过模型假设、参数估计及假设检验，建立载荷分布模型。步骤三所描述的设计程序载荷谱具体步骤如下：(1)考虑电主轴在设计上所能承受的最大相对切削力矩，结合载荷分布模型，将切削力矩载荷分为轻载、轻中载、中载、中重载和重载五种情况；(2)确定各级载荷的相对载荷区间，结合载荷分布模型，将连续的曲线转化为阶梯曲线，使之成为适合电主轴可靠性试验用的程序载荷谱。步骤四所描述的确定产品寿命估算式具体步骤如下：(1)基于Miner疲劳累积损伤理论建立累积损伤计算式：考虑测量出的各级应力σi的频次ni与零件σ-N曲线上的理论频次Ni，其比值ni/Ni＝di的累积值即为材料的累积损伤而达到的总损伤量D，其中σ-N曲线是材料处于弹性应变范围时，应力与循环次数的关系曲线；则总损伤量式中：D——总损伤量；σi——应力循环特征r＝i时的应力；ni——试件在σi作用下的实际工作循环次数；Ni——在相应材料的σ-N线上，对应于σi的疲劳极限寿命，即失效循环次数；ni/Ni——试件在σi下产生的损伤分量。(2)考虑疲劳极限寿命的累积损伤计算式：根据各级应力水平下的疲劳寿命，得到材料σ-N曲线的数学关系式式中：l,Q——与材料、试样和加载有关的常数；σr——表示在给定应力循环特征r下的应力。同时考虑交变应力σ-1对应的疲劳极限寿命N0，得式中，l——与材料、试样和加载有关的常数，b为σ-N曲线斜率；σ-1——应力循环特征r＝-1时的应力，也称对称循环应力；N0——对称循环应力σ-1下的疲劳极限寿命。将式(3)代入式(1)，得累积损伤的计算式为：根据Miner理论，当D＝1时，就发生疲劳破坏；因此，根据Miner线性疲劳累积理论，考虑各工况下的程序载荷谱，计算出电主轴在不同工况下的累积损伤。(3)修正Miner疲劳累积损伤理论：Miner理论没有考虑疲劳持久极限以下的载荷对裂纹形成和扩展的影响，很多情况下，直接按Miner线性疲劳累积理论对部件的疲劳寿命进行估计与实际情况存在较大的差距，需要对其进行修正。经过研究，H.T.科尔顿和T.J.多兰提出用强度系数指数α代替式(2)中的l，其中α＝(0.81～0.94)l，通常取α＝0.85l。同时考虑到小载荷的影响，将σ-N曲线的直线段从σ-1延长至0.5σ-1，认为0.5σ-1以下的应力循环不再对机件造成损伤，不考虑其影响，将其删去。因此累积损伤的计算式写成：(4)建立寿命估算表达式：在多级程序载荷谱中，各级载荷作用下的循环次数为式中：nt——各级载荷作用总循环次数，即nt＝∑ni；fi——σi应力水平下的相对循环次数；ωi——程序载荷谱中对应σi的循环次数。将式(6)代入式(5)，可得当D＝1时即发生疲劳破坏，则寿命可按式(8)估算：步骤四所述的建立加速寿命试验加速因子模型具体步骤如下：(1)加速因子K是较可靠性强化试验和实际使用相比较而言的，它是产品在加速环境2和实际环境1下，达到相同的损伤时的可靠性寿命nt2，nt1之比，称为加速环境2相对于实际环境1的加速因子，按式(9)计算K＝nt2/nt1……………………………(9)(2)结合寿命估算表达式(8)，建立电主轴加速寿命试验加速因子模型式中，D1,D2——试验与实际中的损伤因子统计量；nt1,nt2——试验与实际中的估算寿命；ω1,ω2——试验与实际中的总循环次数；fi1,fi2——试验与实际中的相对循环次数。则加速因子模型为步骤五所描述的首次故障时间可靠性模型具体步骤如下：(1)可靠性模型初选：基于首次故障时间数据，进行数据的预处理，应用近似中位秩法得到首次故障截尾时间经验分布函数，并绘制其散点图。由概率论可知，正态分布和对数正态分布的曲线呈单峰形状，指数分布的曲线呈单调下降形状，而威布尔分布的形状参数具有弹性，其取不同数值可简化为指数分布、正态分布或对数正态分布，因此假设电主轴首次故障时间服从分布函数为t≥0的两参数威布尔模型。(2)参数估计：对1-F0(t)两边取两次自然对数得将该式左侧与右侧lnt做线性回归模型的拟合，可以得到威布尔模型参数其中分布函数采用近似中位秩法计算(3)拟合优度检验：采用K-S检验法，计算假设分布函数F0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：采集产品载荷数据与故障信息；步骤二：基于所收集的载荷数据建立载荷分布模型；步骤三：设计程序载荷谱；步骤四：基于Miner疲劳累积损伤理论确定产品寿命估算式，据此建立加速寿命试验加速因子模型；步骤五：基于故障信息，经模型假设、参数估计及假设检验建立首次故障时间可靠性模型；步骤六：基于首次故障时间进行试验时间设计，以可接受的可靠度所对应的首次故障时间为基准，建立电主轴试验时间与样本量的关系模型；步骤七：考虑加速因子开展试验时间设计，并验证其可信性。

【技术特征摘要】
1.一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：采集产品载荷数据与故障信息；步骤二：基于所收集的载荷数据建立载荷分布模型；步骤三：设计程序载荷谱；步骤四：基于Miner疲劳累积损伤理论确定产品寿命估算式，据此建立加速寿命试验加速因子模型；步骤五：基于故障信息，经模型假设、参数估计及假设检验建立首次故障时间可靠性模型；步骤六：基于首次故障时间进行试验时间设计，以可接受的可靠度所对应的首次故障时间为基准，建立电主轴试验时间与样本量的关系模型；步骤七：考虑加速因子开展试验时间设计，并验证其可信性。2.根据权利要求1所述的一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，其特征在于：步骤二中所述的建立载荷分布模型具体步骤如下：(1)根据所收集的载荷数据，分别绘制相对切削力矩Tr与相对循环次数Cr、累积相对循环次数的关系曲线；其中相对切削力矩Tr指的是实际切削力矩T与额定力矩TR之比；相对循环次数Cr指的是切削力矩T对应的循环次数C与全部切削力矩所对应的总循环次数CΣ之比。(2)经过模型假设、参数估计及假设检验，建立载荷分布模型。3.根据权利要求1所述的一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，其特征在于：步骤三所述的设计程序载荷谱具体步骤如下：(1)考虑电主轴在设计上所能承受的最大相对切削力矩，结合载荷分布模型，将切削力矩载荷分为轻载、轻中载、中载、中重载和重载五种情况；(2)确定各级载荷的相对载荷区间，结合载荷分布模型，将连续的曲线转化为阶梯曲线，使之成为适合电主轴可靠性试验用的程序载荷谱。4.根据权利要求1所述的一种电主轴加速寿命试验时间设计方法，其特征在于：步骤四所述的确定产品寿命估算式具体步骤如下：(1)基于Miner疲劳累积损伤理论建立累积损伤计算式：考虑测量出的各级应力σi的频次ni与材料应力-寿命(σ-N)曲线上的理论频次Ni，其比值ni/Ni＝di的累积值即为材料的累积损伤而达到的总损伤量D，其中σ-N曲线是材料处于弹性应变范围时，应力与循环次数的关系曲线；则总损伤量式中：D——总损伤量；ni——试件在σi作用下的实际工作循环次数；Ni——在相应材料的σ-N线上，对应于σi的疲劳极限寿命，即失效循环次数；ni/Ni——试件在σi下产生的损伤分量，σi为应力循环特征r＝i时的应力；(2)考虑疲劳极限寿命的累积损伤计算式：根据各级应力水平下的疲劳寿命，得到材料应力-寿命(σ-N)曲线的数学关系式式中：l,Q——与材料、试样的加载有关的常数；σr——表示在给定应力循环特征r下的应力；同时考虑对称循环应力σ-1对应的疲劳极限寿命N0，得疲劳极限寿命的计算式为式中，l——与材料、试样和加载有关的常数，b为σ-N曲线斜率；σ-1——应力循环特征r＝-1时的应力，也称对称循环应力；N0——对称循环应力σ-1下的疲劳极限寿命；将式(3)代入式(1)，得累积损伤的计算式为：根据Miner理论，当D＝1时，就发生疲劳破坏；因此，根据Miner线性疲劳累积理论，考虑各工况下的程序载荷谱，计算出电主轴在不同工况下的累积损伤；(3)修正Miner疲劳累积损伤理论：用强度系数指数α代替式(2)中的l，其中α＝(0.81～0.94)l，取α＝0.85l；将σ-N曲线的直线段从σ-1延长至0.5σ-1，认为0.5σ-1以下的应力循环不再对机件造成损伤，不考虑其影响，将其删去；累积损伤的计算式写成：(4)建立寿命估算表达式：在多级程序载荷谱中，各级载荷作用下的循环次数为式中：nt——各级载荷作用总循环次数，即nt＝∑ni；fi——σi应力水平下的相对循环次数；ωi——程序载荷谱中对应σi的循环次数；将式(6)代入式(5)，得到当D＝1时即发生疲劳破坏，则寿命按式(8)估算：步骤四所述的建立加速寿命试验加速因子模型具体步骤如下：(1)加速因子K是较可靠性强化试验和实际使用相比较而言的，它是产品在加速环境2和实际环境1下，达到相同的损伤时的可靠性寿命nt2，nt1之比，称为加速环境2相对于实际环境1的加速因子，按式(9)计算K＝nt2/nt1……………………………(9)(2)结合寿命估算表达式(8)，建立电主轴加速寿命...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑玉彬，杨斌，张英芝，申桂香，赵宪卓，秦猛猛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22