第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
经济全球化带来市场竞争的不断激烈，对机械加工要求越来越高。为满足汽车、飞机、航天等领域对铝合金、钛合金等材料零件的高速精密加工，要求现代数控机床应具备高转速、高精度、高效率及高可靠性[1,2]。为此，具有高速、精密和高效率特性电主轴迅速在数控机床上得到了广泛应用。一些工业发达国家，如德国、美国、瑞士、日本等在高速数控机床上不仅广泛采用了电主轴结构，而且把它作为重点研究和发展对象[3]。
电主轴又被称为“内藏式主轴”，是一个较为复杂的系统。它取消了一切中间的机械传动环节[4,5]，将机床的主轴部件和电动机的转子直接通过过盈配合连接在一起，实现了数控机床传动系统所谓的“零传动”，具有机械结构简单、高速精密、易于平衡、传动效率高和安装方便等优点[6]。这种结构显著提高了数控机床加工精度、效率和可靠性，但也带来了一系列新的诸如主轴单元的动平衡、内置电动机的散热、润滑方式以及主轴的合理支承等问题，这些问题直接影响主轴系统稳定可靠的运行。可靠性是保障产品正常运行的重要技术特性，电主轴故障频发会导致数控机床经常出现停机的情况，不仅给企业带来巨大的损失，也影响机床用户对国产电主轴产品的信心。因此，电主轴的可靠性、工作寿命是设计电主轴和顾客选用电主轴产品时必须认真考虑的技术指标。迄今为止，电主轴及其主机产品可靠性问题已经成为制造企业和销售市场关注的焦点。
随着高速精密加工技术的发展和进步，许多行业对高刚度大功率电主轴及其主机产品的需求与日俱增。一台高速大功率机床可以收到几台普通机床的功效，减少了材料、工时和能源的消耗，并且高可靠性机床不仅能减少用户的停机损失和经济损失，也减少了主机厂的维修费用，同时也提高了主机厂产品的声誉，增强其对市场的竞争能力，经济效益和社会效益十分显著。我国是世界上数控装备消费的大国，近年来高端数控装备进口量急剧上升，国产数控装备产品在全面开放的市场竞争中面临危机，能否占领市场是影响我国数控装备产业存亡和发展的关键。
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1.2 电主轴及电主轴可靠性技术国内外研究现状
1.2.1 电主轴国内外研究现状
国外对电主轴的研究起步较早，最早应用在内圆磨床。20 世纪 80 年代开始逐步应用到数控铣床、数控钻床和加工中心等各类数控机床中[9,10]。电主轴的出现和应用极大地提高了高速精密加工技术和数控机床性能，并且带来了巨大的经济效益，国外电主轴及其技术得到了迅速发展。目前瑞士、德国、意大利、美国、日本是电主轴产品的主要生产国，特别是在高端领域处于世界领先水平，市场占有率达到 80%以上，牢牢掌控着市场[11,12]。另外，韩国、中国台湾地区在中档立式加工中心、数控车、木工机械等领域的主轴产品具有一定的竞争优势[13]。
高速、大功率、大扭矩、高精度、高刚度和高可靠性成为现在国际上高端数控机床电主轴的主要研究方向和应用趋势[14]。瑞士 IBAG 公司生产的系列电主轴最大转速可达180000r/min，功率可达 80kW；瑞士 MIKROV 公司生产的 HSM700 高速加工中心的 HF 系列陶瓷轴承电主轴转速达到了 42000r/min，主轴功率为 12kW，径向圆跳动 0.5~2.0μm，加工精度达到了 1.5μm；英国 WESTWIND 公司生产的 PCB 钻孔机的 D1733 电主轴转速达到了 250000r/min，最高转速时的动态回转精度可达 5μm，可钻直径为 0.075~3.17mm 微孔；美国 INGERSOLL 公司生产的 HVM 高速机床的主轴转速（功率）可达 20000r/min，功率是25kW；德国 GMN公司生产的 HS 型应用复合陶瓷球轴承的电主轴最大扭矩可达 450Nm，最大功率达到 120kW；日本 MAZAK 公司生产的 MEGA-8800 重切削卧式加工中心输出功率达到 85kW，最大输出扭矩 1249Nm。
国内对电主轴技术的研究始于 20 世纪 60 年代，也是用于内圆磨床，但直到 90 年代才开始真正研究用于其他用途的电主轴[15]。近年来，随着我国机床行业的快速发展，也带动了我国电主轴技术的迅速发展。洛阳轴承科技股份有限公司研制开发出转速最高为150000r/min，功率可达 75kW，扭矩最大为 200Nm 的系列化加工中心用电主轴；安阳莱必泰机械有限公司研制生产的加工中心用电主轴，采用矢量闭环控制技术，能够实现对主轴恒功率调速、准停制动；广州昊志机电股份有限公司开发的印刷电路板行业钻孔超高速气浮主轴最高转速达到 350000r/min；汉川机床有限责任公司也先后研制出 5.5kW 和 15kW 的大功率电主轴。
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第 2 章 集成 FMECA/ DEMATEL/ FMMESA 的电主轴故障分析
2.1 概述
可靠性试验是获取可靠性信息进而评估产品可靠性的基础，而充分分析产品基本可靠性情况，是合理设计可靠性试验的基础。为此，需要对研制产品的前期类似产品进行现场可靠性试验，结合产品应用过程故障信息，分别从故障影响、故障相关性及环境因素等角度进行故障分析，以明晰故障机理。
本章针对单一故障分析方法无法明晰故障机理问题，采用集成的 FMECA/ DEMATEL/ FMMESA 方法（如图 2.1）对电主轴进行故障分析。首先在分析电主轴基本结构和工作原理基础上进行电主轴子系统划分，结合现场故障信息，用 FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis，即故障模式影响及危害性分析）方法从故障发生部位、故障发生形式及故障影响等角度进行电主轴故障统计分析，从整体上把握电主轴的薄弱环节及关键故障模式；然后用 DEMATEL（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，即决策实验室分析）方法对关键故障模式进行故障相关性分析，从故障相关角度通过计算“四度”确定关键故障模式发生机理；最后应用 FMMESA（Fault Mode，Mechanism，Environmental Stress Analysis，即模式—失效机理—环境应力分析）确定关键零件或故障环境应力情况，为后续可靠性试验测试点、环境应力选择及测试系统搭建奠定基础。
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2.2 电主轴故障信息采集
2.2.1 电主轴故障判定与记录
随着电主轴在数控机床上的应用越来越广泛，其稳定性和可靠性决定了数控机床的工作精度和使用寿命，在加工过程中电主轴产生任何微小故障都会影响企业正常的生产运作。因此及早发现电主轴可能出现的各种故障，确定故障原因并及时采取相应的解决措施，是保障企业生产正常运行的重点与关键。
故障定义与分类是故障分析的基础，电主轴的故障大致可以分为三类：一类是由于机械故障而导致的电主轴无法正常运转，如主轴发热、噪音、异响、主轴抱死、振动、密封泄露等情况。二类是由于电气故障导致的电主轴启动困难、出现过电流、过电压现象、没有模拟信号等情况。三类故障是指很多情况下难以区分是机械故障还是电气故障的电主轴故障，如电主轴加工精度出现明显的下降，电主轴子系统（如主轴轴承）的温度和温升情况、电主轴子系统（如冷却系统）的工作情况未符合相关规定的要求等。
因此，本文结合电主轴产品在生产过程中常见的启动困难、噪声与振动大、主轴发热、加工精度差、降速或速度不稳定、轴承烧损及定子组温度过高等故障现象及其可能产生原因、造成的后果等内容进行电主轴故障判定与记录，为后续电主轴的故障分析及可靠性试验奠定基础。
（1）故障定义
根据 GJB 451A-2005 对故障的定义，故障是指产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，通常指功能故障。产品不能完成规定功能具体表现在：在规定的条件下工作时，产品的一个或几个性能参数不能保持在规定的范围内，或其结构部分、组件、元件等在工作条件下破损、断裂、丧失完成规定功能的能力。然而并非所有故障都可以客观的直接确定，许多故障不得不由主观判断，如噪音超过多大，温升大于多少等。因此在定义故障时必须明确故障标准，即故障判据。
（2）故障分类
可靠性试验过程中的故障，从故障起因上可分为非关联故障和关联故障。根据GJB451A-2005 中的规定，非关联故障指已经证实是未按规定的条件使用而引起的故障，或已经证实仅属某项将不采用的设计所引起的故障，否则为关联故障。在解释试验或工作结果或者计算可靠性量值时关联故障是必须计入的故障，而非关联故障应予以排除。
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第 3 章 基于威布尔分布的电主轴加速试验时间设计 ....................................... 35
3.1 概述 ................................ 35
3.2 载荷谱分析 ............................ 36
3.2.1 典型工况与载荷测取 ...................................... 36
3.2.2 数据初步分析 ................................. 40
第 4 章 电主轴可靠性台架试验及信息采集 ............................................. 55
4.1 概述 ......................................... 55
4.2 电主轴可靠性试验台简介 ............................................ 55
4.3 电主轴可靠性测试方案设计 ........................................ 58
第 5 章 无突发失效信息下电主轴寿命评估 ............................. 77
5.1 概述 ....................................... 77
5.2 无突发失效信息下可靠性建模 .................................. 77
第 5 章 无突发失效信息下电主轴寿命评估
5.1 概述
电主轴属于高可靠、长寿命产品，因时间、经费等因素限制，短期内很难取得突发失效信息，而产品在使用过程中性能总是发生退化，故其可靠性研究多结合退化信息展开。研究发现，产品使用过程中突发失效、退化失效两种失效模式共存，是两种失效模式竞争的结果。因此，从竞争角度进行竞争失效可靠性建模研究，可以提高电主轴可靠性建模合理性与寿命评估的准确性。
当前，竞争失效建模方法很多，如考虑退化失效与突发失效无关的独立退化失效可靠性模型；考虑突发失效时间与性能退化量间关系的 Cox 比例风险回归模型（proportional hazards model，简称 Cox 模型）；突发失效服从威布尔分布、退化失效服从 Wiener 过程下基于模式相关的竞争失效建模等。上述研究从突发失效与退化失效两失效模式独立与相关角度进行竞争失效建模研究，但这些研究均在突发失效信息存在下进行竞争失效模型构建，对于电主轴这类高可靠长寿命产品无突发失效数据的情况并未涉及。
故本章首先结合第 3 章中电主轴试验可靠性模型信息及第 4 章中电主轴试验性能退化信息，考虑环境因素对试验的影响，引入单侧置信限法进行无突发失效数据下两参数威布尔分布产品基本失效率建模、以性能退化量为协变量，构建反应失效率和协变量之间依存关系的部分分布竞争风险模型，以此进行无突发失效信息下电主轴可靠性建模研究。然后，应用当前常用的 Wiener 过程理论进行基于退化信息的电主轴可靠性建模。最后将两种可靠性模型与目标模型进行对比，进行模型合理性验证，并据此进行电主轴可靠寿命评估。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
电主轴是高可靠长寿命复杂系统，短期内无法得到足够的产品突发故障信息，传统的统计可靠性研究遇到极大困难，但电主轴使用过程中始终伴随着性能退化，故结合性能退化信息开展无突发失效信息下电主轴可靠性建模及评估技术研究具有一定的理论与实际意义。
本文以“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项课题以及吉林省科技发展计划项目为依托，以高速精密数控机床用高速大功率电主轴为研究对象，基于现场故障信息，对其进行故障分析、可靠性评价基础上，开展电主轴可靠性试验设计、电主轴可靠性测试与数据采集及可靠性评估技术研究.
主要研究内容及结论如下：
（1）依据电主轴可靠性国家标准制定定时截尾现场可靠性试验方案，跟踪采集了 39台试验样机的电主轴 14 条故障信息。在应用功能结构映射及采用模块化技术进行电主轴组件划分、结合故障现象及发生机理进行故障模式与故障原因分类基础上，对故障现象进行故障危害性分析，从整体上把握故障模式发生情况；应用 DEMATEL 法通过“四度”计算分析可知故障表现是主轴失效和润滑失效，但原因主要来源于轴承失效和装配失效；应用故障模式—故障机理—环境应力定性分析可知，关键故障模式的环境应力为振动应力、摩擦应力和温度应力。以上研究为后续电主轴可靠性试验时间设计、测试方案设计及基于试验信息的电主轴可靠性评估奠定基础。
（2）结合电主轴其类似产品典型工况下加工工艺参数，计算其正常工作载荷，据此实现试验载荷编制；并基于生存分析与似然函数法进行定时截尾试验下可靠性模型参数估计，应用 Hollander 检验准则进行模型检验，建立电主轴可靠性模型并据此进行可靠性评估；结合修正 Miner 疲劳损伤累积理论，进行形状参数已知下，基于威布尔分布模型的电主轴寿命试验加速因子确定及基于威布尔分布模型的电主轴加速寿命试验时间模型构建，结合新研制产品平均寿命水平进行加速寿命试验时间设计，为实验室可靠性试验测试奠定基础。
参考文献（略）