《数控磨床 可靠性评定》

1JB/T14476—2023数控磨床可靠性评定本文件规定了数控磨床可靠性现场试验的故障判定、计数原则、可靠性评价指标和评定方法。本文件适用于数控磨床的可靠性评定活动。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T6477-2008金属切削机床术语GB/T2900.13-2008电工术语可信性与服务质量GB/T23567.1-2009数控机床可靠性评定第1部分：总则3术语和定义GB/T6477-2008、GB/T2900.13-2008、GB/T23567.1-2009界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1数控磨床numerically-controlledgrindingmachine;NCgrindingmachines,NCgrinders用磨削的方法加工工件各种表面的数控机床（以下简称“机床”）。3.2故障fault产品不能完成要求的功能的状态，预防性维修或其他计划的行动或因缺乏外部资源的情况除外。[来源：GB/T2900.13-2008，191-05-01]3.3关联故障relevantfault在解释试验或工作结果或者计算可靠性量值时应计入的故障。计入的准则应加以规定。[来源：GB/T23567.1-2009，3.2]3.4跟踪统计现场试验trackingofstatisticalfieldtest在对工作、环境、维修和测量条件均作记录的现场，采用跟踪统计方式进行的符合性试验或测定试验。[来源：GB/T2900.13-2008，191-14-05，有修改]3.5偶然故障randomfault设备由于偶然因素发生的故障。3.6致命故障fatalfault严重危机人身安全或造成重大经济损失的故障。3.7可靠性reliability产品在给定的条件下和在给定的时间区间内能完成要求的功能的能力。2JB/T14476—2023[来源：GB/T2900.13-2008,191-02-06]3.8可靠度reliability产品在给定的条件下和在给定的时间区间（t1，t2）内能完成要求的功能的概率。[来源：GB/T2900.13-2008,191-12-01]3.9定时截尾试验timetruncatedtest为缩短试验时间，试验进行到一定时间即行停止试验。[来源：GB/T23567.1-2009,3.14]3.10平均故障间隔工作时间meantimebetweenfailuresMTBF相邻两个故障间工作时间的平均值。[来源：GB/T23567.1-2009,3.71]3.11平均修复时间meantimetorestorationMTTR修复时间的数学期望。[来源：GB/T2900.13-2008,191-13-08]3.12瞬时可用度instantaneousavailability在要求的外部资源得到提供的前提下，产品在给定的条件下和给定的时刻处于能完成要求的功能的概率。[来源：GB/T2900.13-2008,191-11-01]3.13【稳态】可用度（steady-state）availabilityA稳定条件下，给定时间区间内的瞬时可用度的平均值。[来源：GB/T2900.13-2008,191-11-06]3.14预防性维修preventivemaintenance为减低产品发生失效或功能退化的概率，按预定的时间间隔或按规定的准则实施的维修。[来源：GB/T2900.13-2008,191-07-07]4可靠性评定目的和原则4.1可靠性评定目的4.1.1通过对机床产品故障的现场跟踪统计，积累可靠性数据。4.1.2评估、验证现有机床产品可靠性水平。4.1.3持续改进并提高机床产品的可靠性水平。4.2评定原则4.2.1客观准确地评定机床产品的可靠性。4.2.2评定过程应简便，经济合理。5样机选择及抽样原则5.1样机选择原则3JB/T14476—20235.1.1样机应具有合格证的性能和功能，应有出厂合格证。5.1.2样机应是符合正常生产条件下生产的产品并且为近两年内生产的产品或新研制开发的产品。5.1.3样机应是按正常使用工况使用的机床，样机的运行工况和使用环境都应具有代表性。即工作载荷、作业班次、操作和维护程序、使用环境等符合设计或产品说明书中规定的要求。5.1.4抽取的样本在生产厂家已经进行过早期故障排除试验，已经度过早期故障期，正运行在偶然故5.2抽样原则5.2.1抽样原则应按GB/T23567.1-2009中5.1的规定。5.2.2抽样数量根据抽样原则，在产品中随机抽样。抽样数量按表1的规定。表1抽样数量％，6可靠性试验6.1试验方法采用定时截尾试验方法，对机床的MTBF、MTTR和A三项指标进行评定，每台机床的累积试验时间不少于机床产品MTBF预估值的3倍。6.2试验要求6.2.1所有试验的机床产品应是按相关标准或技术文件，经出厂检验合格的产品。6.2.2所有试验的产品都应编号，且试验前不准对样机进行任何质量方面的特殊处理。6.2.3试验设施及检测仪器、仪表经检定并应符合行业相关规定要求。6.2.4应指定专人负责现场可靠性试验的组织和实施，明确试验人员、维修人员和故障分析人员的职责，值班安排、运行记录和故障维修记录等表格准备就绪。6.3试验条件6.3.1机床试验的环境条件应符合数控磨床使用说明书的规定。6.3.2对有特殊使用条件要求的机床，则试验条件不应超出所规定使用条件的极限水平。6.3.3如果验证机床典型工作条件下的可靠性水平，则试验条件应当选择典型的工作条件。6.3.4若有几个地点可供现场可靠性试验，应选择最严酷试验条件的地点。6.3.5对于进行机床可靠性数据对比实验，则应选择具有相同或基本一致的条件的地点。7故障判断和计数原则7.1故障的判定故障的判定原则应按GB/T23567.1-2009中4.1的规定。7.2故障的计数原则故障的计数原则应按GB/T23567.1-2009中4.2的规定。8试验数据的采集4JB/T14476—20238.1通用要求8.1.1由用户进行数据采集时，试验方应对用户进行培训，使用户明确有关定义和含义，掌握故障判定原则和计数原则，并应向用户提供机床的故障记录表和故障分析报告等模版。8.1.2试验方应定期到用户现场了解情况，对具体问题予以指导，并应定期或一次性对用户的记录和报告进行回收、存档。8.1.3若观察期间未发现故障，或中途停止试验，可根据有关方法如累积故障法等处理中断数据。8.2数据记录8.2.1一旦发生故障，检验方或用户应根据故障判定和计数原则对现场可靠性试验过程中机床的故障和运行情况进行跟踪记录。并填写《机床运行记录表》、《机床故障记录表》、《机床故障记录汇总表》，表格参照附录A。8.2.2对于达到寿命期限的耗损件和配套件的更换不计故障，但应作记录。8.2.3记录应准确、完整，凡涂改之处应有记录人的签章并说明理由。9可靠性特征量的评定9.1MTBF估计9.1.1MTBF的观测值估计MTBF观察值估计见公式（1）。TiMTBF=····················································(1)ri式中：N－机床抽样台数。Ti－在评定周期内第台机床累计工作时间，单位为小时(h)。ri－在评定周期内第台机床累计关联故障数，单位为个。注：如果到定时截尾试验时间，机床没有出9.1.2MTBF的拟合估计基于拟合分布的MTBF的点估计是故障间隔工作时间T的数学期望，记为E(T)，其计算按公式（2ET)=MTBF=0+∞tf（t）dt··········································(1)式中：f(t)—概率密度函数。9.1.2.1指数分布的拟合估计见公式（3）。MTBF=0+∞tftdt=0+∞tedt=θ····································(1)采用极大似然估计时，MTBF的拟合估计值与观察值相同。5JB/T14476—20239.1.2.2两参数威布尔分布的拟合估计见公式（4）。MTBF=0+∞tftdt=0+∞tβ−1e−)βdt=θΓ1+)························(1)式中：β—形状参数。θ—尺度参数。Γ(x)—伽马函数。威布尔参数的估计方法参见附录B，单样本K-S检验统计9.1.3拟合优度检验采用K-S检验方法对威布尔分布和指数分布进行拟合优度检验。将n个试验数据由小到大排列，计算每个数据对应的F0(ti)，将其与经验分布函数Fn(ti)进行比较，其中差值的最大绝对值为检验统计量Dn的观察值见公式（5）。满足下列条件，则接受原假设，否则拒绝原假设。Dn x式中：nnii—验分布函数见公式（6）。nniDn,a—临界值，可参照附录C。di—在第i个故障时间点处，确定的原假设分布函数与经验分布函数的拟合差值。Fnti)=,i=1,2…,n················································(9.1.4MTBF的区间估计9.1.4.1双侧置信区间的估计（指数分布）见公式（7）。θmin=2CLT*<θ<2CUT*=θmax·······································(1)式中：T*i—定时截尾试验总的累计故障间隔工作时间，单位为小时(h)。CL—定时截尾时MTBF置信下限系数，CL=X12-a(r+2)。r—故障发生次数。a—置信水平，一般置信水平取值推荐为60%~80%范围。U值参照附录E。[JB/T7518-199410.2]9.1.4.2单侧置信区间的估计（指数分布）见公式（8）6JB/T14476—2023wLθ>2CT*=θ·············wL式中：9.2MTTR估计9.2.1MTTR的观测值估计MTTR观察值估计见公式（9）。MiMTTRMiMTTR=····················································(1)rMiΣrMi式中：N—机床抽样台数。TMi—评定周期内第台机床的累计修复时间，单位为小时(h)。rMi—评定周期内第台机床经修复的累计关联故障数，单位为个。9.2.2MTTR的拟合估计MTTR的拟合估计见公式（10）。(t)dt···········································(1)式中：g(t)—维修密度函数。机床修复时间的拟合估计与故障间隔工作时间的拟合估计一致。修复时间可能服从的分布模型包括对数正态分布、威布尔分布等，具体可根据拟合优度检验效果确定分布类型。9.3可用度（A）可用度A见公式（11）A=················································(1)9.4特征量指标的使用一般采用平均故障间隔工作时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）和可用度（A）三项可靠性特征量指标对机床进行可靠性评定。但因评定目的不同，也可选择上述单项或多项指标进行可靠性评定。10结果判定10.1在试验期内未发生关联故障，则判定机床可靠性为合格。10.2在试验期内发生关联故障，当试验进行到规定的截尾试验时间时，以可靠性特征量指标MTBF为例，根据试验数据计算出MTBF值，如MTBF估计值或MTBF区间估计下限值大于或等于规定的期望值，则判定机床可靠性为合格；否则，判为不合格。10.3试验中若发生关联的致命故障，应立即中止试验，判定机床可靠性为不合格。7JB/T14476—2023（资料性）机床运行和故障记录表A．1机床运行记录表见表A.1表A.1机床运行记录表至8JB/T14476—2023A．2机床故障记录表见表A.2表A.2机床故障记录表9JB/T14476—2023A．3机床故障记录汇总表见表A.3表A.3机床故障记录汇总表JB/T14476—2023（资料性）威布尔参数估计B.1最小二乘法进行威布尔参数估计最小二乘法进行威布尔参数估计涉及公式见公式（B.1）～（B.10）β>0···········································两边取两次自然对数lnln[]=βlnt-βlnθ······································令：(ti)=β,=-βlnθ······················式中：i—故障序号，称为秩，F(ti)取值方法采用中位秩估计。F(ti)~·····································式中：ti—按增序排列的第i个故障间隔工作时间，i=1,2,…,n。则可得出：=+x····································用最小二乘法得出参数A、B的估计量为：〈··············································(B.6)其中：i···················································(B.7)=yi将式(10)代入式(9)中，即得到y对x的一元线性回归方程： 再由式(7)可得：JB/T14476—2023^·····················································(B.9)因此，MTBF=Γ(B.2威布尔分布极大似然估计MATLAB程序B.2.1ATLAB软件运行环境：B.2.1.1Windows:系统：Windows8、Windows7orSP1、WindowsVistaSP2、WindowsXPSP3、WindowsXPx64EditionSP2、WindowsServer2008SP2orR2、WindowsServer2003R2SP2，CPU要求：X86架构且支持SSE2指令集，硬盘空间：典型安装需要3-4G，内存：最低1G，推荐2G。B.2.1.2Mac：系统：MacOSX10.8、MacOSX10.7、MacOSX10.6.4、JavaforMacOSXUpdate2及以上，CPU要求：基于IntelCore2和更高版本的Intel架构，硬盘空间：典型安装需要3-4G，内存：最低1G，推荐2G。B.2.2程序：clcclearx=[此处输入故障间隔工作时间序列];x=sort(x);w=wblfit(x)%%%w(1)为尺度参数；w(2)为形状参数。F=((1:length(x))-0.3)/(length(x)+0.4);[mv]=wblstat(w(1),w(2))%%%m为极大似然估计的MTBF值；v为方差。X=1:max(x);%%%%%累积分布%%%%%plot(x,F,'r.')holdonplot(X,wblcdf(X,w(1),w(2)))xlabel('时间(h)');ylabel('累积分布函数F(t)')gridon%%%%%密度分布%%%%%figure(2)plot(X,wblpdf(X,w(1),w(2)))xlabel('时间(h)');ylabel('概率密度函数f(t)')gridon%%%%%可靠度%%%%%figure(3)plot(X,1-wblcdf(X,w(1),w(2)))holdonJB/T14476—2023plot(x,1-F,'r.')xlabel('时间(h)');ylabel('可靠度函数R(t)');gridon%%%%%故障率%%%%%figure(4)plot(X,wblpdf(X,w(1),w(2))./(1-wblcdf(X,w(1),w(2))))xlabel('时间(h)');ylabel('故障率函数λ(t)');gridon%%%%%%概率纸%%%%%figure(5)wblplot(x)xlabel('时间(h)');ylabel('不可靠度F(t)')JB/T14476—2023（资料性）单样本K-S检验统计量表临界值Dn，αC.1单样本K-S检验统计量见C.1检验计量表表C.1检验计量表临界值Dn，α123456789JB/T14476—2023C.2当n>40时，K-S检验统计量采用表C.2中的经验公式计算：表C.2经验公式计算表n n n n nJB/T14476—2023（资料性）MTBF点估计实例D.1跟踪数据现场跟踪某机床厂同系列7台机床，通过《机床故障记录表》可求得故障间隔工作时间的完整数据（增序排列），见表D.1：表D.1某系列机床故障数据表123456789D.2MTBF的观测值估计根据跟踪记录，该系列机床总共运行了36009h，累计故障次数33个，由正文中式(1)求出平均故障间隔工作时间（MTBF）的观测值见公式（D.1）：D.3MTBF的拟合估计D.3.1指数分布拟合估计：采用极大似然估计时，MTBF的点估计值与观测值相同。D.3.2两参数威布尔分布拟合估计：由公式(4)可知MTBF的威布尔分布点估计见公式（D.2）：由公式(B.1)知两参数威布尔分布累积分布函数见公式（D.3）：β通过最小二乘法根据附录B