高档数控机床及其关键功能部件的技术水平是推动制造业转型升级的重要力量,也直接反映了一个国家的制造业水平。主轴系统是加工中心的关键功能部件,属于工况复杂、维修困难的复杂机电系统。目前,国产加工中心的主轴系统在精度和回转速度等方面与国际先进水平的差距不断缩小,但是可靠性水平仍然存在较大差距。可靠性试验是提高主轴可靠性的重要基础性工作。为了缩短可靠性试验周期,提高试验效率,需要进行可靠性加速试验研究,建立主轴系统可靠性的综合应力加速模型,描述主轴系统可靠性特征量与加速应力关系,外推主轴系统在其他载荷水平下的可靠性特征,为主轴系统可靠性的快速评估、设计改进和试验方案优化提供依据。本文在国家自然科学基金和国家科技重大专项的支持下,以国产加工中心的主轴系统为研究对象,进行了可靠性综合应力加速模型研究。根据主轴系统的结构功能分析,确定了主轴系统的主要可靠性特征量;根据主轴系统重要零部件的主要失效机理,确定了系统可靠性的主要敏感载荷,提出了一种考虑载荷影响、零部件重要度和故障导致的平均停机时间的载荷重要度综合评价方法,确定了主轴系统的关键敏感载荷;根据主轴系统的故障分布特征,验证了主轴系统的可加速性,确定了加速模型的适用载荷范围;根据主轴系统恒定应力加速试验结果,建立了主轴系统关键敏感载荷的单应力加速模型;基于贝叶斯决策理论和竞争失效模型,提出了一种主轴系统故障的模糊分类方法;考虑主轴系统突发类故障和退化类故障差异,提出并建立了一种主轴系统可靠性的综合应力加速模型,载荷敏感度与分析的载荷重要度结果较为相符。本文的主要研究工作如下:(1)基于故障树的主轴系统可靠性分析。分析了主轴系统功能及其实现结构,确定了主轴系统的主要可靠性特征量,包括轴承附近温度、振动和主轴电源的线电流等,用作加速模型的输出变量;运用故障树分析方法,利用多种重要度指标和故障导致的平均停机时间,确定了主轴系统零部件的可靠性重要度;根据重要零部件的主要失效机理,确定了主轴系统可靠性水平的广义敏感载荷,用作加速模型的输入变量;提出了一种考虑载荷影响、零部件重要度和停机时间的载荷重要度综合评价方法,确定了主轴系统可靠性水平的广义敏感载荷排序:切削力、主轴转速、切削功率、环境温度、切削液的使用和换刀次数,关键敏感载荷为切削力和主轴转速,评价结果较为符合实际工程经验。(2)主轴系统可加速性分析与载荷统计。建立加速模型的前提是研究对象具有可加速性,可加速性表现为在一定载荷范围内,研究对象的故障分布具有规律性,故障机理保持一致性。根据主轴系统的故障间隔时间的分布函数,验证了故障分布的规律性,根据主轴故障数据特点,利用Bartlett统计量验证了主轴系统故障机理的一致性;根据记录的工艺信息和切削力经验公式,统计了主轴系统具有可加速性时所处的载荷水平范围,确定了加速模型适用的载荷范围。(3)主轴系统可靠性单应力加速模型研究。单应力加速模型是建立综合应力加速模型的基础,首先根据主轴系统的故障间隔时间分布和系统具有可加速性时所处的载荷范围,设计并进行了主轴系统恒定应力加速试验研究,试验的加速应力分别选择切削力和转速,设计了转速试验剖面和切削力试验剖面、不同载荷水平下的样本量和试验周期;对加速试验结果进行了分析,建立了主轴系统的转速加速模型和切削力加速模型,并对上述两个加速模型进行了验证。(4)主轴系统可靠性综合应力加速模型研究。根据单个敏感载荷对主轴系统的主要故障机理影响,建立了单应力加速模型;假定载荷影响相互独立,利用加速失效时间模型,建立了主轴系统可靠性综合应力加速模型;利用逐步回归分析法和p值检验法,确定了加速模型的显著应力,估计了显著应力系数。该综合应力加速模型能够通过统计检验,但模型确定的统计显著载荷与主轴系统的实际显著载荷存在一定差异。(5)考虑故障类型的主轴系统可靠性综合应力加速模型研究。考虑到主轴系统不同故障类型对载荷的敏感程度不同,基于Bayes决策理论和竞争失效模型,提出了一种主轴系统故障的模糊分类方法,将主轴系统故障分为突发类和退化类,获得了两类故障的广义故障数;利用加速失效时间模型,分别建立了两类故障的平均故障间隔时间与可靠性敏感载荷的加速模型;利用两类故障与主轴系统可靠性水平关系,提出并建立了一种主轴系统可靠性综合应力加速模型。该综合应力加速模型的载荷敏感度与分析的载荷重要度结果相符,利用现场可靠性试验数据对该综合应力加速模型进行了验证,结果表明:在加速模型适用的载荷范围内,该模型较好地实现了主轴系统可靠性水平的预测与评估。