数控机床是制造业价值生成的基础和产业跃升的支点,对于一国装备制造业在国际分工中的位置具有“锚定”作用。而电主轴作为数控机床的关键功能部件,其可靠性水平很大程度上影响了数控机床整机的可靠性水平,因此如何评估和提高电主轴的可靠性成为相关学者和机床企业的关注的焦点。对于高可靠性、长寿命的电主轴,采用传统的可靠性试验方法难以在工程允许的时间内对其可靠性进行准确的评估。但随着电主轴运行时间的推移,其主要性能指标会逐渐衰退,这种性能退化的累积会逐渐导致其功能退化,最终发生失效。如果应用加速退化试验技术,对电主轴施加高于正常工作应力水平的试验应力,提高电主轴的退化速率,根据退化试验数据对关键性能指标建立加速退化模型,从而折算出正常工作应力下的可靠性水平,可以实现对电主轴可靠性的快速评估。由于工程实际中对试验成本的限制,如何在有限的条件下开展加速退化试验,获得有效的试验数据,实现对产品可靠性的准确评估,是加速退化试验优化设计的研究目标。合理的退化模型假设是保证加速退化试验优化效果的重要前提,但由于产品退化过程的随机性和复杂性,难以准确选择一种最合适的退化模型来描述其退化过程,且不同的模型假设往往对优化结果产生很大影响。因此,开展模型不确定情况下的加速退化试验优化设计研究是十分必要的。此外,电主轴的使用工况复杂,试验要求较多,现有优化方法中采用的单优化目标无法满足其实际工程需求,且不同优化目标下的试验方案优化结果也会不同,甚至相互矛盾,如何在有限的试验周期和试验成本下获得权衡多个优化目标的最优试验方案是亟待解决的问题。本文在国家自然科学基金和国家科技重大专项的支持下,以数控机床电主轴为研究对象,针对步进应力加速退化试验,研究考虑退化模型不确定的加速退化试验优化设计方法、加速退化试验多目标优化设计方法以及基于加速退化试验的电主轴可靠性评估方法,为电主轴可靠性设计提供科学有效的支撑。本文的主要研究内容包括:(1)对电主轴的结构和功能进行分析,在此基础上结合现场试验的故障数据对电主轴进行故障分析,确定能够体现电主轴性能退化的主要特征指标,用于加速退化试验过程中的监测和分析;搭建电主轴可靠性试验装置,并开展电主轴的可靠性摸底试验,根据摸底试验数据对电主轴进行失效机理一致性检验,以确定电主轴加速退化试验允许加载的最高应力水平。(2)提出考虑退化模型不确定性的加速退化试验优化设计方法。首先分别基于维纳过程、伽玛过程和逆高斯过程,建立以最小化正常工作应力下产品平均失效前时间估计值的渐近方差为优化目标的加速退化试验优化模型,通过对优化结果进行比较分析,验证考虑退化模型不确定性的合理性和必要性。随后,提出考虑退化模型不确定性的加速退化试验优化设计方法,基于赤池信息准则确定候选模型权重,采用组合预测方法构建优化目标函数,以试验样本量、各应力水平下测量时间间隔和测量次数为设计变量,在预先设定的试验预算约束下,建立考虑退化模型不确定的加速退化试验优化模型;并提出自适应搜索算法求解优化模型,根据优化目标函数变化程度的反馈动态调整搜索步长,以提高搜索效率并避免陷入局部搜索,保证优化效果。(3)在考虑退化模型不确定性的基础上,提出基于博弈理论的加速退化试验多目标优化设计方法。以试验样本量、各应力水平下退化指标的测量时间间隔和测量次数为设计变量,在预先设定的试验预算约束下,建立以提高产品寿命的预测精度、提高模型参数的估计精度以及提高模型参数偏差的稳健性为优化目标的多目标优化模型。基于博弈理论将多目标优化模型转化为合作博弈问题,采用模糊聚类方法计算各博弈方拥有的策略空间,并基于共谋合作模型构造博弈方得益函数,进而求解多目标优化模型,得到权衡多个优化目标的综合最优试验方案。(4)提出基于蒙特卡洛法的加速退化试验方案模拟评价方法,以正常应力下的产品MTTF估计值的渐近方差、模型参数的Fisher信息矩阵行列式值以及模型参数波动前后渐近方差的相对比率作为评价试验方案优劣的指标,分别利用各评价指标的均值和标准差来检验试验方案的准确性和稳定性。同时,针对小样本情况下加速退化模型参数极大似然估计量有偏的问题,提出了基于模拟试验数据对模型参数估计量进行纠偏的方法,通过偏比系数对模型参数估计量进行修正,从而提高模型参数的估计精度和最终可靠性评估结果的准确性。(5)基于以上研究确定的电主轴加速退化试验最优方案,依托搭建的电主轴可靠性试验装置,对某国产电主轴开展了加速退化试验;并提出了基于加速退化试验的电主轴可靠性评估方法,采用变分模态分解法对试验数据进行降噪预处理,采用极大似然估计方法对维纳过程、伽玛过程、逆高斯过程三个候选模型进行参数估计,最终对退化模型不确定情况下的电主轴进行可靠性评估。此外,设计并开发了电主轴可靠性评估软件,软件集成了试验数据预处理、加速退化模型建立和可靠性评估三个模块,可以实现对电主轴可靠性的快速、准确评估。