柔性机构动态可靠性分析进展

将结构可靠性理论和方法与机构的具体应用相结合进行机构可靠性研究是可靠性研究的自然延伸,机构的随机性分析以及机构可靠性理论和方法的研究开始于20世纪80年代。从研究机构概率精确度、运动可靠性综合,到研究弹性机构的运动功能可靠性,经历了十几年的发展,形成了一个新的研究方向。但由于发展时间较短,尚未形成完整的理论和方法体系,距离工程应用的要求还有一定的差距。

1985年,Popp等学者发表了一篇首次涉及非线性随机多体机构系统方面的论文,建立了机动车辆在崎岖路面行进的简化动态模型,探讨了机构随机性分析和机构动态响应的问题^[6];Zak对非线性离散动力系统随机过程进行仿真,并探讨了概率的数值计算方法^[77];Belli等采用ANN方法对随机过程进行了近似的模拟仿真^[78];拓耀飞等对含有随机参数的连杆机构静态以及动态运动精度进行了分析^[79];Jiten Patel利用随机神经网络进行了可靠性拓扑优化设计^[80];Asri等利用蒙特卡洛方法对车轮转向机构进行了疲劳可靠性仿真^[81]。上述学者的工作对机构随机性分析以及机构的运动仿真有重要意义。以色列学者Sandler对齿轮机构和凸轮机构等的运动精度和动力精度做了深入的研究,就间隙对机构运动的影响用非线性的方法做了分析,并对自适应机构做了一定的研究,对机构可靠性的研究做出了贡献^[82]。

作为机构设计和制造的杰作之一,由加拿大设计制造的国际空间站机械臂,又称为空间站遥控操纵系统(Space Station Remote Manipulator System,简称SSRMS)在空间站建设的第二阶段安装完成,机械臂长17.6m,质量936kg,负荷时移动速度为6mm/s,空载时移动速度为600mm/s,定位精度10mm/(°),可移动质量为19500kg、尺寸为18.3m×4.6m的有效载荷。机械臂是空间站系统的关键技术之一,是空间站建设与在轨维护运行的重要装备。其可靠性设计和分析是至关重要的,机械臂系统备有两套冗余的电子装置,运行过程中要求机械臂系统至少能够容忍两次故障的发生,其可靠性设计、分析和管理为机构可靠性研究提供了借鉴。

在我国机构可靠性研究领域,冯元生教授及其课题组(羊姈、赵美英、贺东斌等)对机构可靠性的若干方面的研究都做出了重大的贡献^[45,83-87]。其中,冯元生分析了机构卡滞失效的五种典型类型,按类型提出了相应的机构防卡可靠性分析方法;羊姈和冯元生枚举并归类了机构可靠性的破坏模式,阐明了各种破坏模式的失效形式、失效原因、安全边界方程和可靠度指标,并提出了提高可靠度指标或预防失效的技术措施;赵美英和冯元生给出了机构磨损可靠性分析方法和计算方法;贺东斌等分析了机构精确运动与其组成元件精度之间的关系,提出了机构精确运动到某一位置的可靠度计算方法;冯元生教授和吕震宙教授对机构磨损可靠性方面做了深入的研究,提出了实际磨损量的分布形式及磨损可靠性的解析法和仿真解法;冯元生教授统计分析及其失效判据建立阐明了飞机常用铰链接头等的失效情况,提出了磨损可靠性的安全余量方程及可靠性计算方法。

国内其他学者在机构可靠性分析领域也进行了卓有成效的研究,取得了很多开拓性成果。师忠秀等论述了含间隙的空间机构可靠性分析模型,并给出了构件尺寸公差和间隙分配的优化方法^[88];师忠秀和王锋通过直接对机构独立运动方程组全微分,建立了以矩阵运算形式表达的机构运动精度概率分析的一般模型,提出了机构运动精度可靠性分析的随机过程方法和随机变量方法^[89];崔斌洲和吴琦给出了两种机构位置精度可靠度的计算方法,并计算了曲柄滑块机构和四连杆机构的位置精度可靠度^[90];孟宪举等建立了机构运动与动力精度概率分析模型^[91];赵竹青等应用微小位移线性叠加的方法探讨了凸轮机构运动精度可靠性^[92];陈建军和陈勇通过数字仿真方法对平面四连杆机构运动精度进行了可靠性分析^[93];倪健和陆凯对导弹的弹翼展开机构运动精度可靠性问题进行了讨论^[94]。史天录和苏俊华考虑了在受力和不受力两种情况下机构运动副间隙的随机特性,为进一步进行机构的运动精度分析提供了理论基础^[95]。(www.xing528.com)

在机构性能可靠性方面,贾少澎和冯元生教授综合考虑向心轴承内部游隙、铰链间隙以及装配间隙的影响,分析了飞机升降舵操纵机构的跟随运动可靠性^[96];倪健、陆凯和张铎利用FMEA方法对导弹折叠翼的展开机构进行了可靠性定性分析^[97],并且探讨了导弹折叠翼的展开机构的启动可靠性、定位和锁定可靠性^[98];张建国和白广忱教授总结了机构运动的普遍特点,给出了启动、运动和定位功能失效的故障判据,建立了机构运动功能可靠性分析的数学模型^[99]。

在机构运动过程可靠性研究方面,李业农和施祖康教授分析了千斤顶机构的失效模式,建立了机构的启动可靠性、时间可靠性和持续运动可靠性模型^[100];李业农和施祖康教授将机构中的原始误差和运动副的磨损量作为变量,推导出输出运动误差计算公式,建立了运动精度可靠度计算模型,确定了可靠度随磨损量增大而下降的关系,并由此可反推求出机构的使用寿命^[101];王亚平等提出了一种基于虚拟样机的运动仿真方法,进而求出机构的运动可靠度^[102];段齐骏和施祖康教授建立了机构动力学仿真模型,考虑构件的装配和运动副间隙的灰色特性,提出了机构动作可靠度预测方法^[103];李范春、陈庆和王善教授建立了机构在启动过程的时间可靠性分析模型,结合工程实际算例给出了机构时间可靠度的计算方法^[104]。

在机构卡滞可靠性研究方面,史天录分析了运动副间隙和构件尺寸的随机特性,提出了曲柄滑块机构的卡滞可靠性分析方法^[105];郑冬青考虑了构件弹性变形的影响,建立了机构变形卡滞可靠性分析的功能函数,利用序列响应面方法求解了机构的卡滞可靠度^[106];冯蕴雯、薛小锋和宋笔锋教授等提出了粘着磨损卡滞、变形过大卡滞等六种类型的机构卡滞可靠性分析方法及错位、运动传输中断等四种类型的机构定位可靠性分析方法^[107]。

另外,在国内高等院校的学位论文中,在机构运动精确度可靠性、机构动作可靠性分析、机构运动过程可靠性分析等方面进行了广泛的研究,机构可靠性分析理论和方法的研究得到了丰富、提高和应用^[108-112]。