多阶段多层次多类别综合传动装置可靠性预计.pdf

收稿日期:第一作者简介:黄大荣()男博士教授主要从事动态系统故障诊断与容错控制、复杂系统分析与设计的研究文章编号:():././.多阶段多层次多类别综合传动装置可靠性预计黄大荣欧阳云慧徐建坤邹天刚桂 鹏(.重庆交通大学 信息科学与工程学院重庆.安徽大学 人工智能学院合肥.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院北京.中国北方车辆研究所 车辆传动重点实验室北京)摘要:针对某综合传动装置研制周期长、结构复杂、零部件繁多等特点将综合传动装置可靠性预计分为概念设计、方案设计和工程设计 个阶段并结合层次分析法对综合传动装置按照“系统分系统部件元件”进行结构分层实现综合传动装置可靠性建模 同时考虑到部分元件平均故障前时间()远大于服役年限提出了有限寿命元件可靠性预计策略给出了机械、电气和液压 类元件针对性的预计方法 最后案例分析结果验证了方法的有效性关键词:可靠性预计有限寿命元件多层次多类别多阶段综合传动装置中图分类号:文献标志码:(.):.()“”.().:.:综合传动装置可靠性预计可以发现影响系统可靠性的主要因素从而找出对应的薄弱环节加以改进精准的可靠性预计结果对于提升综合传动装置的可靠性具有重要意义 现有的可靠性预计方法主要包括相似产品法、评分预计法等但这些方法只能针对特定类型的元件或部件针对性差难以用于综合传动装置等集机电液为一体的复杂系统为提高复杂系统可靠性分析工作的准确度 等建立了考虑载荷和参数随机性的风力机齿轮传动系统动力学模型根据累积疲劳损伤概率理论建立了构件和系统的动态可靠性模型计算了参数随机变第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().化的系统可靠性分析了随机参数对部件动态可靠性的影响 方永锋等给出了压电悬臂梁在逆压电条件下力学可靠性和电学可靠性计算的极限状态方程由串联系统原理得到了逆压电条件下压电悬臂梁的可靠度计算公式利用一次二阶矩法对于压电悬臂梁的逆压电状态下的可靠度计算模型做了简化 张根保等提出了一种基于“功能运动动作”结构化分解的可靠性预计新方法以数控转台为例进行了分析得出了可靠性预计值并将该方法与传统方法进行了比较结果显示新的可靠性预计方法具有较好的可行性和较高的准确性 付东晓等分别从串并联系统、元件组成数量以及蒙特卡罗方法参数 个方面开展研究减少了系统中的随机抽样元件个数增加抽样数量可提高可靠度的计算精度且单个元件抽样统计值控制可显著降低计算误差 张宝海等采用 法对某型消防救援车制动系统进行分析依据系统原理图建立制动系统 图将系统的功能部件用功能操作符表示进而确定各操作符的状态概率通过 法运算得到制动系统的可靠度为消防救援车制动系统优化设计与维修提供了理论基础 等为提高公共交通的可靠性提出了一种利用精确在线支持向量机进行公交服务可靠性预计的方法为公交车到站提供更准确、更稳定的数据 潘柏松等针对行星减速器工作过程中存在齿轮动态磨损因素导致传动精度可靠度下降的问题建立了考虑齿轮磨损的行星减速器传动精度时变可靠性模型并进行了传动精度可靠性分析与公差优化设计 王文清等为了提高综合传动密封装置的可靠性和耐久性应用模糊理论建立综合传动铸铁密封环的模糊可靠性模型推导出模糊可靠度计算的数学表达式根据耐磨性试验所获得的密封环磨损速度计算出密封环在不同时间段上模糊可靠度以及耐磨寿命 任永胜等建立非线性多级齿轮传动系统的虚拟样机对其工作过程进行仿真将同工况条件下综合传动装置虚拟样机仿真结果与综合传动实验台实验结果进行对比验证基于虚拟样机获取载荷谱的可信性对载荷谱进行插值运算得到齿轮危险点的应力时间历程采用三峰谷雨流计数法生成二维分布的随机疲劳应力谱充分考虑材料的疲劳性能预测关重件在多存活率下的疲劳可靠性寿命 虽然上述研究针对关重件等的预计取得了一定的研究成果但对于综合传动装置这类集机电液为一体的庞大复杂系统缺乏完整适用的可靠性预计手段并且现有可靠性预计缺乏针对性准确性较差 为解决以上问题提出一种面向综合传动装置不同设计阶段的多层次多类别的可靠性预计方法将复杂系统问题逐阶段、逐层次、分类别进行量化分解并对各零件采用针对性预计以提高综合传动装置可靠性预计的准确性图 综合传动装置多层次可靠性评价体系.多阶段多层次多类别结构体系模型.多阶段多层次多类别结构体系构建针对综合传动装置结构十分复杂的特点为提高综合传动装置预计准确度和合理性采用分阶段、分层次、分类别进行预计 首先将整个装置从概念提出到研发设计以及到投入生产使用按时间顺序分为 个阶段分别是概念设计阶段、方案设计阶段、工程设计阶段 其次为了将复杂的工程问题逐级化结合层次分析法将综合传动装置自上而下分为系统层次、分系统层次、部件层次和元件层次如图 所示 同时鉴于综合传动装置元件层次元件数量庞大、类别众多采用单一元件层次预计方法往往并不准确故此将元件层次按类进行预计分为机械类、电气类和液压类 大类 进一步根据综合传动装置在不同研制阶段对零部件的细化程度将概念设计阶段的可靠性预计进行到系统层次和分系统层次将方案设计阶段可靠性预计进行到系统层次、分系统层次和部件层次将工程设计阶段可靠性预计进行到系统层次、分系统层次、部件层次和元件层次.综合传动装置可靠性建模.可靠性框图法可靠性框图()是系统单元及其可靠性意义下连接关系的图形第 期 黄大荣等:多阶段多层次多类别综合传动装置可靠性预计 表达表示单元的正常或失效状态对系统的影响 在一些情况下它不同于机构连接图 可靠性框图是利用互连接的方框来显示系统的失效逻辑分析系统中每一个成分的失效率对系统的影响以帮助评估系统的整体可靠性图 综合传动装置(系统层次)基本可靠性框图.()图 制动系统(分系统层次)基本可靠性框图.()图 操纵电控系统(部件层次)基本可靠性框图.()综合传动系统由 个部件构成由于综合传动装置的部件之间在物理上彼此独立在逻辑上又是相互联系的且每个部件都能实现自己的功能彼此之间不存在包含的问题 因此综合传动装置的可靠性框图主要根据综合传动装置的层次结构进行分层建立主要为系统层次可靠性建模、分系统层次可靠性建模和部件层次可靠性建模 建立的系统层次基本可靠性框图如图 所示根据系统层次基本可靠性框图计算得到系统的可靠度计算公式如下:()()()式()中:()为系统可靠度为系统工作时间(单位为)()为第 个部件可靠度 为部件个数这里 (个部件)综合传动装置的分系统层次包括直驶变速系统、中心转向系统、大半径转向系统、制动系统、风扇冷却系统、压气机驱动系统、拖车系统 个分系统 各个分系统是依据功能划分的由对应的部件组成 以制动系统为例建立分系统基本可靠性框图如图 所示 根据综合传动装置分系统基本可靠性框图可靠性数学模型建立如下:()()()式()中:()为分系统可靠度()为第 个部件可靠度 为各部件个数部件层次可靠性建模以操纵电控系统部件为例建立可靠性框图如图 所示基本可靠性框图中任何 个单元发生故障后都需要维修或更换都会产生维修及保障要求因此部件可靠度是可靠性框图中所有元件可靠度的乘积即:()()()式()中:()为该部件内元件的可靠度()为第 个部件可靠度 为各部件个数为第 个部件工作时间(单位为).相似产品法 相似产品法是适用于新、老产品的结构、材料、工艺等相似且有老产品统计数据的可靠性指标预计方法 在相似产品法中如果一个新设计的产品与老产品非常相似即组成产品的各单元类型相同对新产品只是根据新情况提出新的可靠性要求那么就可以根据老产品中各单元的故障率按新产品可靠性的要求给新产品的各单元预计故障率 该方法适用于论证、方案、初步设计阶段 其数学表达式为()式()中:为新产品的失效率顶层指标(单位为/)为预计给新产品中第 个单元的失效率指标(单位为/)为老产品的失效率(单位为/)为老产品中第 个单元失效率(单位为/)湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷相似产品法的本质是认为原有产品基本上反映了一定时期内产品能达到的可靠性水平新产品的个别单元不会在技术上有重大突破相应地按照现实水平可以把新的可靠性指标按其原有能力成比例地进行调整 理想情况下该方法能够将新的系统可靠性要求以较合理的比例预计给各子系统但值得注意的是其预计结果的合理性、科学性严重依赖于相似产品可靠性数据的有效性图 元件层次基本可靠度预计流程.表 分系统层次基本可靠性预计(概念设计阶段).()序号分系统名称分系统基本可靠度老产品新产品直驶变速系统.中心转向系统.大半径转向系统.制动系统.风扇冷却系统.压气机驱动系统.拖车系统.综合传动装置的可靠性预计依据综合传动装置在不同阶段的可靠性预计要求将在各阶段进行不同程度的预计如表 所示表 各阶段对应预计方法.设计阶段系统层次分系统层次部件层次元件层次机械类电气类液压类概念设计相似产品法相似产品法方案设计相似产品法可靠性框图法相似产品法工程设计可靠性框图法可靠性框图法可靠性框图法无限寿命:不预计有限寿命:机械可靠性预计手册应力分析法无限寿命:不预计有限寿命:/应力分析法无限寿命:不预计有限寿命:相似产品法 在工程设计阶段进行元件预计时首先依据元件故障模式影响及危害性分析()判定元件是否为有限寿命元件 规定当该元件 不小于.则约定该元件为无限寿命元件否则该元件为有限寿命元件 由于无限寿命元件工作时间远远大于综合传动装置工作时间对无限寿命元件不考虑其突发情况引起的失效认为该类元件可靠度为 对于有限寿命元件先判断元件类型然后根据元件类型选择适合该类元件的预计方法得到元件层次基本可靠度 工程设计阶段元件层次基本可靠度预计流程如图 所示在不同产品层次和不同研制阶段所采用的预计方法也不同针对综合传动装置的传统可靠性预计方法定量计算结果单一、准确性不足问题基于 分析结果通过在不同阶段、不同约定层次应用不同的预计方法实现分阶段分层次分类别可靠性预计提高预计结果的针对性、适用性和置信度 案例分析.概念设计阶段可靠性预计.分系统层次基本可靠性预计根据每个分系统的不同组成结构结合与组成部件相似产品的失效率对比两者在组成结构、使用环境、原材料、元器件水平、制造工艺水平等方面的差异确定这些差异对可靠性的影响程度由有经验的专家确定分系统组成部件与相似产品的可靠度的比值最后根据比值预计出各个分系统组成部件的可靠度然后再得出各个分系统可靠度 利用相似产品法得到概念设计阶段的新分系统层次的基本可靠度如表 所示.系统层次基本可靠性预计在概念设计阶段由于对综合传动装置的设计主要基于历史型号同时重点围绕综合传动装置的功能需求展开 因此采用相似产品法在概念设计阶段对综合传动装置的基本可靠度进行预计得到新综合传动装置第 期 黄大荣等:多阶段多层次多类别综合传动装置可靠性预计 可靠度为.而老综合传动装置可靠度为.表 部件层次基本可靠性预计(方案设计阶段).()序号部件名称部件基本可靠度老产品新产品综合传动装置总成.箱体部件.中间支架.变矩器支架.前传动总成.液力变矩器.行星变速机构.左汇流排及侧盖.右汇流排及侧盖.油泵组.供油系统.液压操纵系统.操纵电控系统.故障诊断系统.风扇传动总成.液粘离合器总成.辅助传动.液力减速器.液力减速器控制阀.转向泵马达.表 分系统层次基本可靠性预计(方案设计阶段).()序号分系统名称基本可靠度直驶变速系统.中心转向系统.大半径转向系统.制动系统.风扇冷却系统.压气机驱动系统.拖车系统.表 部件层次基本可靠性预计(工程设计阶段).()序号部件名称基本可靠度 序号部件名称基本可靠度综合传动装置总成.供油系统.箱体部件.液压操纵系统.中间支架.操纵电控系统.变矩器支架.故障诊断系统.前传动总成.风扇传动总成.液力变矩器.液粘离合器总成.行星变速机构.辅助传动.左汇流排及侧盖.液力减速器.右汇流排及侧盖.液力减速器控制阀.油泵组.转向泵马达.方案设计阶段可靠性预计.部件层次基本可靠性预计在方案设计阶段综合传动装置可靠性预计需要确定设备中的部件到系统每个层次的信息系统工作的环境影响因素等 该阶段部件层次的可靠性预计采用相似产品法 根据已有的老产品部件层次的可靠度采用相似产品法计算得到该综合传动装置的部件层次的可靠度如表 所示.分系统层次基本可靠性预计依据得到的部件基本可靠度结合分系统基本可靠性框图数学建模分析并按式()计算分系统的基本可靠度如表 所示.系统层次基本可靠性预计根据系统基本可靠性框图模型可知部件之间都是串联的关系可以依据系统基本可靠度计算数学模型式()算出系统的可靠度得到在方案设计阶段综合传动装置基本可靠度为.工程设计阶段可靠性预计.元件层次基本可靠性预计下面以电气类元件按照元件层次基本可靠度预计流程进行预计 电子产品的故障模式发生概率是通过计算每种故障模式频数比和元器件工作失效率乘积得出的 其基本故障模式及其频数比和元器件工作失效率要通过查/电子设备可靠性预计手册得出但大部分元器件的失效模式没有在手册中列出需要通过以往的设计经验及故障预计得到元器件的工作失效率是由每个元器件的基本失效率、环境系数、质量系数以及温度应力系数等众多参数决定的每种元器件的工作失效率都有不同的计算公式以二类瓷介质电容器 为例其工作失效率公式如下所示:()式()中:为工作失效率为基本失效率/为环境系数为质量系数为电容量系数为表面贴装系数得到二类瓷介质电容器 工作电压为工作环境温度为 左右 某装备车辆综合传动装置动力舱无引线表面贴装式通过查表得到其各个参数后计算得到工作失效率为./.部件层次基本可靠性预计在工程设计阶段依据部件层次基本可靠性框图进行预计计算得到如表 所示的部件层次在工程设计阶段的基本可靠度.分系统层次基本可靠性预计在工程设计阶段依据建立的分系统基本可靠性框图计算得到分系统层次基本可靠度如表 所示 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷表 分系统层次基本可靠性预计(工程设计阶段).()序号分系统名称基本可靠度直驶变速系统.中心转向系统.大半径转向系统.制动系统.风扇冷却系统.压气机驱动系统.拖车系统.系统层次基本可靠性预计 在工程设计阶段由建立系统基本可靠性框图(图)和式()计算得到综合传动装置系统层次在工程设计阶段的基本可靠度为.可靠性预计结果分析根据提供的综合传动装置历史可靠性数据、综合传动装置的构成和结构特点、工作环境等因素结合基本可靠性预计方法完成了综合传动装置在不同设计阶段的基本可靠性预计 在可靠性预计过程中各个阶段可靠度逐渐上升但工作中仍需要重点关注中心转向系统和大半径转向系统综合传动设计过程中可针对这 个分系统完成可靠性增长设计有助于提高系统整体可靠性 综合传动装置在概念设计阶段的基本可靠度为.方案设计阶段的基本可靠度为.工程设计阶段的基本可靠性度为.提出的不同阶段的预计方法有效提高了综合传动装置预计的可靠度 结论综合传动装置可靠性预计是综合传动装置可靠性分析的重要环节可以为后续的设计、试验、保障等提供支撑 考虑了当前综合传动装置复杂的结构和不同任务的特点针对产品研制的不同阶段结合了层次分析法和可靠性框图法进行可靠性建模分析并对各元件选择应力分析法、相似产品法等进行针对性预计得到了综合传动装置在不同阶段的基本可靠度 预计过程采用自底向上原则每一层次和阶段均有考虑不仅提高了预计的可信性也为研发设计及维修和后勤保障提供依据参考文献:杨帆.装甲装备动力传动系统可用状态评估研究.重庆:重庆大学.():.方永锋程正伟张卫华.逆压电条件下压电悬臂梁可靠性计算.仪表技术与传感器():.张根保徐付伟冉琰等.机械结构相似度评价及可靠性预计研究.工程设计学报():.付东晓张国兴张蕊等.基于蒙特卡罗的复杂火工系统可靠性预计精度研究.火工品():.张宝海张勇孙占瑞等.基于 法的消防救援车制动系统可靠性分析.机械设计与研究():.(/):.潘柏松林琮凯项涌涌等.考虑齿轮磨损的行星减速器传动精度时变可靠性分析及优化设计.计算机集成制造系统():.王文清郑慕侨.综合传动铸铁密封环磨损模糊可靠性分析与计算.北京理工大学学报():.任永胜赵艳勤黄坚等.自行火炮综合传动装置非线性动力学仿真与疲劳可靠性寿命预测.兵工自动化():.陈富军米洁张胜伦等.针对液力机械综合传动装置的 方法.北京信息科技大学学报():.李建华王岩磊滕克难.导弹武器预研阶段可靠性预计方法.海军航空工程学院学报():.钱沛云.采煤机截割传动系统故障诊断及可靠性分析.徐州:中国矿业大学.责任编辑:郑玥雷第 期 黄大荣等:多阶段多层次多类别综合传动装置可靠性预计