机电系统动态可靠性建模与评估方法研究

摘要

可靠性是产品重要的质量特征，与产品的市场竞争力以及客户满意度等息息相关。科学技术的不断进步使得机电产品的结构和功能日趋复杂。同时，对于特定的机电产品（如工程机械、军用装备等），其工作环境的动态性使得产品可靠性特征呈现出复杂性和随机性。以上因素对传统可靠性建模与评估理论提出挑战。
　　动态可靠性建模与评估方法建立在传统的系统可靠性方法基础上，用于研究产品（或系统）故障随时间变化的规律以及环境因素对系统可靠性的影响。本文以某工程装备中的机电系统为研究对象，开展系统动态可靠性评估研究，主要研究工作如下:
　　(1)研究基于改进的故障模式、影响及其危害性分析(Failure Mode，Effect and CriticalityAnalysis，FMECA)以及故障传播模型(Failure Propagation Model，FPM)的系统可靠性评估方法。在传统FMECA表格“故障原因”基础上增加“原因贡献率”条目，基于FPM构建系统故障传播图(Failure Propagation Graph，FPG)，将改进的FMECA和FPG相结合实现系统故障的定量评估。以贡献率值和底层元器件故障概率值为基础，通过基于系统FPG的故障诊断过程得到每种故障模式发生的概率。以每种故障模式的风险优先值（Risk Priority Value，RPV）作为故障评判指标，为维修策略的制定提供依据。
　　(2)基于动态贝叶斯网络(Dynamic Bayesian Network，DBN)理论评估系统多态可靠性。采用结构化分析与设计技术(Structure Analysis and Design Technology，SADT)、故障模式及其影响分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）方法完成系统功能和故障分析。考虑部件故障的多态性以及部件状态随时间的转移性，基于SADT和FMEA建立系统可靠性评估DBN模型，利用DBN双向推理的能力实现系统可靠性评估和薄弱环节识别。以俯仰系统为例验证方法的有效性，评估结果与工程实际相符。
　　(3)采用通用生成函数(Universal Generating Function，UGF)方法评估环境因素对机电系统可靠性的影响。以电机为研究对象，考虑路面振动这一环境因素，利用路面振幅描述环境特性，建立电机故障率与路面振幅的函数关系。在此基础上，采用带有动态参数的通用生成函数法求解系统可靠性。通过振幅表示电机故障率，以替代电机的状态取值，建立路面振幅与系统可靠性的函数关系，并由此分析路面振动对系统可用度的影响。
　　本论文以某机电系统为研究对象，从动态可靠性、多态可靠性以及环境可靠性等层面研究系统可靠性评估问题，建立了相应的可靠性评估模型，完成了案例研究，为此类系统动态可靠性评估提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 可靠性发展历史

1．2 课题背景及研究意义

1．3 机电系统可靠性特征

1．4 机电系统可靠性研究综述

1．4．1 传统可靠性方法概述

1．4．2 多态可靠性研究现状

1．4．3 动态可靠性研究现状

1．4．4 环境可靠性研究现状

1．5 现有研究中存在的不足

1．6 主要研究内容和技术路线

第二章 基于改进FMECA和故障传播模型的系统可靠性评估

2．1 引言

2．2 改进的FMECA

2．3 基于故障传播图的故障诊断

2．3．1 故障传播模型

2．3．2 基于FPG的故障诊断

2．4 调平伺服系统的故障分析与计算

2．5 本章小结

第三章 基于动态贝叶斯网络的俯仰系统多态可靠性评估

3．1 引言

3．2 贝叶斯网络

3．2．1 贝叶斯网络基本理论

3．2．2 动态贝叶斯网络

3．2．3 BN的推理机制

3．3 系统可靠性分析方法

3．3．1 结构化分析与设计技术(SADT)

3．3．2 故障模式及其影响分析(FMEA)

3．4 基于SADT和FMEA的DBN建模

3．4．1 DBN结构模型的建立

3．4．2 参数模型的建立

3．5 基于DBN的俯仰系统可靠性评估

3．5．1 俯仰系统基本组成和工作流程

3．5．2 俯仰系统SADT和FMEA分析

3．5．3 基于SADT和FMEA的DBN的建模

3．5．4 基于DBN的俯仰系统可靠性评估和薄弱环节识别

3．6 本章小结

第四章 基于通用生成函数的机电系统环境可靠性评估

4．1 引言

4．2 考虑路面振动影响的电机故障率建模

4．2．1 路面振动特性参数描述

4．2．2 考虑路面振动的电机故障率建模

4．3 通用生成函数

4．3．1 通用生成函数基本定义

4．3．2 动态参数通用生成函数

4．3．3 可靠性评估指标

4．4 案例分析

4．4．1 路面振动特征量的确定

4．4．2 故障率模型参数求解与验证

4．4．3 基于UGF的俯仰伺服系统可靠性评估

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的论文