机械可靠性维修性优化设计方法及其在工程机械中的应用

摘要

产品可靠性维修性是产品固有属性，二者共同作用决定了产品的可用性。产品可靠性维修性在设计时即已经赋予，并通过制造、使用、维护来保证。可靠性维修性设计方法研究主要集中在军工、电气电子、发电站等领域。而随着工程机械在国民经济发展中地位日益提高，对工程机械可靠性维修性要求也越来越高，国内工程机械产品与国外同类产品相比，甚至与国内其它行业产品相比还相差很远。针对国内工程机械产品可靠性维修性较低的现状，在重点研究机械产品可靠性维修性设计方法的同时，对研究成果在工程机械设计中的应用进行了研究。 通过对产品全生命周期费用与产品可靠性维修性之间关系的研究，提出基于可靠性维修性综合优化设计方法。首先，对产品生命周期费用的组成进行了分析研究，给出了生命周期各项费用与可靠性之间的函数关系，结果表明，产品成本随可靠度的提高而提高，当产品失效时造成的直接损失和间接损失也随成本的增加而提高，通过对各项费用之间关系的研究，以及产品可靠性维修性对产品使用性能的作用，提出了基于全生命周期投资．效益准则可靠性维修性综合优化设计方法，建立了可靠性维修性综合优化分配模型，通过该优化模型，可以确定最优的可靠度和维修度。 对适合产品不同设计阶段的可靠性维修性具体分配方法进行了研究，为可靠性维修性设计目标的制定提供了依据。 可靠性维修性分配是进行产品可靠性维修性开发过程中的一个重要工作，目的是将优化确定的系统的可靠性维修性总指标，转换为每一个分系统的可靠性维修性指标，用以指导分系统的开发。在进行分配方法研究之前，首先对工程机械的可靠性定性、定量指标和维修性定性、定量指标进行了研究，在此基础上对分配方法开展了研究。 提出了模糊层次分析法进行可靠度分配，层次分析法是进行模糊决策的有效方法，将模糊数学与层次分析相结合，形成了模糊层次分析方法，主要用来分析模糊决策问题。而可靠性分配模糊性较强，因此，将模糊三角数应用到可靠度分配中的专家评判中，体现了专家评判的模糊性，通过建立层次结构模型和模糊评判矩阵，采用概率方法计算权重，最终以装载机车桥为例进行可靠性分配验证，结果表明该方法是有效的。该分配方法适合于对产品进行创新设计时的可靠性分配，主要体现专家的设计意图。比例组合进行可靠度分配适用于产品的再设计，主要目的对旧的产品进行可靠性提高，基于以上两种方法提出了复合法进行可靠性分配，该方法将以上两种方法按权重复合，拥有以上两种方法的优点，面向产品的全生命周期。对维修性分配方法进行了研究，对适合产品创新设计加权因子分配法进行了研究，提出了适合工程机械的加权因子分配模型，确定了因子的组成和权重，加权因子越大，维修性越差。从全生命周期费用角度出发，提出了维修费用最少的维修度分配方法，通过对维修费用与单元维修性的关系研究，建立了优化分配模型，提出目标函数和约束条件，采用外点惩罚函数法，将约束条件和目标函数构造新惩罚函数，从而将约束优化问题转化为无约束优化问题求解。 建立了适合工程机械构件寿命预估的疲劳失效和磨损失效的寿命计算模型，通过该模型可以方便的进行寿命估计。 通过分析工程机械的主要失效形式，研究其失效机理，以装载机工作装置为例，进行了工作装置各主要构件主要失效形式的确定，最终得出工作装置各构件的主要失效形式为疲劳失效和磨损失效。 针对疲劳失效，建立了构件疲劳寿命计算模型。通过多体动力学软件ADAMS建立了装载机工作装置虚拟样机模型，运用该模型进行载荷的计算，确定载荷的大小和作用方向，将得到的载荷结果加载到结构有限元模型上，通过有限元分析得到构件随时间变化的应力结果，结果表明该随机应力并不是标准的分布，传统的疲劳理论并不适合，由此建立了等效疲劳累积方法，进行构件疲劳寿命预估。 针对磨损失效，建立了基于磨损量的磨损寿命计算模型。基于建立的销轴磨损模型，分别通过ADAMS软件进行了磨损行程和销轴最大受力的计算，然后建立了接触压力计算模型，根据此模型，进行了磨损强度的确定，从而根据磨损寿命计算模型，估计出基于磨损量的使用寿命。 提出了工程机械维修性评估模型。通过研究国家军用标准和美军军用标准，分析了影响工程机械维修性的组成因素，确定了各因素对维修性的影响权重。重点进行了维修单元拆卸性评定，建立了拆卸顺序生成模型，由此模型生成了零部件的拆卸顺序，并计算出拆卸时间，得到拆卸效率，最终根据影响维修性的各因素及权重，得到构件的维修性度量。通过对可靠性维修性定义的研究，提出了可靠度维修度计算模型，运用该模型可以准确计算产品的使用可靠度和维修度。 提出并建立了工程机械数据流通网络，通过该网络，可以收集到完整的产品可靠性维修性数据，基于完整的可靠性维修性数据，采用优度拟合法和似然比较法，进行数据分布的确定，为可靠度维修度的计算，奠定了基础。 由可靠度定义，根据不同的分布，给出了相应的可靠度计算模型。根据维修度的全概率定义，研究出故障服从威布尔分布和正态分布的维修度计算模型，得出该两种故障分布形式的产品维修度不仅与维修时间有关，还与产品工作时间有关。 为保证产品的使用可靠性达到设计目标，对工程机械的修复策略进行了研究，建立了以产品利润为准则的各故障时期分界点的划分模型，由此模型可以清楚地求出各时期的分界点，从而针对不同故障时期确定维修策略，提出了预防维修策略中最佳维修周期优化模型，为理想预防维修周期的确定提供理论依据。 进行了工程机械可靠性维修性综合优化设计系统的总体框架研究，制定了系统设计结构和组成模块，并研究了各模块功能。依据可靠度、维修度综合优化分配理论和方法开发了综合优化模块，该模块主要完成可靠性、维修性优化问题。 针对工程机械中典型零件的寿命预估理论和方法，开发了以构件结构尺寸为依据的可靠度和维修度分析模块，完成产品或零部件的可靠性、维修性预测功能。 建立了可靠性、维修性数据统计分析模块，开发了数据分布分析算法，为后续的实际可靠性、维修性测算奠定了基础。根据统计的产品实际可靠性、维修性数据，开发了使用可靠性、维修性估算模块，可靠性估算能够进行构件疲劳寿命和磨损寿命的估算，结果表示产品的实际可靠性和维修性水平。整个设计系统中信息、数据多而复杂，通过研究开发的信息管理模块，实现了对设计系统信息综合管理。 本课题由企业博士后科研工作站项目：“工程机械全生命周期设计若干关键技术研究”(项目编号：LGP200401)。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第1章绪论

1.1可靠性维修性设计研究现状

1.1.1基本概念

1.1.2可靠性维修性设计方法现状

1.1.3可靠性分配现状

1.1.4维修性分配发展现状

1.1.5可靠性分析现状

1.1.6维修性评估现状

1.1.7基于可靠性的维修管理

1.2课题研究背景

1.2.1工程机械在国民经济中地位

1.2.2国内工程机械发展现状

1.2.3工程机械可靠性维修性发展现状

1.3目前研究存在问题

1.4课题研究目的、意义和主要研究内容

1.4.1课题研究目的和意义

1.4.2课题主要研究内容

1.4.3论文组织结构

第2章可靠性维修性综合优化设计方法

2.1全生命周期产品可靠性维修性优化的设计流程

2.2产品可靠性、维修性综合优化设计方法

2.2.1可修复系统的可用度

2.2.2基于全生命周期投资-效益准则的可靠性维修性优化

2.3本章小结

第3章可靠度维修度分配方法研究

3.1可靠性及其度量

3.1.1可靠性定性指标

3.1.2可靠性定量指标

3.2维修性及其度量

3.2.1维修定性指标

3.2.2维修性定量指标

3.3可靠性分配的目的与原则

3.4可靠度分配方法研究

3.4.1模糊层次分析可靠度分配法

3.4.2比例组合法分配可靠度

3.4.3复合法进行可靠性分配

3.5维修性分配目的

3.6维修度分配方法研究

3.6.1工程机械加权因子法进行维修度分配

3.6.2失效率法进行维修度分配

3.6.3维修费用最少的维修度分配方法

3.7本章小结

第4章基于产品结构可靠性维修性评估

4.1评估方法的研究现状

4.2机械构件的主要失效形式

4.2.1断裂失效

4.2.2疲劳失效

4.2.3磨损失效

4.2.4振动失效

4.2.5装载机工作装置结构模型及主要失效形式

4.3构件疲劳寿命分析模型

4.3.1载荷计算模型

4.3.2有限元计算模型的建立

4.3.3使用疲劳寿命预估

4.3.4装载机摇臂疲劳寿命计算

4.4构件磨损使用寿命预估

4.4.1建立磨损模型

4.4.2基于磨损量的销轴使用寿命计算

4.5工程机械的维修性评估

4.5.1维修性评估模型

4.5.2可维修度数学模型

4.6本章小结

第5章基于维护管理的使用可靠度维修度研究

5.1可靠性维修性数据统计方法研究

5.2可靠性维修性数据组成

5.3故障数据分析方法研究

5.3.1可靠性分布的确定

5.3.2最优分布确定

5.4使用可靠度计算

5.5使用维修度的计算

5.5.1系统维修度

5.5.2故障服从指数分布的维修度

5.5.3故障服从威布尔分布系统维修度

5.5.4故障服从正态分布的系统维修度

5.5.5平均修复时间计算

5.6保证工程机械使用可靠度维护策略研究

5.6.1系统修复策略的制定

5.7本章小结

第6章工程机械可靠性维修性综合优化设计系统

6.1设计系统总体结构

6.1.1开发及运行环境

6.1.2系统设计流程结构

6.2可靠度维修度综合优化分配模块

6.3可靠度维修度预估模块

6.4可靠性维修性数据统计分析

6.4.1数据整理

6.4.2可靠性分布确定

6.5实际可靠度维修度计算

6.6系统产品信息管理

6.7本章小结

第7章结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研情况

发表论文一

发表论文二

致谢