基于故障诊断与可靠性分析的机械系统预防维修研究

摘要

在现代工程领域，可靠性和维修性作为新兴学科越来越被人们认识并得到发展。特别是在机械工程领域，设备（系统）日益朝着大型化、复杂化方向发展，这就需要人们更深入地了解系统的运行规律，同时，对系统可靠性的认识、系统维修性工作的开展等提出了更高要求。随着对系统（或部件）失效机理及其发展规律的认识越来越完善，针对系统可靠性、维修性的分析也更加趋于工程实际应用。在此基础上，提出了多种针对不同失效机理、不同系统的维修决策并建立维修模型。这些维修决策及模型为可靠性、维修性工程实际应用提供了重要理论依据。
　　近几十年来，预防维修作为一种重要的维修方式得到了迅速发展，并在工程实际中广泛应用。本文主要针对持续退化系统和存在部件失效相关的系统，通过故障诊断和部件以及系统的可靠性分析两种手段，对目前系统预防维修中比较棘手的退化与冲击竞争失效方式、连续劣化非完好维修方式以及部件失效相关等问题进行研究。论文的主要研究内容如下：
　　（1）提出了故障诊断中的故障信息处理方法。
　　开展视情维修的一个重要内容和前提就是对系统（部件）进行故障诊断。本文提出了基于谱峭度和稀疏表达两种方法对部件出现的振动信息加以分析。基于谱峭度方法中利用了盲均衡算法来去除传播通道的影响；稀疏表达方法中利用粒子群优化Morlet小波，并用自适应形态分析对最优小波滤波信号进行后处理。研究表明，两种方法对故障信息的处理各有优势，能有效识别部件的特征故障。
　　（2）建立了考虑退化和冲击两种竞争失效方式的系统维修模型。
　　机械设备中，系统经常同时受到退化和冲击损伤两种竞争失效方式。本文在对系统内部退化与外部冲击对系统可靠性影响进行分析的基础上，提出了一种定期视情维修模型。该模型结合故障诊断结果，在一定程度上提高了维修决策的合理性。
　　（3）建立了非完好维修情况下序列预防维修模型。
　　相对于完好维修来说，非完好维修考虑的情况更接近工程实际，因此成为维修性研究工作中的一个热点问题。与此同时，在预防维修策略的研究中，序列维修与等周期维修相比也更加接近设备维修实际情况。本文结合这两种情况提出了一种基于随机失效率调整和役龄降低的非完好维修策略，并将此策略用于设备的序列预防维修建模。研究结果表明，相对于等周期预防维修，本文提出的序列维修策略维修周期安排更加合理，费用更加经济。
　　（4）建立了系统中部件存在失效相关的预防维修模型。
　　系统中，部件失效相关是非常普遍的现象。本文应用Copula函数分别对两部件失效相关系统和多态k-out-of-n系统在运行过程中存在的失效相关进行分析，揭示了系统中部件失效之间的相关性，并对其可靠性进行分析。最后提出了一种考虑部件失效相关的预防维修模型。研究表明，考虑部件失效相关之后建立的预防维修模型与部件产生故障是独立的情况相比更加接近维修的实际情况，费用更低，效果更好。为维修性工作的理论研究和实际开展提供了一个新的途径和方法。

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主要符号及缩略语

第一章 绪 论

1.1 研究背景及目的、意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究现状分析

1.4 论文的研究内容

1.5 论文的主要结构

第二章 基于谱峭度和稀疏表达的故障诊断方法

2.1 引言

2.2 基本理论介绍

2.3 轴承故障特征提取方法

2.4 算例分析及验证

2.5 本章小结

第三章 考虑退化和冲击损伤的视情维修分析与建模

3.1 引言

3.2 视情维修相关模型

3.3 系统描述和定义

3.4 可靠性建模及参数估计

3.5 视情维修决策分析与建模

3.6 算例分析

3.7 本章小结

第四章 连续劣化系统序列预防维修分析及建模

4.1 引言

4.2 非完好预防维修模型

4.3 维修策略模型及制定

4.4 遗传算法优化模型

4.5 算例分析

4.6 本章小结

第五章 考虑部件失效相关的系统可靠性分析及预防维修建模

5.1 引言

5.2 部件失效相关性分析

5.3 Copula理论介绍

5.4 基于Copula理论的失效相关系统可靠性分析

5.5 维修决策分析及建模

5.6 算例分析

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参与的项目研究

攻读博士学位期间取得的成果