基于風險權重的綜合傳動裝置任務可靠性預計

黃大榮,張傳普,高 劍,魏盛興,孫雪巖,桂 林,李 攀

(1.重慶交通大學 信息科學與工程學院,重慶 400074;2.重慶交通大學 數學與統計學院,重慶 400074;3.中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室,北京 100072;4.北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院,北京 100191)

某履帶車輛綜合傳動裝置是集機電液為一體的復雜裝置,包含前傳動、液壓操縱系統等20個部件近萬個零件。綜合傳動裝置為整車提供直駛變速、轉向、制動、壓氣機驅動、風扇驅動等功能,是車輛正常完成任務的基礎裝置。為了適應現代復雜多變的工作內容和實際情況中未知的各類環境,保證車輛的持續工作能力和任務成功性就顯得尤為重要。對綜合傳動裝置在給定工作或非工作條件下的可靠性參數進行估算,能夠得到系統的可靠性指標。該指標是一種將設備可靠性由定性轉為定量評估的有效方法[1-3],預測結果可用于評估維修預算和改進設計[4-5]。然而,現有對綜合傳動裝置可靠性方面的研究大多針對裝置內特定類型的元件或部件,很少有針對綜合傳動裝置整體可靠性的研究?？煽啃灶A計作為定量分析綜合傳動裝置可靠性的有效手段,所得的精確可靠的預計結果對于綜合傳動裝置系統設計、改進和維護具有重要意義。

可靠性框圖是一種常見的可靠性預計方法,其用框圖形式描述產品(系統)可靠性與零部件故障之間的邏輯關系[6]。Zhou等[7]、斗計華等[8]、吳嘉寧等[9]、孫曉哲等[10]分別構建相應的可靠性框圖,有效解決了風電變流器電容器組、艦空導彈武器系統、飛機主控制系統等可靠性分析問題。Bhardwaj等[11]、鄭鳳翥等[12]從系統的失效機理出發,通過故障模式、影響和危害性分析(failure mode and effects criticality analysis,FMECA)方法分別有效提高了風力渦輪機系統、伺服穩定平臺的可靠性。趙健等[13]采用系統工程方法解決了裝備基本可靠性指標的分配問題。綜合傳動裝置是由大量機械件、電氣件以及液壓液力器件等不同類別的零件組成,部件結構復雜且種類差距較大,在系統中地位和功能各不相同,采用傳統可靠性框圖法進行可靠性預計存在定量計算精度不足、預計方法缺乏針對性和適應性的問題。產品設計階段往往面臨故障數據不足等問題,缺少對真實故障數據的研究,會導致可靠性預計結果參考意義較小。因此構建系統可靠性模型時需綜合考慮各單元對系統可靠性的影響權重,并區別處理[14],有利于提高可靠性預計結果的準確性。

針對綜合傳動裝置元件種類多、數量大以及執行任務復雜等特點,以某履帶車輛綜合傳動裝置為研究對象,提出一種基于風險權重的綜合傳動裝置任務可靠性預計方法。在設計部件-系統關聯架構下的任務可靠性預計流程的基礎上,基于部件任務風險權重系數構建部件層次任務可靠性預計修正模型,實現各類型目標任務模式下整體裝置可靠性的準確預計。

1 部件-系統關聯架構下任務可靠性預計

在實際工程中,綜合傳動裝置是由不同單元部件組成的復雜系統,各部件的可靠性與其任務目標相關,一般通過部件分層逐級迭代進行可靠性預計分析。為提高綜合傳動裝置可靠性預計的準確度和合理性,需將層次分析法與可靠性框圖相結合,建立不同單元、不同層次的可靠性預計模型,采用分層次、分類別的流程進行可靠性預計,劃分為元件、部件和系統3個層次,部件層次的可靠性預計結果可作為系統層次可靠性預計的輸入。整體系統的可靠性預計流程和指標要求如圖1所示。

圖1 綜合傳動裝置可靠性預計流程Fig.1 Integrated transmission reliability prediction process

由圖1可知,部件層和系統層的可靠度將直接影響系統整體可靠性預計結果的準確性。在實際應用中,不同部件層次在不同任務條件下的可靠性結果不一致,需要以FMECA表為基礎,結合各部件權重因子大小,根據任務目標設定部件-系統層次可靠性計算模型。

2 部件層次任務可靠性預計修正模型

2.1 部件層次基本可靠性預計模型

綜合傳動裝置內的部件由眾多元件組成,元件可靠度的大小會影響部件可靠度。而部件層次可靠性框圖是從可靠性角度出發研究元件與部件之間的邏輯圖,基本可靠性框圖內任一單元發生故障都需要進行維護?；诖?以中間支架部件為例,建立如圖2所示的中間支架基本可靠性框圖。

圖2 中間支架基本可靠性框圖Fig.2 Basic reliability block diagram of intermediate support

由圖2可知,基本可靠性框圖下組成部件的各元器件均有固定可靠度,用符號Rj表示。部件基本可靠度計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

基于上述計算模型,可確定系統內部件的基本可靠度。在實際工程中,部件層次可靠度與任務目標可靠度相關,在實際操作中為了更準確地評估部件層次可靠性,需對部件層次的任務可靠性進行預計。

2.2 部件任務可靠性預計修正模型

部件層次任務可靠性與綜合傳動裝置的任務要求和執行功能密切相關。各部件在不同任務目標下對整體系統可靠性綜合評估結果的影響不一樣,即與各部件對應的任務存在一定的可靠度偏離風險,稱之為風險權重系數,記為W。顯然,在獲得部件的基礎可靠度Rb后,還應根據各部件對整體系統的風險權重系數,對部件層次可靠度進行修正,稱為部件層次任務可靠度,其基本計算公式可設定如下:

RB=(Rb)W。

(4)

式(4)中,RB為部件的任務可靠度;Rb為部件的基本可靠度。

實際應用中,風險權重系數的計算準確與否,將直接影響部件層次任務可靠度預計的準確性。因此,如何對部件風險權重系數進行準確估算,在實際操作中顯得尤為重要。

2.3 風險權重系數計算方法的構建

在給定目標任務模式下,綜合傳動裝置的各部件風險大小跟故障模式發生概率等級(occurrence probability rating,OPR)和影響嚴酷度等級(event severity rating,ESR)密切相關。在實際工程中,為確保風險權重系數影響下的部件層次可靠性預計結果符合實際需求,需要在對故障概率發生等級以及目標任務嚴酷度等級進行定義的基礎上,建立合理的風險權重系數計算模型。

2.3.1 故障概率發生等級 綜合傳動裝置的故障模式發生概率等級評分準則如表1所示。由表1可知,故障模式的發生概率等級通常是根據歷史數據或者經驗來估計的。

表1 故障模式發生概率等級Tab.1 Probability level of failure mode

2.3.2 嚴酷度等級 嚴酷度是對零部件故障造成的最壞潛在后果的度量。根據故障對綜合傳動裝置任務功能的影響程度,綜合傳動裝置嚴酷度類別定義及評分準則如表2所示。由表2可知,中間支架由支架蓋總成、底座等18類元件構成,任何一類元件出現故障,都會導致該部件發生故障。

表2 綜合傳動裝置嚴酷度類別定義及評分準則Tab.2 Classification definition and grading criteria for harshness of integrated transmission devices

2.3.3 基于模糊矩陣的風險權重系數計算模型 基于上述定義,即可引入合理的算法設計相應的風險權重計算模型?；舅枷胧?在對綜合傳動裝置進行FMECA表分析的基礎上,結合故障模式發生的概率等級和影響嚴酷度等級,構建指標重要性的二元對比矩陣,并引入模糊矩陣,實現部件風險權重系數的計算?；静襟E如下:

1) 計算風險優先系數?；趯嶋H應用目標的FMECA分析表,獲取各元件的部件故障模式發生的概率等級和部件層次對系統層次的影響嚴酷度等級評估結果,并計算任務目標下部件的風險優先數,計算公式為

NRPNi=∑NOPRi·NESRi。

(5)

式(5)中,NRPNi為部件i的風險優先數;NOPRi為部件i故障模式發生的概率等級;NESRi為部件i對系統的影響嚴酷度。

從而,得到各部件的風險優先系數矩陣為

NRPN=NRPN1,NRPN2,…,NRPNB。

(6)

式(6)中,i=1,2,…,B;B為總元件數。

2) 建立關于指標重要性的二元對比矩陣。對風險優先系數矩陣NRPN中的NRPNi與NRPNj作二元對比,j=1,2,…,B。當NRPNi>NRPNj時,排序標度eij=1、eji=0;當NRPNi=NRPNj時,排序標度eij=0、eji=0;當NRPNi

根據排序標度建立關于指標重要性的二元對比矩陣E:

(7)

3) 計算某部件的風險優先系數。根據二元對比矩陣結果,計算NRPNi的重要性排序指數fi,定義如下:

(8)

根據fi的大小,即可得到部件可靠度相對于系統的重要度排序結果。

為進一步對比分析兩兩部件間的相對重要度,引入模糊隸屬度概念進行計算,具體模型如下:

wij=(fi-fj)/[2(B-1)]+0.5。

(9)

對綜合傳動裝置整體而言,可得到兩兩部件間的相對重要模糊隸屬度矩陣,稱之為模糊判斷矩陣M,即:

(10)

最終,通過指標排序指數變換,得到描述指標相對重要度的模糊間接標度,并通過模糊判斷矩陣數值wij得到每行模糊隸屬度結果。即:

(11)

式(11)中,wi為部件i相對于上層次(也就是系統層次)的重要性,即部件i的風險優先系數。

4) 計算部件i的風險權重。將得到的風險優先系數先進行算術平均,再利用各個部件的權重值除以總權重的平均值,得到各個部件的風險權重系數。風險權重系數計算公式為

(12)

式(12)中,Wi為部件i的風險權重系數;A為系統下部件的總數量。

通過上述算法,就可以根據各個部件的基本可靠度和對應權重得到部件任務可靠度的修正結果,從而確保最終可靠性預計結果的準確性。

3 系統層次任務可靠性預計方法

綜合傳動裝置在完成任務時,每個部件都會參與,且每個部件都有各自的功能,因此各部件在系統中都是相互獨立的,在邏輯上又是相互關聯的。因此,一旦確定了部件層次任務可靠度結果,就需要針對綜合傳動裝置整體系統的組成架構,構建系統層次可靠性框圖,如圖3所示。

圖3 系統層次基本可靠性框圖Fig.3 System level basic reliability block diagram

由圖3可知,采用上述修正算法得到綜合傳動裝置的任務可靠度計算公式:

(13)

式(13)中,R為綜合傳動裝置系統任務可靠度;RB為綜合傳動裝置部件任務可靠度。

4 實驗案例分析

4.1 實驗結果

為驗證所提出算法的有效性和合理性,采用某履帶車輛的綜合傳動裝置進行驗證,其中測試速度默認值為20km/h,工作測試時間默認值為1h。同時,為保證車輛完成任務,規定平均故障間隔里程大于5000km。

可靠性預計過程采用自底向上的原則。首先,在對該裝置進行可靠性框圖分析的基礎上,根據部件層次基本可靠性框圖,結合元件層次的基本可靠度和式(1),求得綜合傳動裝置部件-系統層次基本可靠度如表3所示。由表3可知,綜合傳動裝置中,中間支架、供油系統等部件基本可靠度較高,箱體部件、前傳動總成、行量變速機構等部件基本可靠度較低。

表3 部件-系統層次基本可靠度Tab.3 Basic reliability of component-system level

為修正任務模式下的可靠性預計結果,根據式(5)～(12),利用Matlab軟件進行計算,得到的任務模式下各部件風險權重系數如表4所示。由表4可知,風險權重系數是在考慮任務風險的概率、影響程度等因素下對綜合傳動裝置的分析和評估,可對部件基本可靠度進行加權得到部件任務可靠度。

表4 部件層次風險權重系數Tab.4 Basic reliability of component level

根據目標任務模式下部件權重系數,結合部件基本可靠度和式(4),得到的部件層次任務可靠度如表5所示。

表5 綜合傳動裝置部件任務可靠度修正結果Tab.5 The improved results of task reliability of integrated transmission components

由表5可知,在工程設計階段,將各部件任務可靠度代入到式(13)中,計算得到綜合傳動裝置系統任務可靠度為0.9977932,平均故障里程為9053.06km,大于規定的平均故障間隔里程指標。

4.2 實驗結果分析

綜合傳動裝置的各部件基本可靠度和部件任務可靠度對比結果如圖4所示。由圖4可知,在完成任務過程中,油泵組、變矩器支架和輔助傳動任務可靠度較低,相比于其他部件,更影響整個綜合傳動裝置的任務完成能力。另外,從綜合傳動裝置各類任務執行參與程度和FMECA表中可以得出液粘離合器總成、行星變速機構、前傳動總成和油泵組為行駛中重要參與部件。因此,液粘離合器總成、行星變速機構、前傳動總成和油泵組可認為是綜合傳動裝置的重要部件。在實際設計中,為提升綜合傳動裝置的可靠性和穩定性,建議該裝置的可靠性設計和改進需重點關注液粘離合器總成、行星變速機構、前傳動總成、油泵組、變矩器支架和輔助傳動。

圖4 部件基本可靠度與部件任務可靠度結果對比Fig.4 Comparison of component basic reliability and component task reliability

同時,在整個傳動系統任務可靠性預計方面,綜合傳動裝置具有較高的任務可靠度,超過了預計規定的5000km平均故障間隔里程,能有效保證其任務成功。實驗結果表明,綜合傳動裝置的任務可靠性預計值是規定值的1.81倍,兼顧性能設計的同時還能為傳動系統后續優化設計提供更大的改進空間,可以通過加強各個部件中元件的篩選、選用更高質量等級的元件、簡化設計、降額設計和熱設計等措施進一步提高裝置的基本可靠性和任務可靠性水平。

5 結論

綜合傳動裝置作為履帶車輛中的關鍵子系統,其可靠性預計結果直接影響整車的質量,其部件-系統層次可靠性預計方法,是工業管理部門特別關注的問題。特別地,受限于綜合傳動裝置中不同類別零部件的功能和風險差異性,在給定任務模式下,其可靠性預計精度不高?；谏鲜瞿康?在傳統可靠性預計流程的基礎上,設計了目標任務下部件風險權重系數計算模型,并以此為基礎提出了一種基于風險權重的綜合傳動裝置可靠性預計新方法。根據上述方法計算綜合傳動裝置整體的任務可靠度為0.9977932,平均故障里程為9053.06km,大于定量規定的平均故障間隔里程。實驗結果表明,提出的算法具備一定的合理性和有效性,可對工業設計部門提供一定的改進建議。