基于历史数据修正系数的可靠性分配方法

可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力[1]。随着各种机械设备的结构层次和功能划分日趋复杂,执行任务的环境条件愈加严苛,对复杂设备系统的可靠性要求也越来越高。可靠性分配作为可靠性设计的重要组成部分[2],是将可靠性定量指标按要求分配到各分系统、部件/组件、零件/元器件的自上而下的分解过程,目标是综合权衡有限的资源实现整个系统的可靠性目标,确保每一个基本单元的可靠性都满足可靠性设计要求[3-4]。

目前,产品设计人员的观念从以往重视产品性能逐渐向注重产品的可靠性维修性方面发展[5-7],因此可靠性分配在现代复杂机械设备的正向研发设计过程中有着至关重要的指导意义,其分配结果直接明确了各组成部分的可靠性要求,并作为可靠性鉴定考核试验与评估的依据,分配结果的准确与否对产品内在可靠性产生直接影响[8]。在实际工程上常采用的可靠性分配方法有等分配法、相似产品法、评分分配法、AGREE分配法等传统分配方法[9-11]。等分配法假设系统各组成单元的可靠性水平相同,分配结果合理性较差。相似产品法利用已有相似系统的可靠性数据对新系统进行可靠性指标分配,但其过分依赖历史故障数据,且未考虑新研系统的技术特性。评分分配法根据专家经验对系统组成单元的技术水平、工作时间、环境条件等因素评分,根据评分结果进行可靠性分配,但该方法受专家主观影响大。AGREE分配法根据系统各组成单元的复杂度、重要度和工作时间进行可靠性分配,但对于复杂机械系统往往难以提前确定各个零部件的工作时间信息。

因此,传统的可靠性分配方法实质上都会过分的依赖历史故障数据或者专家经验的决策而具有应用上的局限性[12],在分配流程上,由于在生产制造过程中并不直接生产分系统,对于分系统划分有部件结构交叉的复杂系统,传统的自上而下的分配过程难以进行统一协调的可靠性指标分配,造成可靠性分配与实际生产过程相脱离的情况。为了克服以上传统分配方法的不足,同时更好的适应实际工程上的需要,本文中综合考虑历史故障数据和新研产品特点,提出一种基于历史数据修正系数的可靠性分配方法,并在分配流程上引入部件隶属性矩阵,为复杂机械产品系统实现科学合理的可靠性分配提供一种新的方法依据。

1 复杂机械系统可靠性分配方法流程

1.1 典型复杂机械系统功能-结构层次划分

现代典型复杂机械系统的功能层次一般划分为:系统级、分系统级、部件级和元件级,在进行可靠性指标分配时需要依次将系统的顶层指标分配到分系统、部件及元件。但复杂机械系统的功能层次划分的界限并不明确,按照功能划分的各个分系统会在结构层次经常会出现交叉,按照传统的自上而下的可靠性分配方法会造成部件级和元件级被重复分配可靠性指标的情况,此时传统方法的由上至下的可靠性分配流程并不适用。

将本文中提出的基于历史数据修正系数的可靠性分配方法适用对象划分为四级,即系统级、分系统级、部件级和元件级,其功能-结构层次如图1所示,其中分系统级按照具体功能划分。

1.2 基于隶属性矩阵的可靠性分配流程

典型复杂机械系统的结构分为系统级、分系统级、部件级和元件级,因此其可靠性分配工作一般分3个步骤进行,即将系统顶层的可靠性指标分别分配到分系统、部件和元件,以上3个可靠性分配步骤由于分配对象的不同分配方法也有所差异。由于元件在使用寿命周期中难以得到其历史故障数据,因此本文中提出的基于历史数据修正系数的可靠性分配方法仅探讨将系统基本可靠性指标分配到分系统和部件。

显然,由于各个分系统按照具体功能划分,因此会出现同一个部件属于不同分系统的情况,此时传统方法的由上至下的可靠性分配流程并不适用。为了解决这个问题,提出部件隶属性矩阵的概念,通过隶属性矩阵判断该分系统包括的具体部件。在进行可靠性分配时,首先利用基于历史数据修正系数的可靠性分配方法将系统顶层指标分配到各个部件,再通过隶属性矩阵由部件可靠性指标反推计算得到分系统可靠性指标。具体分配步骤如图2所示。

1) 确定A系统基本可靠性指标失效率λA。

2) 确定各个部件所属分系统,填写部件隶属性矩阵表(如表 1所示),得到隶属性矩阵。其中部件Ci属于该分系统填1,反之填0。隶属性矩阵用M表示:

3) 调研收集历史产品系统各个部件的历史故障数据,历史故障数据集记作I:

4) 根据新研机械系统特性,确定评分特性k个,组织专家根据评分特性给所有部件打分,部件Ci打分结果记作Si:

5) 使用基于历史数据修正系数的可靠性分配方法将顶层指标λA分配到各个部件,分配结果记作λci:

6) 计算分系统可靠性指标,分配结果记作λBi:

2 考虑两类信息的可靠性分配方法框架

根据以上分析,针对传统可靠性分配方法的不足,结合典型复杂机械系统的功能-结构特点,提出一种能够综合考虑历史故障数据和新研产品特点两类信息的可靠性分配方法。

2.1 基于相似产品历史数据的可靠性分配

一般来说,新研机械类产品与历史产品具有较高的相似性,因此,历史产品的故障数据对于指导新研产品的可靠性设计具有重要意义,基于相似产品故障数据按比例分配可靠性指标的步骤如下:

1) 定义复杂机械产品的系统总失效率λA;

2) 收集历史产品故障数据,统计各部件故障数,记作I=(I1,I2,…,In);

3) 计算各部件历史故障比例Ki:

式中,Ki为第i个部件的故障比例; Ii为第i个部件的故障树。

4) 计算新研机械产品各部件的失效率λci1:

2.2 考虑新研产品特性的可靠性分配结果修正

根据3.1节中传统方法进行可靠性分配后,历史未出现故障的部件的失效率为0(即可靠度为1),实际上新研产品的各个部件都会受到技术方案、制造技术成熟度等多方面的影响,其失效率往往大于0(即可靠度小于1)。因此,以相似产品历史故障数据为基础进行的初次分配结果并不准确,需要对其进行修正。

考虑机械产品的具体可靠性特点,如产品复杂度、环境条件、载荷强调与频次、制造技术成熟程度等,利用专家领域知识根据新研产品特点对各部件进行多维度的综合定量评分,根据获得的评分结果对第一部分可靠性分配结果进行二次调整与优化,使得分配结果既能利用相似产品历史测试获得真实故障数据,又能兼顾新研产品的具体特点。其分配步骤如下:

1) 根据新研产品特性,计算各部件新特性评分

根据具体机械产品确定q个新研产品特性,记作Q=(Q1,Q2,…,Qq),由专家组对产品特性打分,每个特性得分取专家组的打分结果均值,结果记作Xij(j=1,2,…,q-1,q),分值取值范围1～10分,再将6个维度的得分相乘,得到该部件的专家打分结果,分值高代表许用失效率高,可靠性差。记第i个部件新特性评分为Wi,则:

式中,Wi为第i个部件的新特性评分;Xij为第i个部件第j个新特性评分。

2) 根据新特性专家评分结果,计算各部件失效率λci2

有各部件评分所占比例αi:

则各部件失效率λci2:

3) 根据新研产品特性,确定各部件修正系数

根据相似机械产品的相似程度和历史故障数据的可信程度,结合新研机械产品与可靠性相关的影响因素情况,确定依据历史故障数和新研产品特性评分两者之间的调节系数。定义β为新研产品特性评分调节系数,则历史故障数确定的失效率调节系数为1-β。

4) 综合考虑历史故障数据和新研机械产品特点评分结果,计算最终的失效率λci

综合以上步骤,基于历史数据修正系数的可靠性分配方法的流程如图3所示。

3 算例验证

为验证以上方法的有效性,现以某液力机械综合传动系统为研究对象,采用本文中提出的基于历史数据修正系数的可靠性分配方法对该传动系统方案设计阶段的基本可靠性指标进行分配。

3.1 某液力机械综合传动系统基本信息

该传动系统是集机电液为一体的复杂系统,可以提供直驶变速、转向、制动、冷却、驱动、启动等功能。按照系统-分系统-部件对其进行层级划分,则该机械综合传动系统有直驶变速系统、转向系统、中心转向系统、制动系统、冷却系统、驱动系统和启动系统7个分系统,在部件层级有箱体、中间支架、前传动总成、风扇传动总成、离合器总成、油泵组、供油系统、液压操纵系统、操纵电控系统、变矩器支架、行星变速机构、辅助传动、左汇流排、右汇流排、联体泵马达、测试系统、液力减速器、减速器控制阀、液力变矩器和传动总体共20个部件。

3.2 基本可靠性指标与新研产品特性

1) 基本可靠性指标。根据机械综合传动系统执行任务特点,选择平均故障间隔里程(mean kilometers between failures,MKBF)和失效率λA作为其基本可靠性参数,二者之间有如下转换关系:

式中:λA表示以平均故障间隔里程为参数的失效率; λAt表示以平均故障间隔时间为参数的失效率;MTBF表示平均故障间隔时间。

参考历史产品可靠性指标数据,可初步确定系统级的MKBF指标规定值为4 000 km。根据传统的可靠性分配方法经验、参考近年国内外针对相似产品的可靠性指标分配实例,对MKBF指标采用阶段式的提升方式,即乘以提升系数1.25[13-15],得到可靠性指标目标值,以提高该项指标的裕度。

2) 新特性评分。选择能够准确评价机械评分特性是得到准确可靠性分配结果的前提,根据新研机械综合传动系统的具体特点,考虑各评分特性的全面性和相互独立性,确定了评分特性集为:产品复杂程度,环境条件,载荷频次,设计技术成熟程度,制造技术成熟程度,维修难易程度。由专家组对机械综合传动系统根据上述6个评分特性进行评分,评分范围为0～10,评分原则如表3所示。

3.3 可靠性分配计算及结果

根据图 3中的可靠性分配计算流程,确定机械综合传动系统可靠性分配的顶层指标和相关参数具体值如下:

1) 系统顶层指标:λA=2×10-4,MKBF=5 000 km

2) 部件隶属性矩阵 width=137,height=79,dpi=110

3) 各部件历史故障数据:

4) 各部件专家打分结果 width=130,height=82,dpi=110

5) 调节系数β=0.3。

计算得到各分系统和各部件的可靠性分配结果分别如表4、表5所示。

4 结论

可靠性分配的过程本质上是一个全面权衡多种因素的工程决策过程,针对功能划分界限不清晰的复杂机械系统,传统的可靠性分配方法难以得出科学合理的结果。本文中给出的基于历史数据修正系数的可靠性分配方法,在计算方法上充分考虑了历史故障数据和新研产品特性两类信息,在分配流程上引入了部件隶属性矩阵,通过先计算部件可靠性指标再反推分系统可靠性指标的方法也更加贴合复杂机械系统的实际研制生产过程,为产品的可靠性设计提供了参考。

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