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(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)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(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院,北京 100191)

某履帶車輛綜合傳動裝置是集機(jī)電液為一體的復(fù)雜裝置,包含前傳動、液壓操縱系統(tǒng)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(zhuǎn)向、制動、壓氣機(jī)驅(qū)動、風(fēng)扇驅(qū)動等功能,是車輛正常完成任務(wù)的基礎(chǔ)裝置。為了適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜多變的工作內(nèi)容和實際情況中未知的各類環(huán)境,保證車輛的持續(xù)工作能力和任務(wù)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(shù)進(jìn)行估算,能夠得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。該指標(biāo)是一種將設(shè)備可靠性由定性轉(zhuǎn)為定量評估的有效方法[1-3],預(yù)測結(jié)果可用于評估維修預(yù)算和改進(jìn)設(shè)計[4-5]。然而,現(xiàn)有對綜合傳動裝置可靠性方面的研究大多針對裝置內(nèi)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(yù)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(yù)計結(jié)果對于綜合傳動裝置系統(tǒng)設(shè)計、改進(jìn)和維護(hù)具有重要意義。

可靠性框圖是一種常見的可靠性預(yù)計方法,其用框圖形式描述產(chǎn)品(系統(tǒng))可靠性與零部件故障之間的邏輯關(guān)系[6]。Zhou等[7]、斗計華等[8]、吳嘉寧等[9]、孫曉哲等[10]分別構(gòu)建相應(yīng)的可靠性框圖,有效解決了風(fēng)電變流器電容器組、艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、飛機(jī)主控制系統(tǒng)等可靠性分析問題。Bhardwaj等[11]、鄭鳳翥等[12]從系統(tǒng)的失效機(jī)理出發(fā),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(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)、伺服穩(wěn)定平臺的可靠性。趙健等[13]采用系統(tǒng)工程方法解決了裝備基本可靠性指標(biāo)的分配問題。綜合傳動裝置是由大量機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜且種類差距較大,在系統(tǒng)中地位和功能各不相同,采用傳統(tǒng)可靠性框圖法進(jìn)行可靠性預(yù)計存在定量計算精度不足、預(yù)計方法缺乏針對性和適應(yīng)性的問題。產(chǎn)品設(shè)計階段往往面臨故障數(shù)據(jù)不足等問題,缺少對真實故障數(shù)據(jù)的研究,會導(dǎo)致可靠性預(yù)計結(jié)果參考意義較小。因此構(gòu)建系統(tǒng)可靠性模型時需綜合考慮各單元對系統(tǒng)可靠性的影響權(quán)重,并區(qū)別處理[14],有利于提高可靠性預(yù)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對綜合傳動裝置元件種類多、數(shù)量大以及執(zhí)行任務(wù)復(fù)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(fēng)險權(quán)重的綜合傳動裝置任務(wù)可靠性預(yù)計方法。在設(shè)計部件-系統(tǒng)關(guān)聯(lián)架構(gòu)下的任務(wù)可靠性預(yù)計流程的基礎(chǔ)上,基于部件任務(wù)風(fēng)險權(quán)重系數(shù)構(gòu)建部件層次任務(wù)可靠性預(yù)計修正模型,實現(xiàn)各類型目標(biāo)任務(wù)模式下整體裝置可靠性的準(zhǔn)確預(yù)計。

1 部件-系統(tǒng)關(guān)聯(lián)架構(gòu)下任務(wù)可靠性預(yù)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(fù)雜系統(tǒng),各部件的可靠性與其任務(wù)目標(biāo)相關(guān),一般通過部件分層逐級迭代進(jìn)行可靠性預(yù)計分析。為提高綜合傳動裝置可靠性預(yù)計的準(zhǔn)確度和合理性,需將層次分析法與可靠性框圖相結(jié)合,建立不同單元、不同層次的可靠性預(yù)計模型,采用分層次、分類別的流程進(jìn)行可靠性預(yù)計,劃分為元件、部件和系統(tǒng)3個層次,部件層次的可靠性預(yù)計結(jié)果可作為系統(tǒng)層次可靠性預(yù)計的輸入。整體系統(tǒng)的可靠性預(yù)計流程和指標(biāo)要求如圖1所示。

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

由圖1可知,部件層和系統(tǒng)層的可靠度將直接影響系統(tǒng)整體可靠性預(yù)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實際應(yīng)用中,不同部件層次在不同任務(wù)條件下的可靠性結(jié)果不一致,需要以FMECA表為基礎(chǔ),結(jié)合各部件權(quán)重因子大小,根據(jù)任務(wù)目標(biāo)設(shè)定部件-系統(tǒng)層次可靠性計算模型。

2 部件層次任務(wù)可靠性預(yù)計修正模型

2.1 部件層次基本可靠性預(yù)計模型

綜合傳動裝置內(nèi)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(fā)研究元件與部件之間的邏輯圖,基本可靠性框圖內(nèi)任一單元發(fā)生故障都需要進(jìn)行維護(hù)?；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(tǒng)內(nèi)部件的基本可靠度。在實際工程中,部件層次可靠度與任務(wù)目標(biāo)可靠度相關(guān),在實際操作中為了更準(zhǔn)確地評估部件層次可靠性,需對部件層次的任務(wù)可靠性進(jìn)行預(yù)計。

2.2 部件任務(wù)可靠性預(yù)計修正模型

部件層次任務(wù)可靠性與綜合傳動裝置的任務(wù)要求和執(zhí)行功能密切相關(guān)。各部件在不同任務(wù)目標(biāo)下對整體系統(tǒng)可靠性綜合評估結(jié)果的影響不一樣,即與各部件對應(yīng)的任務(wù)存在一定的可靠度偏離風(fēng)險,稱之為風(fēng)險權(quán)重系數(shù),記為W。顯然,在獲得部件的基礎(chǔ)可靠度Rb后,還應(yīng)根據(jù)各部件對整體系統(tǒng)的風(fēng)險權(quán)重系數(shù),對部件層次可靠度進(jìn)行修正,稱為部件層次任務(wù)可靠度,其基本計算公式可設(shè)定如下:

RB=(Rb)W。

(4)

式(4)中,RB為部件的任務(wù)可靠度;Rb為部件的基本可靠度。

實際應(yīng)用中,風(fēng)險權(quán)重系數(shù)的計算準(zhǔn)確與否,將直接影響部件層次任務(wù)可靠度預(yù)計的準(zhǔn)確性。因此,如何對部件風(fēng)險權(quán)重系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估算,在實際操作中顯得尤為重要。

2.3 風(fēng)險權(quán)重系數(shù)計算方法的構(gòu)建

在給定目標(biāo)任務(wù)模式下,綜合傳動裝置的各部件風(fēng)險大小跟故障模式發(fā)生概率等級(occurrence probability rating,OPR)和影響嚴(yán)酷度等級(event severity rating,ESR)密切相關(guān)。在實際工程中,為確保風(fēng)險權(quán)重系數(shù)影響下的部件層次可靠性預(yù)計結(jié)果符合實際需求,需要在對故障概率發(fā)生等級以及目標(biāo)任務(wù)嚴(yán)酷度等級進(jìn)行定義的基礎(chǔ)上,建立合理的風(fēng)險權(quán)重系數(shù)計算模型。

2.3.1 故障概率發(fā)生等級 綜合傳動裝置的故障模式發(fā)生概率等級評分準(zhǔn)則如表1所示。由表1可知,故障模式的發(fā)生概率等級通常是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗來估計的。

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

2.3.2 嚴(yán)酷度等級 嚴(yán)酷度是對零部件故障造成的最壞潛在后果的度量。根據(jù)故障對綜合傳動裝置任務(wù)功能的影響程度,綜合傳動裝置嚴(yán)酷度類別定義及評分準(zhǔn)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(gòu)成,任何一類元件出現(xiàn)故障,都會導(dǎo)致該部件發(fā)生故障。

表2 綜合傳動裝置嚴(yán)酷度類別定義及評分準(zhǔn)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(fēng)險權(quán)重系數(shù)計算模型 基于上述定義,即可引入合理的算法設(shè)計相應(yīng)的風(fēng)險權(quán)重計算模型。基本思想是:在對綜合傳動裝置進(jìn)行FMECA表分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合故障模式發(fā)生的概率等級和影響嚴(yán)酷度等級,構(gòu)建指標(biāo)重要性的二元對比矩陣,并引入模糊矩陣,實現(xiàn)部件風(fēng)險權(quán)重系數(shù)的計算?；静襟E如下:

1) 計算風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)?；趯嶋H應(yīng)用目標(biāo)的FMECA分析表,獲取各元件的部件故障模式發(fā)生的概率等級和部件層次對系統(tǒng)層次的影響嚴(yán)酷度等級評估結(jié)果,并計算任務(wù)目標(biāo)下部件的風(fēng)險優(yōu)先數(shù),計算公式為

NRPNi=∑NOPRi·NESRi。

(5)

式(5)中,NRPNi為部件i的風(fēng)險優(yōu)先數(shù);NOPRi為部件i故障模式發(fā)生的概率等級;NESRi為部件i對系統(tǒng)的影響嚴(yán)酷度。

從而,得到各部件的風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)矩陣為

NRPN=NRPN1,NRPN2,…,NRPNB。

(6)

式(6)中,i=1,2,…,B;B為總元件數(shù)。

2) 建立關(guān)于指標(biāo)重要性的二元對比矩陣。對風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)矩陣NRPN中的NRPNi與NRPNj作二元對比,j=1,2,…,B。當(dāng)NRPNi>NRPNj時,排序標(biāo)度eij=1、eji=0;當(dāng)NRPNi=NRPNj時,排序標(biāo)度eij=0、eji=0;當(dāng)NRPNi

根據(jù)排序標(biāo)度建立關(guān)于指標(biāo)重要性的二元對比矩陣E:

(7)

3) 計算某部件的風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)。根據(jù)二元對比矩陣結(jié)果,計算NRPNi的重要性排序指數(shù)fi,定義如下:

(8)

根據(jù)fi的大小,即可得到部件可靠度相對于系統(tǒng)的重要度排序結(jié)果。

為進(jìn)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(jìn)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(biāo)排序指數(shù)變換,得到描述指標(biāo)相對重要度的模糊間接標(biāo)度,并通過模糊判斷矩陣數(shù)值wij得到每行模糊隸屬度結(jié)果。即:

(11)

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

4) 計算部件i的風(fēng)險權(quán)重。將得到的風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)先進(jìn)行算術(shù)平均,再利用各個部件的權(quán)重值除以總權(quán)重的平均值,得到各個部件的風(fēng)險權(quán)重系數(shù)。風(fēng)險權(quán)重系數(shù)計算公式為

(12)

式(12)中,Wi為部件i的風(fēng)險權(quán)重系數(shù);A為系統(tǒng)下部件的總數(shù)量。

通過上述算法,就可以根據(jù)各個部件的基本可靠度和對應(yīng)權(quán)重得到部件任務(wù)可靠度的修正結(jié)果,從而確保最終可靠性預(yù)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)層次任務(wù)可靠性預(yù)計方法

綜合傳動裝置在完成任務(wù)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(tǒng)中都是相互獨立的,在邏輯上又是相互關(guān)聯(lián)的。因此,一旦確定了部件層次任務(wù)可靠度結(jié)果,就需要針對綜合傳動裝置整體系統(tǒng)的組成架構(gòu),構(gòu)建系統(tǒng)層次可靠性框圖,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)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(wù)可靠度計算公式:

(13)

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

4 實驗案例分析

4.1 實驗結(jié)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(jìn)行驗證,其中測試速度默認(rèn)值為20km/h,工作測試時間默認(rèn)值為1h。同時,為保證車輛完成任務(wù),規(guī)定平均故障間隔里程大于5000km。

可靠性預(yù)計過程采用自底向上的原則。首先,在對該裝置進(jìn)行可靠性框圖分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)部件層次基本可靠性框圖,結(jié)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(tǒng)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(tǒng)等部件基本可靠度較高,箱體部件、前傳動總成、行量變速機(jī)構(gòu)等部件基本可靠度較低。

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

為修正任務(wù)模式下的可靠性預(yù)計結(jié)果,根據(jù)式(5)～(12),利用Matlab軟件進(jìn)行計算,得到的任務(wù)模式下各部件風(fēng)險權(quán)重系數(shù)如表4所示。由表4可知,風(fēng)險權(quán)重系數(shù)是在考慮任務(wù)風(fēng)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(jìn)行加權(quán)得到部件任務(wù)可靠度。

表4 部件層次風(fēng)險權(quán)重系數(shù)Tab.4 Basic reliability of component level

根據(jù)目標(biāo)任務(wù)模式下部件權(quán)重系數(shù),結(jié)合部件基本可靠度和式(4),得到的部件層次任務(wù)可靠度如表5所示。

表5 綜合傳動裝置部件任務(wù)可靠度修正結(jié)果Tab.5 The improved results of task reliability of integrated transmission components

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

4.2 實驗結(jié)果分析

綜合傳動裝置的各部件基本可靠度和部件任務(wù)可靠度對比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在完成任務(wù)過程中,油泵組、變矩器支架和輔助傳動任務(wù)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(wù)完成能力。另外,從綜合傳動裝置各類任務(wù)執(zhí)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(jī)構(gòu)、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(jī)構(gòu)、前傳動總成和油泵組可認(rèn)為是綜合傳動裝置的重要部件。在實際設(shè)計中,為提升綜合傳動裝置的可靠性和穩(wěn)定性,建議該裝置的可靠性設(shè)計和改進(jìn)需重點關(guān)注液粘離合器總成、行星變速機(jī)構(gòu)、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(wù)可靠度結(jié)果對比Fig.4 Comparison of component basic reliability and component task reliability

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

5 結(jié)論

綜合傳動裝置作為履帶車輛中的關(guān)鍵子系統(tǒng),其可靠性預(yù)計結(jié)果直接影響整車的質(zhì)量,其部件-系統(tǒng)層次可靠性預(yù)計方法,是工業(yè)管理部門特別關(guān)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(fēng)險差異性,在給定任務(wù)模式下,其可靠性預(yù)計精度不高。基于上述目的,在傳統(tǒng)可靠性預(yù)計流程的基礎(chǔ)上,設(shè)計了目標(biāo)任務(wù)下部件風(fēng)險權(quán)重系數(shù)計算模型,并以此為基礎(chǔ)提出了一種基于風(fēng)險權(quán)重的綜合傳動裝置可靠性預(yù)計新方法。根據(jù)上述方法計算綜合傳動裝置整體的任務(wù)可靠度為0.9977932,平均故障里程為9053.06km,大于定量規(guī)定的平均故障間隔里程。實驗結(jié)果表明,提出的算法具備一定的合理性和有效性,可對工業(yè)設(shè)計部門提供一定的改進(jìn)建議。