（機械電子工程專業(yè)論文）推土機故障數(shù)據(jù)可靠性分析與管理系統(tǒng)研究.pdf

，jj“ d鏟、!。rtf瘴1f8_詠 ； j。 聲明尸明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在指導教師的指導下，獨 立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含 其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢 獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人 承擔。 作者簽名： 日期：2 翌絲：么12 j 關于學位論文使用權的說明 本人完全了解太原科技大學有關保管、使用學位論文的規(guī)定，其中包 括：學校有權保管、并向有關部門送交學位論文的原件、復印件與電子 版；學校可以采用影印、縮印或其它復制手段復制并保存學位論文； 學校可允許學位論文被查閱或借閱；學?？梢詫W術交流為目的，復制贈 送和交換學位論文：學校可以公布學位論文的全部或部分內(nèi)容( 保密學 位論文在解密后遵守此規(guī)定) 。 作者簽名： 導師簽名：席諺日期 1 一 中文摘要中又于兩要 l u l ii ii i ii ii i1 1 11 1 1 1 1 l y 17 8 9 2 6 7 為探明推土機產(chǎn)品的壽命規(guī)律，明確國產(chǎn)推土機與發(fā)達國家推土機產(chǎn)品可靠性水平 的差距，從中探求提高國產(chǎn)推土機可靠性水平的有效方法，本課題對有關推土機的可靠 性分析與管理進行了細致、深入的研究。 本論文完成了以下工作： 1 ) 在傳統(tǒng)質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計策略的基礎上，建立起一套完善的基于網(wǎng)絡的故障 數(shù)據(jù)收集機制和審核機制，使收集的質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)能最大程度地體現(xiàn)真實的故障場 景，包括故障部件的表象、工況、可能原因等與故障發(fā)生有關的所有信息； 2 ) 針對系統(tǒng)或總成零部件是否可修的性質(zhì)，分別采用不同的模型進行可靠性特征 分析，其中，以不修模型為主，符合一定條件的可修系統(tǒng)可近似使用不修模型進行估計， 得出相應的可靠性指標； 3 ) 提出了一套既合適于完全數(shù)據(jù)也適合于多種截尾數(shù)據(jù)的寬范圍的數(shù)據(jù)模型，較 好地解決了質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)這類具有多種截尾數(shù)據(jù)下復雜的參數(shù)估計問題； 4 ) 引入了自適應迭代g a u s s k r o n r o d 數(shù)值積分方法解決任意先驗分布下b a y e s 參數(shù) 估計的后驗分布計算問題，并將之應用于質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的小樣本情形； 5 ) 提出了一種能較好地描述機械電子系統(tǒng)整個生命周期內(nèi)故障特性，且其故障率 函數(shù)具有“浴盆”形狀的分布類型，并把此分布類型用于描述推土機的整個生命周期的 故障特性，取得較好的效果； 6 ) 使用a s p 語言結合s q ls e r v e r 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)了套可靠性信息管理 系統(tǒng)，實現(xiàn)了對質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的采集、審核、管理、查詢等功能，并能據(jù)此分析推土 機的各項可靠性指標，對于制定企業(yè)發(fā)展目標、調(diào)整配套件采購策略、改善管理、制定 技術改進方案、規(guī)劃售后服務及配套件供應策略等提供了有力的信息支持。 關鍵字：推土機；可靠性；極大似然估計；b a y e s 估計；新分布類璀 a bs t r a c t t h i sp a p e rl e dat h o r o u g h ，i n d e p t hr e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n d m a n a g e m e n to f t h eb u l l d o z e r ss oa st oa s c e r t a i nt h e i rl i f er u l e s ，a n df i n do u tt h e d if f e r e n c eb e t w e e nt h ed o m e s t i cb u l l d o z e r sa n dt h eo n e sw h i c hw a sm a d eb yt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，a n ds e e kt h ee f f e c t i v ew a yt oi m p r o v e t h er e lia b ili t yl e v e l f o rt h eh o m e m a d eb u l l d o z e r s t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gj o b ： l 、) o nt h eb a s i so fw a r r a n t yf a i l u r ed a t ai nt h et r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a ls t r a t e g y , e s t a b l i s h e dac o m p r e h e n s i v ec o l l e c t i o na n dr e v i e wm e c h a n i s mf o rt h ew a r r a n t y f a i l u r ed a t aw h i c hw a sc o l l e c t e dt h r o u g ht h ew e b t h i sm e t h o de n s u r et h a t c o l l e c t e dd a t ac a nr e f l e c tt h er e a lf a u l t s c e n a r i o s ，i n c l u d i n ga l l r e l e v a n t i n f o r m a t i o nr e l a t e dt ot h ef a u l to c c u r r e n c e ，s u c ha st h er e p r e s e n t a t i o n ，w o r k i n g c o n d i t i o n s ，p o s s i b l er e a s o n so f t h ef a i l u r ep a r t s ； 2 ) u s e dd i f f e r e n tm o d e lt oa n a l y s i st h er e l i a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e m so rc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt oi t sr e p a i r a b l en a t u r e t h ek e ya l g o r i t h m so f t h i st h e s i sa r ec o n s t r u c t e dm a i n l yf o rt h ed o e s n o t r e p a i rm o d e l ，a n dt h e r e p a i r a b l es y s t e m sw h i c hm e e t c e r t a i nc o n d i t i o n sc a nb ea p p r o x i m a t e du s i n gt h e d o e s - - n o t - - r e p a i rs y s t e mm o d e l t oe s t i m a t et h ec o r r e s p o n d i n gr e l i a b i l i t yi n d e x ； 3 、) r a i s e das e to fw i d ed a t ar a n g em o d e l w h i c hw a sn o to n l ys u i t a b l ef o r t h ec o m p l e t ed a t ab u ta l s os u i t a b l ef o rs e v e r a lk i n d so fc e n s o r e dd a t a i tc o u l d s o l v et h ed i f f i c u l t i e so fp a r a m e t e re s t i m a t i o nf o rt h ew a r r a n t yf a i l u r ed a t aw h i c h w o u l db eu n d e rav a r i e t yo fc e n s o r e dd a t a ； 4 、li n t r o d u c e dt h ea d a p t i v ei t e r a t i v eg a u s s k r o n r o dn u m e r i c a li n t e g r a t i o n t os o l v et h e p o s t e r i o rd i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o no fb a y e sp a r a m e t e re s t i m a t i o n w i t ha n yp r i o rd i s t r i b u t i o n ，a n da p p l i e dt ot h es m a l ls a m p l eo fw a r r a n t yf a i l u r e d a t a ； 5 ) p r o p o s e dan e wt y p eo fd i s t r i b u t i o n ，w i t ha “b a t h t u b ”s h a p ef a i l u r er a t e ， w h i c hc o u l dd e s c r i b et h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p l e xm e c h a n i c a l e l e c t r o n i cs y s t e mi nt h ew h o l el i f ec y c l e i ti sa ne f f e c t i v ed i s t r i b u t i o nw h e n a p p l i e dt od e s c r i b et h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb u ll d o z e r si nt h ew h o l el i f e c y c l e ； i l l 6 ) d e v e l o p e dar e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo nt h eb a s i so f a s pl a n g u a g ea n ds q ls e r v e rd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，r e a l i z e dt h e f u n c t i o n so fc o l l e c t i o n ，a u d i t i n g ，m a n a g e m e n t ，q u e r yf o rt h ew a r r a n t yf a i l u r e d a t a lh es y s t e mc a na n a l y z et h er e l i a b i l i t yi n d e xo f t h eb u l l d o z e r sa c c o r d i n gt o t h ec o l l e c t e df a i l u r e d a t a ，a n dp r o v i d ee f f e c t i v ei n f o r m a t i o n s u p p o r tf o r e s t a b l i s h i n gt h ee n t e r p r i s eg o a l ，a d j u s t i n gt h ea c c e s s o r i e sp r o c u r e m e n t s t r a t e g y ， 1 m p r o v i n gt h em a n a g e m e n t ，d e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n tp r o g r a m p l a n n i n ga f t e r - s a l e ss e r v i c ea n ds p a r ep a r t ss u p p l ys t r a t e g y k e y w o r d s ：b u l l d o z e r ；r e l i a b i l i t y ；c e n s o r e dd a t a ；b a y e sp a r a m e t e re s t i m a t i o n ； n e wt y p ed is t r i b u t i o n l v 目錄 中文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章緒論1 1 1 背景1 1 2 意義2 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢3 1 4 研究內(nèi)容5 第二章推土機可靠性數(shù)據(jù)類型和特征分析7 2 1 可靠性數(shù)據(jù)的采集方法7 2 2 故障數(shù)據(jù)類型和特征分析一9 2 2 1 數(shù)據(jù)分類定義1 0 2 2 2 本課題的數(shù)據(jù)模型1 0 2 3 機械系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)特征分析l l 2 3 1 可修系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型1 l 2 3 2 不可修系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型1 1 2 3 3 基本假設及可行性分析12 第三章多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下極大似然估計參數(shù)估計的數(shù)值解1 3 3 1 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下的指數(shù)分布的極大似然參數(shù)估計1 3 3 1 1 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下單參數(shù)指數(shù)分布的極大似然估計1 3 3 1 2 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下雙參數(shù)指數(shù)分布的極大似然估計1 4 3 1 3 算例15 3 2 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下w e i b u l l 分布的極大似然參數(shù)估計1 6 3 2 1 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下兩參數(shù)w e i b u l l 分布的極大似然估計一1 6 3 2 2 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下三參數(shù)w e i b u l l 分布的極大似然估計一1 8 3 2 3 算例2 1 3 3 本章小結2 2 第四章多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下b a y e s 參數(shù)估計一一2 5 4 1b a y e s 參數(shù)估計方法2 5 4 2 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)下指數(shù)分布的b a y e s 參數(shù)估計2 6 4 2 1 無先驗信息下的b a y e s 參數(shù)估計2 6 4 2 2 有先驗信息下的b a y e s 參數(shù)估計3 0 4 3 多種數(shù)據(jù)狀態(tài)fw e i b u l l 分布的b a y e s 參數(shù)f 占計3 5 4 3 1 無先驗信息下的b a y e s 參數(shù)估計3 5 4 3 2 有先驗信息卜的b a y e s 參數(shù)估討4 0 4 4 本章小結4 3 第五章機械電子系統(tǒng)整機可靠性新模型4 5 5 1 機械電子設備的故障特：i 生4 5 v 5 1 1 機電設備故障率“浴衙”曲線及其特性4 5 5 1 2 現(xiàn)代機電設備故障率特點4 6 5 2 傳統(tǒng)方法解決機電設備整機故障模型的缺陷4 8 5 3 故障率具有“浴衙”形狀的新分布類型及其特性4 9 5 3 。1 定義及其基本性質(zhì)4 9 5 3 2 參數(shù)的意義5 0 5 3 3 參數(shù)的影響5 1 5 3 4 隨機數(shù)的生成5 6 5 3 5 參數(shù)的擬合5 7 5 4 數(shù)值例5 8 5 4 1 滾珠軸承經(jīng)耐磨試驗壽命5 8 5 4 2 推土機整機故障數(shù)據(jù)實例6 0 5 5 本章小結6 2 第六章推土機可靠性數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的構架與實現(xiàn)6 5 6 1 推土機可靠性數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構架6 5 6 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結構6 8 6 3 質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的采集和審核模塊6 9 6 4 推土機可靠性指標分析計算模塊7 1 6 5 推土機可靠性信息統(tǒng)計報表管理模塊7 5 6 6 推土機故障預報系統(tǒng)7 6 6 7 本章小結7 7 第七章結論與展望7 9 7 1 結論7 9 7 2 建議與展望8 0 參考文獻一8 1 致謝8 7 附錄推土機整機故障數(shù)據(jù)8 9 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄一9 3 v l 第一章緒論 1 1 背景 第一章緒論 整機使用壽命短、作業(yè)可靠性差是多年來制約我國推土機機行業(yè)發(fā)展的重要兇素。 國內(nèi)總成或零部件企業(yè)數(shù)目太多，但規(guī)模小、生產(chǎn)集中度低，使產(chǎn)品丌發(fā)、技術改造幾 乎無資金投入，是當| j i 產(chǎn)品可靠性水平提高緩慢的根本原兇之一【l 】。另外，國內(nèi)推土機 生產(chǎn)廠商把大部分精力放在如何擴大生產(chǎn)規(guī)模，降低產(chǎn)品成本等方面來，沒有高度重視 產(chǎn)品客觀可靠性的評估和產(chǎn)品后期維護管理上來，因此，產(chǎn)品技術的更新和改進速度就 跟不上時代的發(fā)展以及市場的需求，更跟不上國外同行業(yè)先進水平。這樣的惡性循環(huán)導 致我們國家大多數(shù)企業(yè)在技術革新的方面都需要采用從國外引進相對國外落后相對我 國較先進的技術。然而，這些關鍵技術的i 吸收速度遠遠跟不上國外技術的發(fā)展，而且， 這些關鍵技術的吸收不僅僅依賴于逆向工程的建模技術，還包括了如何制造高精度的零 部件技術。因此，我國每年需要向國外支付大量的技術資金。從長遠的發(fā)展角度來看， 我國工程機械的發(fā)展需要注入新鮮的血液，需要從重視技術革新為首，提倡創(chuàng)新精神。 在解決企業(yè)產(chǎn)品可靠性評價方面，幽內(nèi)也有人做了不少： 作，但由于與企業(yè)實際使 用情況結合不夠緊密，軟件的針對性小夠強，特別足處理不同類型的可靠性數(shù)據(jù)時結果 上差別較大。現(xiàn)有的分析系統(tǒng)還不具備兼容處理不同類型數(shù)據(jù)的功能，可以基本滿足企 業(yè)的要求，但是分析的結果離實際情況還有一定偏差，仍然不理想。 對于大型工程機械來說，由于系統(tǒng)級的試驗非常少，有時甚至沒有，對系統(tǒng)整體的 可靠性評價就必須通過各個分系統(tǒng)及其各零部件的可靠性試驗來進行，這種評價方法稱 之為金字塔式可靠性評價方法。然而，這樣的試驗所需成本非常高，試驗數(shù)目在經(jīng)濟成 本的影響下也非常之少。因此，針對我國幽情，目前最經(jīng)濟有效的可靠性評估方法就是 充分利用質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)進行真實工況下的產(chǎn)品可靠性評估。 綜上所述，現(xiàn)階段國內(nèi)推土機可靠性評價體系存在以下問題： 1 ) 大型復雜機械系統(tǒng)的試驗成本居高不下，系統(tǒng)可靠性評價程序復雜難于工程實 踐。同時，質(zhì)保期是企業(yè)售后服務_ l 作必不可少的一個環(huán)：常，食業(yè)目前不一定都擁有一 套完整的整機試驗甲臺、試驗資金投資、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，但足，企業(yè)對質(zhì)保期數(shù)據(jù)的收 集和統(tǒng)計都具有一定的經(jīng)驗。 2 ) 目自仃國內(nèi)各個工程機械生產(chǎn)廠商都沒有一套完整的，合理的，方便的，高效的 質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計方案，導致收集到的質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象嚴重，分析結 果偏差也較人。也沒有一套完善的，切實可行的設備維護管理制度，導致由于維護不周 1 攤十機故障數(shù)據(jù)j 靠性分析與管理系統(tǒng)研究 產(chǎn)生的故障概率增加，人為引起的故障概率增加。 3 ) 質(zhì)保期數(shù)據(jù)的真實性必然引起故障數(shù)據(jù)類型的復雜多變，特別是數(shù)據(jù)的完整性 和隨機性，工況的特殊性，操作人員技術素質(zhì)的差異性，都會導致數(shù)據(jù)的多樣性。這些 數(shù)據(jù)比直接在試驗場中的數(shù)據(jù)復雜得多，因此質(zhì)保期數(shù)據(jù)的客觀性對后期計算具有較大 影u 向。 4 ) 質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的收集工作通常是由企業(yè)的售后服務員工或者代理商在用戶使 用過程中完成的，所以，數(shù)據(jù)的收集工作非常零散，地區(qū)非常之多，距離企業(yè)所在地也 非常之遙遠，這給數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和整理造成較大困難。 1 2 意義 為定量分析國產(chǎn)推土機產(chǎn)品與進口產(chǎn)品之間可靠性水平差距，以及本企業(yè)產(chǎn)品在國 內(nèi)同行業(yè)中可靠性水平所處的地位，深入分析影響國產(chǎn)推土機產(chǎn)品可靠性的各項因素， 為企業(yè)技術革新提供信息支持，需要有一套健全的試驗設備，或者完善的故障數(shù)據(jù)收集 機制，以及成熟的高效的故障數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)。本課題致力于充分利用企業(yè)質(zhì)保期故 障數(shù)據(jù)分析真實工況下的產(chǎn)品可靠性以及對所涉及的方方面面的技術進行革新和規(guī)范。 希望能在處理工廠實際問題的過程中，切實做到為企業(yè)服務，真正成為企業(yè)提高產(chǎn)品可 靠性的必備工具，并且希望本系統(tǒng)在應用中得到不斷完善。 本課題的研究意義歸納為以下幾點： 1 ) 利用質(zhì)保期數(shù)據(jù)對產(chǎn)品可靠性進行評估，充分利用的售后服務中收集到的數(shù)據(jù)， 分析總結故障發(fā)生的規(guī)律，充分暴露產(chǎn)品的設計缺陷，反映產(chǎn)品在真實工況中的切實表 現(xiàn)，對改進產(chǎn)品設計、提高后期產(chǎn)品質(zhì)量、制定售后服務策略、優(yōu)化配件儲備方案具有 非常重要的意義。同時，這種方式可以在很大程度上節(jié)約企業(yè)的試驗成本，豐富并規(guī)范 了企業(yè)的售后服務業(yè)務流程。 2 ) 建立完善的售后服務人員培訓機制能最大限度的提高員工的工作素質(zhì)，建立合 理的用戶崗前培訓機制，讓用戶了解和熟悉產(chǎn)品的使用流程和基本維護方法可以大大減 少人為故障的發(fā)生，提島人的可靠性，把故障最大限度的限制到機器本身的設計和制造 缺陷上來。 3 ) 針對樣本量較大的完全數(shù)據(jù)，采用簡介直觀高效的極大似然法能在很大程度上 計算得到多種數(shù)據(jù)狀態(tài)+ f 的參數(shù)估計；對于小樣本情形下，采用i 叮以吸收先驗信息的 b a y e s 方法進行數(shù)據(jù)分析，同樣可以得到較為合理的參數(shù)估計。提高故障數(shù)據(jù)分析的精 度足有效利用數(shù)據(jù)的前提。 第一章緒論 4 ) 基于i n t e m e t 網(wǎng)絡提交遠程質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)，讓數(shù)據(jù)的回收更及時， 更準確，而且可以遠程監(jiān)控各個產(chǎn)品的健康狀況。這對企業(yè)深入了解自己的產(chǎn)品工作性 能，充分了解工況，努力提高產(chǎn)品在各種環(huán)境下的應對能力或者丌發(fā)出符合某一種類型 工況的特色產(chǎn)品都具有很直接的指導意義。 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 國際推土機行業(yè)以美國的卡特彼勒公司、日本的小松公司和歐洲利勃海爾公司的制 造技術為代表，三家國際知名公司經(jīng)過近百年的發(fā)展，己成為國際推土機行業(yè)發(fā)展的絕 對領軍者【2 】。我國推土機行業(yè)經(jīng)歷了一個富有中國特色的發(fā)展歷程。建國到改革開放初 期的3 0 年中，從生產(chǎn)配件開始，逐步發(fā)展到仿照蘇聯(lián)、日本等國的產(chǎn)品為樣機丌發(fā)出 了1 2 0 馬力、1 4 0 馬力、1 5 0 馬力等不同功率的推土機。同時國家建設了1 2 個推土機生 產(chǎn)廠，其中包括鞍山紅旗拖拉機廠，山東推土機總廠、宣化工程機械廠、上海彭浦機器 廠、黃河工程機械j 。和青海工程機械廠7 個骨干企業(yè)。逐步丌發(fā)了低比壓推土機、推扒 機、通井機和吊管機等專業(yè)改犁產(chǎn)品。 縱觀國內(nèi)外推土機的發(fā)展歷程，現(xiàn)在和將來一段時間推土機的發(fā)展將集中在以下幾 個方面：力求環(huán)保；提高可靠性；應用電子監(jiān)控；提高司機室舒適性以提高工 作效率；現(xiàn)代傳感技術、工作裝置自動找平技術的應用【3 圳。 其中高可靠性是必然的，這也是本課題研究的重點。要提高推土機產(chǎn)品的可靠性， 企業(yè)首先必須真實的、實時的評估自己產(chǎn)品各方面的可靠性特性。由于推土機屬于大型 復雜機械設備系統(tǒng)，對其進行可靠性評估目前主要存在以下幾個難題壚瑙j 。 1 ) 電子設備與機械設備之間的差異，以及電子設備與機械電子系統(tǒng)的差異。由于 可靠性首先是在電子設備應用發(fā)展起來的，現(xiàn)有理論處理電子系統(tǒng)較為成熟，而應用于 機械系統(tǒng)，之間還有很大差異，這些差異導致大型機械設備可靠性評價的困難。 2 ) 大系統(tǒng)與小樣本困難。目前針對一些大系統(tǒng)，整機的可靠性壽命試驗非常少， 有的甚至沒有，這種條件下要對其進行可靠性評價，傳統(tǒng)的基于概率統(tǒng)計分析的方法就 顯得力不從心。 3 ) 隨機性與模糊性。傳統(tǒng)的二念假設( 完好、故障) 在機械系統(tǒng)中很多情況下沒 有一個明顯的界限，而存在一個模糊的帶。這給分析方法帶來了困難。 針對可靠性的摹硎 理論建設應用，已有前人寫就了一批優(yōu)秀的經(jīng)典著作。如1 9 8 0 年美國的n r 曼和r e 沙費爾【9 】的l ?？啃耘c壽命數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法；1 9 8 9 年出 版的町靠性義集 i o l ；曹晉華l 等的可靠性數(shù)學引論；牟致忠f 1 2 j ，劉惟信f 1 3 1 ，金 推十機故障數(shù)據(jù)可靠性分析與管理系統(tǒng)研究 偉婭f 1 4 1 等分別著作了關于可靠性工程的書籍；還有日本的野中保雄1 5 1 著有可靠 性數(shù)據(jù)的收集與分析方法，這些文獻都給町靠性理淪分析奠定了非常堅實的基礎。 針對可靠性的發(fā)展以及工程機械可靠性的發(fā)展，已有不少人研究。如北京航空航天 大學牛勇捧】l 。3 等對可靠性發(fā)展亟待解決的問題進行的統(tǒng)攬性的歸納；河北宣工周之勝 【2 】1 。以及錢庫。2 對推土機的發(fā)展作了概述，提出可靠性在未來工程機械發(fā)展中的重要 作用。 由于計算機技術飛速發(fā)展，計算機的計算能力和速度大幅度增加，相應的軟件性能 也有顯著的提高。尤其是數(shù)值分析方法、各種優(yōu)化算法與m a t l a b 軟件結合起來，其 分析能力提高尤其顯著，而且效率非常高。值得一提的是m a t l a b 自帶的優(yōu)化工具箱， 給可靠性工作者帶來了福音，利用此工具箱，用戶可以很方便的實現(xiàn)各種優(yōu)化模型，既 高效又準確【1 6 。2 2 1 。 針對可靠性發(fā)展中的各個難點，已有很多人在很多方面加以研究，并取得了顯著的 成就。如對于數(shù)據(jù)發(fā)生截尾的情形，國內(nèi)的彭玉靈2 3 1 、田型2 4 之5 1 、宋毅君【2 6 】、范英【2 7 】、 何書元【2 8 j 、焦青霞【2 9 1 、姜寧寧【3 0 1 、周源泉f 3 1 啦! 、吳耀國【3 3 】、張英芝【3 4 】、g e n g s h e n gq i n t 3 5 】 等，國外的a n i k a b a d z e 【3 6 1 、t o m m a s og a s t a l d i t 3 7 1 等人做了系統(tǒng)的研究，其中涉及到了 截尾數(shù)據(jù)分布類型的識別、時間序列數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)填充算法、比列優(yōu)化模型中參數(shù)的 估計、極大似然估計、指數(shù)分布時的參數(shù)估計、e m ( e x p e c t a t i o n & m a x i m u m ) 估計法 等。由于w e i b u l l 分布能較好的描述機械系統(tǒng)的壽命特性，因此對w e i b u l l 分布進行參 數(shù)估計也是研究的熱點。在這方面國內(nèi)的楊謀存【3 8 1 、于曉紅【3 9 1 、方志強【4 們、敖長林【4 1 1 、 羅航4 2 1 、李進【4 3 】、史景釗1 等，國外的n b a l 砌s 1 1 1 1 a i l a 【4 5 1 、a j a m a l 4 6 1 等人對w e i b u l l 分布在完全數(shù)據(jù)和截尾數(shù)據(jù)下進行二參數(shù)和三參數(shù)的估計，其中涉及的方法有圖估計 法、極大似然法、粒子群優(yōu)化數(shù)值解法、e m 估計等。這些方法對w e i b u l l 分布以及w e i b u l l 過程時間序列都有較深入的研究，為服從此分布的產(chǎn)品可靠性分析提供了方法參考。對 于樣本量非常少甚至沒有的小樣本情形，國內(nèi)的張金槐4 7 1 、金標【4 8 1 、陳舉華h 9 1 、張志 華【5 0 】、湯銀才5 、劉晗f 5 2 】、李洪雙【5 3 】等m 7 2 1 ，國外的g c e l e u x 7 3 1 、a h m e da s o l i m a n 7 4 1 、 a n d u i ne t o u w 7 5 1 等【7 6 8 3 1 人引入各種方法來對小子樣下的可靠性進行評估。采用的方法 涉及b a y e s 方法、b o o t s t r a p 自助法、支持向量機預測方法、灰色預測模型、人工神經(jīng)網(wǎng) 絡預測模型等。其中在解決b a y e s 參數(shù)估計的后驗分布計算困難時，有采用g i b b s 抽樣 的、m c m c ( m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o ) 、m e t r o p o l i s h a s t i n g s 方法。另外還有針對無 失效數(shù)據(jù)的極端情況進行討論研究的。由于b a y e s 方法的后驗計算比較困難，目前針對 各種分布類型的參數(shù)估計都有人做了一些工作，但是對于w e i b u l l 分布的b a y e s 參數(shù)估 4 第一章緒論 計，由于共軛先驗的難覓蹤影造成了先驗分布的多樣性，取不同先驗分布的b a y e s 估計 的計算凼難仍然值得進一步研究和應用。 1 4 研究內(nèi)容 本課題重點要解決的幾個問題： 1 ) 收集和整理質(zhì)保期數(shù)據(jù)，客觀評價產(chǎn)品可靠性 擬通過基于i n t e m e t 網(wǎng)絡收集遠程質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品進行真實工況下的可靠 性評估。 2 ) 建立完善的三包數(shù)據(jù)收集機制和設備維護管理機制 為了更好的服務于基于質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的可靠性評價系統(tǒng)，必須建立起一套完善的 質(zhì)保期數(shù)據(jù)收集機制和針對用戶的設備維護管理機制。這雖是一個技術層面上的問題， 更是一個管理層面上的問題。 3 ) 多種截尾數(shù)據(jù)狀態(tài)下的參數(shù)估計問題 由于質(zhì)保期的真實工況故障數(shù)據(jù)本身的隨機性，復雜性，對其進行分析并不容易， 所以需要構建一套合理的針對多種截尾數(shù)據(jù)狀態(tài)的分析方法。本課題對大樣本數(shù)據(jù)應用 簡潔精確的極大似然法進行參數(shù)估計和并在后期采用高性能的n e w t o n 迭代法和b r e n t 搜索法對參數(shù)進行迭代數(shù)值解。 4 ) 小樣本數(shù)據(jù)情況下的參數(shù)估計問題 對于樣本量較小的情況，必須收集好相似系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)，通過先驗信息的形式 融合入b a y e s 分析方法中去，然后采用數(shù)值積分和g i b b s 抽樣的方法解決最后的計算問 題。 5 ) 探索一種新的方法，使之能夠更好的描述機械系統(tǒng)整個生命周期的故障特性 在眾多分析方法的基礎，k ，探索新的方法，以期望能更好的描述機械電子系統(tǒng)整個 生命周期的故障特性。 推士機故障數(shù)據(jù)町靠性分析勺管理系統(tǒng)研究 6 第二章推十機町靠性數(shù)據(jù)類型和特征分析 第二章推土機可靠性數(shù)據(jù)類型和特征分析 2 1 可靠性數(shù)據(jù)的采集方法 早在1 9 6 3 年美國的r o b e r ta b a k e r 就提出在工程實踐中可以獲取的數(shù)據(jù)源歸納起 來有如下九種【l o 】2 5 3 2 6 2 ：以前的經(jīng)驗：工程研制數(shù)據(jù)；制造及質(zhì)量管理數(shù)據(jù)；工 廠驗收試驗；環(huán)境鑒定及外場驗證試驗；外場安裝試驗；用戶故障數(shù)據(jù)報告； 質(zhì)保期要求和記錄；修理部門報告。同樣，在工程機械行業(yè)仍然可以移植部分數(shù)據(jù)收 集方法。在目自訂的工程機械生產(chǎn)廠商中，對產(chǎn)品進行可靠性試驗，收集可靠性數(shù)據(jù)，采 用的方法有如下幾種： 1 ) 總成及其零部件的試驗數(shù)據(jù)； 2 ) 整機的試驗數(shù)據(jù)； 3 ) 整機的加速壽命試驗數(shù)據(jù)； 4 ) 類似產(chǎn)品的可靠性分析數(shù)據(jù)； 5 ) 質(zhì)保期真實故障數(shù)據(jù)。 在以研發(fā)為主的企業(yè)中，總成及其零部件的壽命試驗是產(chǎn)品設計流程中不可缺少的 環(huán)節(jié)。通過對總成及其零部件的壽命試驗，可以在樣件分析階段找出設計與制造缺陷， 從而可以反饋試驗信息至設計階段，指導改進設計方案、優(yōu)化用料選擇、完善加工工藝 流程。然而，這種試驗方法具有不可忽視的局限性，原因有以下幾個方面：一個較大 的機械系統(tǒng)由數(shù)目巨大的零部件組成，逐一對每個零件及其總成進行壽命試驗的資金代 價及時間代價是相當大的；壽命試驗較多情況下都屬于破壞性試驗，對于昂貴的零部 件或者總成，做試驗的數(shù)量更是非常少。某些長壽命零部件或總成，其試驗周期異常 的長。為節(jié)約成本，在沒有發(fā)生故障前就結束了試驗，故障信息非常少，有的甚至為零。 對于一些外協(xié)件，其可靠性特征不夠明確，試驗成本較高。對一般企業(yè)來說，尋求高 可靠度的壽命試驗已經(jīng)在高額成本之前退縮了。 對于推土機等大型工程機械，整機的試驗幾乎都是以抽樣為主，樣本量極少。對整 機的試驗主要體現(xiàn)在開始的磨合階段。一般待產(chǎn)品出廠銷售之前，工廠需要對整機進行 故障預排除，消除由于設計，制造，裝配時造成的重大失誤導致的早期故障。這些試驗 數(shù)據(jù)射分析早期故障特性具有非常好的指導意義。有很多工廠針對早期失效率較高的情 況采取了先在j 內(nèi)試車一定時問后方出廠銷售，減少銷售之后早期故障帶來經(jīng)濟損失極 其品牌名譽損失。 為了能在短期內(nèi)獲得產(chǎn)品在某種應力環(huán)境下的表現(xiàn)狀況，通常采用加速壽命試驗的 7 推十機故障數(shù)據(jù)叮靠性分析與管理系統(tǒng)研究 方法對產(chǎn)品進行可靠性評估。加速壽命試驗是通過增加試驗應力達到的。在對數(shù)據(jù)進行 可靠性分析時根據(jù)試驗應力的加速系數(shù)和在此應力下的表現(xiàn)經(jīng)變換后得到。 每個企業(yè)的白行設計生產(chǎn)的產(chǎn)品之間都具有千絲萬縷的聯(lián)系。由于采購策略大體相 同，設計方案也大都繼承了老產(chǎn)品的優(yōu)良特性，因此，在對新產(chǎn)品進行可靠性評估時， 老產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)可以起到數(shù)據(jù)補充和參考的作用。特別是在利用b a y e s 方法的時 候，它可以吸納產(chǎn)品的先驗信息，包括專家對產(chǎn)品的壽命粗略估計、老產(chǎn)品的壽命特性、 某種應力環(huán)境的試驗數(shù)據(jù)等等。然后結合新產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)對新產(chǎn)品進行可靠性評估。 這種方法的主要優(yōu)勢在于當試驗樣本量非常小甚至沒有故障數(shù)據(jù)的試驗中對產(chǎn)品壽命 進行評價。因此，一個企業(yè)的產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)對未來相關產(chǎn)品的評估具有幫助和補充作用。 為詎確維護消費者權益，維護市場經(jīng)濟秩序，國家工商行政管理局對某些行業(yè)制定 了基本的質(zhì)量保證規(guī)定。例如中國挖掘機行業(yè)挖掘機產(chǎn)品質(zhì)量保證規(guī)定對注冊生產(chǎn) 挖掘機整機的廠商制定了一系列的質(zhì)保規(guī)定：廠商需建立質(zhì)保期內(nèi)實施免費的定期檢查 和指導保養(yǎng)制度，并規(guī)定了檢查和保養(yǎng)細節(jié)；產(chǎn)品質(zhì)保期需要達到一定的標準；產(chǎn)品質(zhì) 保責任需要明確；明確哪些零部件是否屬于保證范圍；明確哪些使用情況、環(huán)境下是否 屬于質(zhì)保范圍；明確賠償依據(jù)等等。所以，每個企業(yè)都會對自己的產(chǎn)品定義一個質(zhì)保期， 客戶購買產(chǎn)品時同樣也比較關心質(zhì)保期的長短。這種行業(yè)規(guī)定讓一些不具備較好生產(chǎn)能 力的小企業(yè)和不注重質(zhì)量保證的企業(yè)在市場的競爭下淘汰。同時，企業(yè)為了能更好的在 行業(yè)中樹立一個良好的，有競爭力的形象，得到客戶的好評，也必須提高產(chǎn)品的質(zhì)量， 延長質(zhì)保期，或者在質(zhì)保期內(nèi)提供跟好的服務。 正因為有了這些基礎，每個企業(yè)對質(zhì)保期產(chǎn)品發(fā)生的絕大多數(shù)正常故障都有責任維 修。在這個過程中統(tǒng)計下來的故障數(shù)據(jù)是相當重要的，我們這里就稱之為質(zhì)保期真實故 障數(shù)據(jù)。通過對這些真實工況下的故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析就可以充分暴露產(chǎn)品在設計 上、加工工藝上、選材上、裝配上的缺陷，從而直接指導新產(chǎn)品的設計和改進。采用這 些數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的可靠性進行評估有諸多好處： 1 ) 對于當前國情下的諸多工程機械企業(yè)來況，質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)都是現(xiàn)成的，不用 再花太多的時間、精力和經(jīng)費去收集產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)； 2 ) 質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)收集的初級機制已經(jīng)在每個企業(yè)建立起來，售后服務部門就已 經(jīng)具有采集和統(tǒng)計故障數(shù)據(jù)的經(jīng)驗和技術，只是目前還沒有形成一套完整的完善的艦范 的收集制度和數(shù)據(jù)分析機制； 3 ) 質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)時產(chǎn)品在真實服役情況下產(chǎn)生的故障，它真薩反映了產(chǎn)品在真 實使用過程中所要面對工況的表現(xiàn)。這種情況下得到的數(shù)據(jù)可以非常直接的指導產(chǎn)品的 8 第一二章推t 機町靠性數(shù)據(jù)類型和特征分析 設計、加工、選材和裝配。 4 ) 質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計收集對后期產(chǎn)品的可靠性評估具有幫助作用。在利用 b a y e s 方法對產(chǎn)品故障信息進行可靠性評估時，相似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)對后期產(chǎn)品的評估 具有數(shù)據(jù)補充作用。因為新產(chǎn)品如果是在舊產(chǎn)品的基礎上改進而來，那么，可以認為相 同部件相同系統(tǒng)在相同應力環(huán)境下的可靠性是不變的，根據(jù)評價新加機構、系統(tǒng)、創(chuàng)新 元素的穩(wěn)定性安全性就可以得到新產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。因此質(zhì)保期數(shù)據(jù)具有延續(xù)可用 性，長期指導性。 本課題就是基于此思想建立起利用質(zhì)保期真實故障數(shù)據(jù)對產(chǎn)品可靠性進行評估。在 盡可能準確的利用相似產(chǎn)品的數(shù)據(jù)基礎上，真實反映產(chǎn)品的可靠性特性。在這個流程中， 關鍵是要建立起整個產(chǎn)品范圍內(nèi)規(guī)范的質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)的收集機制。這不僅是一個技術 上的問題，更是一個管理上的問題。所以建立一套完整的管理方案并且加以實施對企業(yè) 的設計、生產(chǎn)流程才有指導和推進作用。另外，f 是由于質(zhì)保期數(shù)據(jù)是真實工況下的故 障數(shù)據(jù)，工況的復雜性、人的行為的復雜性就決定了故障數(shù)據(jù)的復雜性，因此采取何種 分析方法來對此類數(shù)據(jù)進行分析計算是本課題將要解決的一個重要的核心的問題。 故障收集機制中數(shù)據(jù)收集范圍包括設計、加工、采購、裝配、調(diào)試、銷售、服役環(huán) 境、服役表現(xiàn)、后期分析查詢等產(chǎn)品整個生命周期的數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)均存儲在大容量硬 盤中，通過可靠性分析系統(tǒng)，可以實時的查詢分析某一階段的可靠性水平，達到實時為 產(chǎn)品的設計生產(chǎn)提供有力的數(shù)據(jù)支持的目的。 2 2 故障數(shù)據(jù)類型和特征分析 本課題是基于質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)來分析產(chǎn)品的可靠性特性，所以本文涉及的算法主要 足只針對此類數(shù)據(jù)的某些分析困難而設計的。質(zhì)保期故障數(shù)據(jù)是一個考慮整機在服役過 程中發(fā)生故障的統(tǒng)計信息。信息包括：產(chǎn)品編號、故障日期、故障時產(chǎn)品已工作時問、 故障部件及其所屬子系統(tǒng)( 最小不可修部件) 、故障模式( 對應于子系統(tǒng)的故障模式之 一) 、故障分類( 故障造成后果的嚴重程度) 、工況、故障部件位置描述、故障原因、故 障現(xiàn)象( 故障時工作狀態(tài)描述) 、診斷結果、維修方法、維修費用、換件費用( 如果有 替換，換件費用) 、停工待修時問( 需要服役而不能服役的時間) 、維修商等等有關故障 發(fā)生時的環(huán)境狀況和相應的故障部件信息的詳細描述。由于服役工況的差異性、用戶職 業(yè)素質(zhì)的差異性、地區(qū)差異性等這些影響著產(chǎn)品故障的因素具有很大的分散性、隨機性， 所以，故障數(shù)據(jù)就具有比較復雜的類型。 9 推十機故障數(shù)據(jù)可靠性分析j 管理系統(tǒng)研究 2 2 1 數(shù)據(jù)分類定義 全部試驗樣品都發(fā)生故障的數(shù)據(jù)，稱為完全數(shù)據(jù)。含有一部分觀測中斷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)， 稱為不完全數(shù)據(jù)。在實驗室中，利用定時截尾和定數(shù)截尾得到不完全數(shù)據(jù)，足有計劃地 進行的，因為試驗的方式是中途停試，故觀測中斷數(shù)據(jù)的數(shù)值，均不小于任何一個故障 數(shù)據(jù)的數(shù)值。在處理上，可以采用與作為完全數(shù)據(jù)的一部分完全相同的處理1 1 5 1 。 但是，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)中，觀測中斷數(shù)據(jù)的值，不一定都等于或大于故障數(shù)據(jù)，如果將 數(shù)據(jù)按由4 , n 大的順序排列，則構成觀測中斷數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)隨機混合的形態(tài)。這樣的 數(shù)據(jù)就稱為隨機截尾數(shù)據(jù)。由于這種結構的數(shù)據(jù)是截尾( 樣本的抽取) 多次反復進行的 結果，所以也稱為多重截尾數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因有如下幾種。 1 ) 各個產(chǎn)品的經(jīng)歷時間和實際使用時問的比例不相同的情況 某些產(chǎn)品使用頻繁，而其它產(chǎn)品則幾乎不使用。在某時刻測量并收集數(shù)據(jù)時，由于 觀測中斷數(shù)據(jù)產(chǎn)生在各不相同的時刻，并且包含比較故障數(shù)據(jù)短的時間，因而形成隨機 截尾數(shù)據(jù)。 2 ) 其它部件的故障不作為觀測對象的情況 我們考慮一個不可修系統(tǒng)并且只對其某個部件，進行在該系統(tǒng)使用情況下的故障 分析。這時對系統(tǒng)而言，只考慮由對象部件引起的故障，而由其它部件引起的故障一律 不考慮