（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(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)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(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人 承擔(dān)。 作者簽名： 日期：2 翌絲：么12 j 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明 本人完全了解太原科技大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包 括：學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件、復(fù)印件與電子 版；學(xué)校可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文； 學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈 送和交換學(xué)位論文：學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容( 保密學(xué) 位論文在解密后遵守此規(guī)定) 。 作者簽名： 導(dǎo)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(guān)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(chǔ)上，建立起一套完善的基于網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(yīng)的可靠性指標(biāo)； 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(fù)雜的參數(shù)估計問題； 4 ) 引入了自適應(yīng)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(yīng)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(jié)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(biāo)，對于制定企業(yè)發(fā)展目標(biāo)、調(diào)整配套件采購策略、改善管理、制定 技術(shù)改進方案、規(guī)劃售后服務(wù)及配套件供應(yīng)策略等提供了有力的信息支持。 關(guān)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(shè)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(jié)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(jié)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(shè)備的故障特：i 生4 5 v 5 1 1 機電設(shè)備故障率“浴衙”曲線及其特性4 5 5 1 2 現(xiàn)代機電設(shè)備故障率特點4 6 5 2 傳統(tǒng)方法解決機電設(shè)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(jié)6 2 第六章推土機可靠性數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的構(gòu)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(gòu)架6 5 6 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)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(biāo)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(yù)報系統(tǒng)7 6 6 7 本章小結(jié)7 7 第七章結(jié)論與展望7 9 7 1 結(jié)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(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)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(shù)改造幾 乎無資金投入，是當(dāng)| 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(shù)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(dǎo) 致我們國家大多數(shù)企業(yè)在技術(shù)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(shù)。然而，這些關(guān)鍵技術(shù)的i 吸收速度遠遠跟不上國外技術(shù)的發(fā)展，而且， 這些關(guān)鍵技術(shù)的吸收不僅僅依賴于逆向工程的建模技術(shù)，還包括了如何制造高精度的零 部件技術(shù)。因此，我國每年需要向國外支付大量的技術(shù)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(shù)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(jié)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(jié)果 上差別較大?，F(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(jié)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(fù)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(fù)雜難于工程實 踐。同時，質(zhì)保期是企業(yè)售后服務(wù)_ 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(dǎo)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(jié) 果偏差也較人。也沒有一套完善的，切實可行的設(shè)備維護管理制度，導(dǎo)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(fù)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(shù)素質(zhì)的差異性，都會導(dǎo)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(fù)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(wù)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(shù)革新提供信息支持，需要有一套健全的試驗設(shè)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(shù)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(wù)，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(yīng)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(wù)中收集到的數(shù)據(jù)， 分析總結(jié)故障發(fā)生的規(guī)律，充分暴露產(chǎn)品的設(shè)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(shè)計、提高后期產(chǎn)品質(zhì)量、制定售后服務(wù)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(wù)業(yè)務(wù)流程。 2 ) 建立完善的售后服務(wù)人員培訓(xùn)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(xùn)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(shè)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(luò)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(zhǔn)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(yīng)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(dǎo)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(shù)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(lǐng)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(shè)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(yīng)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(shù)、工作裝置自動找平技術(shù)的應(yīng)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(fù)雜機械設(shè)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(shè)備與機械設(shè)備之間的差異，以及電子設(shè)備與機械電子系統(tǒng)的差異。由于 可靠性首先是在電子設(shè)備應(yīng)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(yīng)用于 機械系統(tǒng)，之間還有很大差異，這些差異導(dǎo)致大型機械設(shè)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(shè)( 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(shè)應(yīng)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(xué)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(guān)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(chǔ)。 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(xué)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(shù)飛速發(fā)展，計算機的計算能力和速度大幅度增加，相應(yīng)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(jié)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(zhǔn)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(biāo)【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(yù)測方法、灰色預(yù)測模型、人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)預(yù)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(yīng)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(luò)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(shè)備維護管理機制 為了更好的服務(wù)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(shè)備維護管理機制。這雖是一個技術(shù)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(fù)雜性，對其進行分析并不容易， 所以需要構(gòu)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(yīng)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(chǔ)，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(shè)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(shè)計與制造缺陷， 從而可以反饋試驗信息至設(shè)計階段，指導(dǎo)改進設(shè)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(dāng)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(jié)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(yù)排除，消除由于設(shè)計，制造，裝配時造成的重大失誤導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)力達到的。在對數(shù)據(jù)進行 可靠性分析時根據(jù)試驗應(yīng)力的加速系數(shù)和在此應(yīng)力下的表現(xiàn)經(jīng)變換后得到。 每個企業(yè)的白行設(shè)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(shè)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(yīng)力環(huán)境的試驗數(shù)據(jù)等等。然后結(jié)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(dāng)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(guān)產(chǎn)品的評估具有幫助和補充作用。 為詎確維護消費者權(quán)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品質(zhì) 保責(zé)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(guān)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(wù)。 正因為有了這些基礎(chǔ)，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(zé)任維 修。在這個過程中統(tǒng)計下來的故障數(shù)據(jù)是相當(dāng)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(shè)計 上、加工工藝上、選材上、裝配上的缺陷，從而直接指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)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(dāng)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(wù)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(shù)，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(dǎo)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(shè)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(chǔ)上改進而來，那么，可以認為相 同部件相同系統(tǒng)在相同應(yīng)力環(huán)境下的可靠性是不變的，根據(jù)評價新加機構(gòu)、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(dǎo)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(zhǔn)確的利用相似產(chǎn)品的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，真實反映產(chǎn)品的可靠性特性。在這個流程中， 關(guān)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(shù) 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(shè)計、生產(chǎn)流程才有指導(dǎo)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(fù)雜性、人的行為的復(fù)雜性就決定了故障數(shù)據(jù)的復(fù)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(jié)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(guān)故障 發(fā)生時的環(huán)境狀況和相應(yīng)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(fù)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(gòu)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(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是截尾( 樣本的抽取) 多次反復(fù)進行的 結(jié)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