基于改進(jìn)的go-flow方法的可靠性評(píng)估

基于改進(jìn)的go-flow方法的可靠性評(píng)估

go法是一種成功的系統(tǒng)信用分析技術(shù)。它適用于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和安全性分析，具有多個(gè)狀態(tài)和幾個(gè)序列功能的變化。根據(jù)代表部件操作符的可靠性參數(shù)，可以直接計(jì)算系統(tǒng)的可靠性，從而獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。Go-Flow方法是在Go法的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的,是一種能夠處理時(shí)間依賴的分析技術(shù),具有描述在不同事件條件下具有多狀態(tài)的大型復(fù)雜系統(tǒng)的功能,主要適用于處理有復(fù)雜時(shí)序或狀態(tài)隨時(shí)間變化的系統(tǒng),在核工業(yè)、太空領(lǐng)域、化工業(yè)、電子等行業(yè)得到深入的研究和推廣。使用簡單的Go-Flow模型能夠處理復(fù)雜的階段任務(wù)分析問題,經(jīng)過簡單的計(jì)算,能夠得到與時(shí)間相關(guān)的系統(tǒng)可用度,從而得到系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的風(fēng)險(xiǎn)概率。作者應(yīng)用Go-Flow方法分析其在數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。1go-flus算法Go-Flow方法的主要內(nèi)容是建立Go-Flow模型和定量計(jì)算。采用圖形演繹的方式,以成功作為問題的出發(fā)點(diǎn),根據(jù)部件在系統(tǒng)中的功能,選擇相應(yīng)的Go-Flow運(yùn)算符,直接把系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)換為模型圖,根據(jù)模型圖用Go-Flow提供的算法計(jì)算各種狀態(tài)發(fā)生的概率。Go-Flow模型圖由信號(hào)線和運(yùn)算符組成,其中信號(hào)表示物理量、時(shí)間和信息,信號(hào)強(qiáng)度描述信號(hào)的數(shù)字特征,通常表示信號(hào)存在的概率。運(yùn)算符既可以對(duì)物理設(shè)備的運(yùn)行或故障建模,也可以描述邏輯門(與門或或門)和信號(hào)發(fā)生器。圖1給出常用的運(yùn)算符。Go-Flow通過選擇合適的運(yùn)算符和建立運(yùn)算符輸入輸出之間的聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模,建模的結(jié)果生成Go-Flow圖,表示部件/子系統(tǒng)/系統(tǒng)的功能。首先,需要定義有限數(shù)目的離散時(shí)間點(diǎn)來表示系統(tǒng)處理的順序,這些事件點(diǎn)必須能反映處理的順序;然后根據(jù)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)或部件的功能從圖1所示的常用運(yùn)算符中選擇合適的符號(hào);最后用表示輸入輸出的信號(hào)線將運(yùn)算符連接起來,并根據(jù)評(píng)估目標(biāo)設(shè)定終止信號(hào),得到整個(gè)系統(tǒng)的Go-Flow圖。Go-Flow圖的定量計(jì)算從輸入運(yùn)算符開始,沿著信號(hào)流在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的存在概率,直至得到系統(tǒng)的最終輸出信號(hào)。利用Go-Flow分析結(jié)果,可以對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。Go-Flow圖直接對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的物理布局,能夠直接從系統(tǒng)原理圖或流程圖建立Go-Flow模型。圖中的元素與系統(tǒng)中的部件一一對(duì)應(yīng),能明顯地描述大多數(shù)部件或系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和作用,模型結(jié)構(gòu)緊湊,易于核實(shí)和修改。2基本事件是共因失效數(shù)控機(jī)床作為一個(gè)大的系統(tǒng)除由于自身原因,如元器件的老化、疲勞、磨損、腐蝕等導(dǎo)致系統(tǒng)單元故障外,在使用過程中還經(jīng)常受到外界環(huán)境偶然因素的影響,如地震、雷擊、沖撞、著火等。這些破壞性很大的偶然因素的發(fā)生將導(dǎo)致系統(tǒng)中部分或全部單元同時(shí)發(fā)生故障。這類由于某個(gè)共同原因而引起的系統(tǒng)中多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障的現(xiàn)象,稱為共因故障(CommonCauseFailure,CCF)。對(duì)于為提高可靠度而采取較高冗余度的系統(tǒng),如數(shù)控機(jī)床系統(tǒng),共因故障是導(dǎo)致故障概率增加、可靠度降低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里應(yīng)用Go-Flow方法通過單獨(dú)評(píng)估每個(gè)共因故障,再綜合所有共因故障對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)不可用度的影響來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的不可用度。一般地,數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)故障可以用布爾代數(shù)式來表示T(A,B)={AE+BF+ABG}H+K(1)式中:A和B是受共因影響的基本事件,E、F、G、H、K是由基本事件組成的布爾代數(shù)項(xiàng)?；臼录嗀和B可以分解為獨(dú)立事件(Ai和Bi)和受共因故障影響的事件CAB。即A=Ai+CABB=Bi+CAB(2)由式(1)和(2)得T(A,B)={AiE+BiF+AiBiG}H+K+CAB(E+F+G)H=T(AiBi)+CAB(E+F+G)H(3)式中:T(Ai,Bi)表示基本事件A和B分別被獨(dú)立故障事件Ai和Bi代替。式(3)可通過基本事件Ai、Bi、CAB之間的容斥關(guān)系轉(zhuǎn)換成發(fā)生概率表達(dá)式P{T(A,B)}=P{T(AiBi)}+P{CAB}[P{T(1,1)}-P{T(0,0)}](4)式中:P{T(1,1)}、P{T(0,0)}表示當(dāng)基本事件A和B的發(fā)生概率分別被1和0代替時(shí)系統(tǒng)的故障概率。式(4)第一項(xiàng)是獨(dú)立事件的影響,第二項(xiàng)是共因故障事件CAB的影響。式(4)普遍的形式為:P{T(A,B...)}=P{T(AiBi...)}+∑Cj∑m=2N∑mP{Cjm}[P{T(1,1,...)}?P{T(0,0,...)}](5)Ρ{Τ(A,B...)}=Ρ{Τ(AiBi...)}+∑Cj∑m=2Ν∑mΡ{Cjm}[Ρ{Τ(1,1,...)}-Ρ{Τ(0,0,...)}](5)式中:A,B,…是受共因影響的基本事件;Cj是某共因故障部件組;m為Cj中故障部件的數(shù)目,2≤m≤N(N是由共因Cj引起的同時(shí)故障部件的最大數(shù)目);Cjm是m個(gè)故障部件的具體組合,∑mP{Cjm}∑mΡ{Cjm}是m個(gè)故障部件的所有可能組合。式(5)表明:系統(tǒng)總的不可用度由兩部分組成,一部分是由各部件獨(dú)立故障引起系統(tǒng)不可用,這部分通過Go-Flow方法獲取;另一部分考慮各種共因故障事件的影響,其中P{Cjm}為共因故障概率,可通過給定的故障模型及參數(shù)計(jì)算得到。P{T(1,1,...)}和P{T(0,0,...)}表示m個(gè)共因部件發(fā)生故障的概率分別被1和0代替時(shí)系統(tǒng)的故障概率,P{T(1,1,...)}和P{T(0,0,...)}也可通過Go-Flow方法獲取。Go-Flow方法處理共因故障的步驟如下:(1)建立Go-Flow圖,獲取系統(tǒng)在給定時(shí)間點(diǎn)上的不可用度;(2)確定共因故障部件組(CCCG);(3)選擇參數(shù)共因故障模型,給出模型參數(shù)的估計(jì)值;(4)利用參數(shù)共因故障模型計(jì)算CCCG的共因故障概率;(5)計(jì)算共因故障對(duì)系統(tǒng)不可用度的影響;(6)對(duì)其他的共因重復(fù)步驟(2)—(6);(7)根據(jù)式(5)計(jì)算系統(tǒng)總的不可用度。3使用示例3.1精定位、鎖定某系列數(shù)控機(jī)床刀架的工作原理是:刀架得到選刀指令后,電機(jī)帶動(dòng)蝸桿、蝸輪、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)齒盤抬起,刀臺(tái)松開后,傳動(dòng)盤帶刀臺(tái)轉(zhuǎn)位;當(dāng)轉(zhuǎn)到選刀工位時(shí),霍爾開關(guān)發(fā)出信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn),定位銷在彈簧作用下進(jìn)入定位盤的定位槽中,刀臺(tái)不能轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)齒盤向下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)精定位和鎖緊動(dòng)作;鎖緊到位后,霍爾開關(guān)發(fā)出信號(hào),電機(jī)斷電,選刀結(jié)束。其示例圖如圖2示。3.2動(dòng)工作的描述來自系統(tǒng)的指令用類型25操作符表示。電機(jī)在接到控制信號(hào)后啟動(dòng)工作,根據(jù)其工作特性,選擇類型26的常閉元件操作符和類型35的隨時(shí)間失效的工作元件進(jìn)行描述。類型25的操作符輸出并連接到代表電機(jī)的類型26操作符上,表示電機(jī)的控制信號(hào)。3.3刀架系統(tǒng)不可用度計(jì)算(1)時(shí)間點(diǎn)的定義。時(shí)間點(diǎn)1為初始時(shí)間;時(shí)間點(diǎn)2為系統(tǒng)開始工作時(shí)間;時(shí)間點(diǎn)3表示開關(guān)1閉合;時(shí)間點(diǎn)4表示時(shí)間點(diǎn)3之后2000h,時(shí)間點(diǎn)5表示緊接時(shí)間點(diǎn)4之后的時(shí)刻,在時(shí)間點(diǎn)5開關(guān)2要求閉合;時(shí)間點(diǎn)6為時(shí)間點(diǎn)5之后的2000h。Go-Flow圖如圖3示。表1列出圖中定義的信號(hào)。認(rèn)為部件故障相互獨(dú)立,用Go-Flow方法提供的算法計(jì)算刀架系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的不可用度,計(jì)算結(jié)果如表2所示。(2)考慮由于共因使得電機(jī)1和電機(jī)2同時(shí)出現(xiàn)故障。(3)用β因子模型評(píng)估共因故障,分別設(shè)β=0.100、0.500、0.900,經(jīng)過計(jì)算得到故障概率P{Cjm}分別為0.0032、0.0109、0.1753。(4)計(jì)算共因故障部件組(L1,L2)的故障概率為1和0時(shí)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)故障概率P{T(1,1)}和P{T(0,0)}。(5)按照式P{Cjm}[P{T(1,1)}-P{T(0,0)}]計(jì)算共因故障對(duì)刀架系統(tǒng)不可用度的影響。對(duì)應(yīng)不同的β值,計(jì)算結(jié)果分別如表3—5所示。(6)綜合獨(dú)立故障和共因故障的影響,得到系統(tǒng)總的不可用度,并統(tǒng)計(jì)共因故障導(dǎo)致的系統(tǒng)不可用度在總的系統(tǒng)不可用度中所占的百分比,結(jié)果如表3—5所示。計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于數(shù)控機(jī)床這樣復(fù)雜的大型系統(tǒng)考慮共因故障對(duì)系統(tǒng)總的不可用度的影響是十分必要的。在評(píng)估