基于状态信息的可靠性预测方法的研究_毕业论文 课件

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1、11 绪 论1.1 课题的目的和意义1.1.1 可靠性的概念可靠性的定义：所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成 规定功能的能力或性质” 。可靠性的概率度量称为可靠度。1.1.2 机械可靠性的特征量机械可靠性有很多特征量，在不同的场合，根据不同的需求，应用不同的特征量， 在这里，我们使用的是可靠度 R【1】。可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间区间内，完成规定功能的概率。一般记 为 R，由于它是时间的函数，故也记为 R(t)，称为可靠度函数。如果用随机变量 T 表示 产品从开始工作到发生失效或故障的时间，概率密度为 f(t)，则该产品在某已指定时刻 t 的可靠度(1.1)

2、 dttfTP tttR1.1.3 可靠性分析的目的意义随着科学技术的发展，产品质量的含义也在不断地扩充。以前产品的质量主要指产 品的性能，即产品出厂时的质量，而现在产品的质量已不局限于产品性能这唯一的指标。 产品质量的定义：满足使用要求所具备的特性，即适用性。产品的质量首先是指产品的 某种特性，这种特性反映着用户的需求。概括起来产品质量特性包括：性能、可靠性、 经济性和安全性四个方面。其中，可靠性：产品出厂后（t0）所表现出来的一种质量特 性，是产品性能的延伸和扩展。可靠性占主导地位。性能差，产品实际上是废品；性能 好，也并不能保证产品的可靠性水平高。反之，可靠性水平高的产品在使用中不但能保

3、 证其性能的实现，而且故障发生的次数少、维修费用及因故障造成的损失也少、安全性 也提高。由此可见，产品的可靠性是产品质量的核心，是生产厂家和用户努力追求的目 标。此外，研究产品可靠性的意义还在于产品责任法，在美国等技术发达国家的产品责 任法中规定：只要是因产品缺陷、故障对用户造成的损失，制造者要承担法律和经济责 任。据1975年美国质量进展杂志预测，由于产品责任问题，当年请求赔偿金额达500 亿美元。在产品责任法中还规定：如果制造者能出示证明进行了可靠性设计和可靠性保 证等活动的资料，可以排除责任。从这点也可看出研究产品可靠性的重要意义 。 可靠性是机械零件设计时必须考虑的重要指标。可靠性是评

4、价设备质量的重要指标 之一，贯穿在设备的开发、设计、制造、使用及维修保养等各个环节。传统的可靠性评 估方法基于概率及数理统计理论，依赖历史失效寿命数据得到一批设备的整体可靠性， 但无法实现反映当前运行设备个体特性的可靠性评估。 传统的基于样本寿命统计基础上的可靠性分析方法得到的是设备的整体可靠性估计， 但对于正在运行的单台或小批量设备，这些统计数据的意义则不大，人们更关心的是当2前所用设备的寿命裕度和可靠性设备运行过程的状态信息能够实时反映设备的运行性 能、精度，准确判定设备的时间、动态特性，揭示产品失效与性能退化之间的关系。 因此， 基于状态信息的可靠性预测方法研究是我们现在正在努力的方向。

5、本课题通 过对滚动轴承的状态信息的研究，对其进行强度-应力干涉模型的可靠性分析，建立可靠 度评估模型，结合 Bayes 方法和 KM 评估器思想，求出其瞬时可靠度，建立已知峭度求可 靠度的 BP 神经网络的模型，来预测可靠度。1.2 国内外研究现状1.2.1 机械可靠性分析的研究现状和进展1.2.1.1 国外机械可靠性设计发展及现状 第二次世界大战期间，美国空军由于飞行故障而损失的飞机为 21000 架，比被击落 的多 1.5 倍；运往远东的作战飞机上的电子设备 60在运输中失效，在储存期间有 50 发生失效；海军舰艇上的电子设备 70因“意外” 事故而失效。这些事实引起美国军 方的高度重视，

6、开始研究这些“意外”事故发生的规律，提出了可靠性的概念。 上世纪 60 年代，对机械可靠性问题引起了各国广泛重视并开始对其进行了系统研究， 其中美国、前苏联、日本、英国等国家对机械产品可靠性进行了深入研究，并在机械产 品可靠性理论研究和实际应用方面取得了相当进展。NASA 在六十年代中期便开始了机械 部件的应力验证和利用应力强度干涉模型进行可靠性概率设计的研究。1974 年美国和日 本成立了结构可靠性分析方法研究组，澳 大利亚、瑞典航空研究院的一些学者也都在专门研究结构可靠性问题。目前在国外，机 械可靠性设计已广泛用于人造卫星、宇宙飞船、飞机、舰船、土木工程、核电站、压力 容器、汽车、齿轮和轴

7、承等产品中。美国作为可靠性研究起步较早的国家之一，其在机械产品可靠性理论研究方面也处于 领先的地位。在机械故障预防和检测方面，机械故障预防小组(MFPG)对设计、诊断、监 测、故障等进行研究，在可靠性数据的收集和分析方面取得了很大的进步，编制了一些 可靠性设计手册和指南、可靠性数据手册。如：NPRD 一 3 非电子零部件可靠性数据 (1985)；NPs 一 1 机械可靠性分析技术手册(1985)；ADA163900 非电产品可靠性手册等。日本的可靠性设计体系来源于美国，但与美国机械可靠性研究不完全相同。日本的机 械可靠性设计着重于实用化，对于机械可靠性设计，主要依靠其现有技术，通过可靠性 实验

8、及使用信息反馈，不断改进，达到可靠性增长。可靠性理论的应用，主要应针对有 问题的设计部分进行分析和改进。另外由于大量新技术、新材料、新工艺的应用，缺乏 实用经验，需要用可靠性技术帮助设计人员进行分析和评估。在可靠性工程应用方面， 比较重视可靠性实验、故障诊断和寿命预测技术的研究与应用，以及产品失效分析、现 场使用数据的收集和反馈。日本成功的可靠性活动经验指出：“日本高可靠性指标产品 的完成，并不是出自掌握了数理深奥的纯可靠性理论专家，而是出自一些具有丰富设计 和实践经验、又掌握了可靠性理论的第一线总师之手。 ”前苏联的可靠性标准注意吸收了美军标的先进部分及优点，尽管前苏联标准没有美 军标可靠性

9、设计标准那么全面及详细，但也有一些内容可以补美军标的不足。前苏联对 机械可靠性的研究十分重视，将提高机械产品可靠性和寿命作为其科技发展规划的重点 任务之一。其可靠性技术应用主要靠国家标准推动，发布了一系列可靠性国家标准。他 们认为可靠性技术的主要内容是预测，即在产品设计和样机实验阶段，预测和评估在规 定的条件下的使用可靠性，研究各项指标随时间变化的过程。他们认为可靠性研究方向 主要有两个：一是可靠数学统计方法和使用信息的统计处理技术，以及保证复杂系统可3靠性的技术；二是适于机械制造行业，包括物理故障学(疲劳、磨损、腐蚀)机械零件的 耐磨、耐热、耐蚀等设计方法，以及保证可靠性的工艺方法的研究。英

10、国国家可靠性分析中心(NCRS)成立了机械可靠性研究小组，汇编出版了机械系 统可靠性一书，从失效模式、使用环境、故障性质、筛选效果、实验 难度、维修方式和数据积累等 7 个方面阐明了机械可靠性应用的重点，提出了几种机械 系统可靠性的评估方法，并强调重视数据积累。由欧共体委员会支持的欧洲可靠性数据 库协会成立于 1979 年，其可靠性数据库交换、协作网遍布欧洲各国，收集的大量机械 设备和零部件的可靠性数据，为进行重大工程规划和设备的研发、风险评估提供了依据。1.2.1.2 我国机械可靠性设计发展及现状 在我国可靠性研究开始于上世纪 60 年代，对于机械产品的可靠性研究则起步更晚， 20 世纪 8

11、0 年代才得到较快的发展，机械行业相继成立了可靠性研究的相关协会，各有 关院所和高校也开展了机械产品的可靠性研究，制定了一批可靠性标准，取得了较大的 成果。 陈立周等提出了一种基于概率密度函数矩不等式的契贝雪夫点法。该方法既保证了 概率计算的精度，同时又克服了一次二阶矩法的不精确性和广义模拟优化方法计算量过 大的缺点。王光远和谭东耀建立了基于随机模糊性的结构优化设计的概念和方法，并应 用于结构抗震设计之中。赵国藩等建立了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可 靠度实用分析方法，扩大了现有可靠度计算方法的适用范围。贡金鑫和赵国藩还研究了 原始空间内的可靠性分析方法，这种方法不需要将非正态随机变

12、量映射或当量正态化为 正态随机变量，因而特别适合于当随机变量的概率分布函数不存在显式时可靠度的计算。 李云贵和赵国藩提出了计算可靠度的 4 次高阶矩法，提高了可靠度的计算精度。胡云昌 等在分析现有可靠性计算方法的基础上，给出了较全面的评价结构系统可靠性的标准， 从而为结构系统的最优可靠性设计提供了可靠的设计依据。总的来看，在有关院所和高 校中机械可靠性设计理论研究多，但实际工程中运用少，尤其是在数据采集方面与西方 发达国家相比差距不小，有些成果尚不能完整地、成熟地应用在不同的机械系统中。1.2.2 可靠性预测方法及应用目前，工程设计中机械结构的可靠性评估方法有应力- 强度干涉模型评估法、一次

13、二阶矩法、Monte- Carlo 法、Bayes 法进行可靠度评估。目前从大的方面考虑可靠性预 测方法有如下：(1) 精确解析求解法 这是指用概率论的公式直接计算可靠性精确解。(2) 蒙特卡洛法 蒙特卡洛法的基本思想是：当已知极限状态方程中各基本随机变量 的分布时，利用随机抽样法产生一组相应的随机样本，将其代入后可得到一个 y 的随机 样本，如此反复进行多次后，就得到 y 的一组随机样本。当对 Y 的随机样本统计分析后， 可得到随机数 y 大于零的概率，即可靠度 R=P(r-s0)=Py(x1,x2.xn)。蒙特卡洛 法属于可靠性分析中的纯概率分析法，回避了求极限状态函数分布的问题，不必对分

14、析 问题进行概率假设。其分析精度较高，并可随着模拟次数的增加，可靠性精度会不断提 高。但是计算量大，并且当精度提高到一定值以后，欲再提高其精度，计算量会以极大 的梯度增加。(3) 一次二阶矩法 在一次二阶矩法相应的计算中，假设基本随机变量和极限状态函 数均服从正态分布；考虑随机变量的一阶矩(均值)和二阶矩(方差)；仅利用极限状态函 数式的常数项和一次项。具体的计算方法又可分为中心点法、演算点法和 JC 法3种。4(4) 二次三阶矩法 二次三阶矩法在计算工作量增加不太大的情况下，其精度比一 次二阶矩法明显提高。原因在于函数泰勒展开时考虑了非线性项的影响，并且多采用一 个数字特征 偏度，较多地保留

15、了随机变量的分布特征，能够反映非对称分布函数形 状。按推理，可靠性分析法的近似概率法还可有三次四阶矩、四次三阶矩等高次高阶矩 的方法，在文献中也提到了高次高阶矩法，但这样做会使问题复杂化，并导致新的误差， 故这类方法应慎用。(5) 故障模式影响和危害度分析（FMECA） 故障模式影响和危害度分析(FMECA)是 分析产品中每一潜在的故障模式，并确定其对产品所产生的影响，以及把每个潜在故障 模式按它的严重程度及其发生的概率予以分类的一门分析技术。其目的在于分析产品的 薄弱环节，找出其潜在的弱点，并把分析的结果反映给产品的设计、制造及使用单位， 以便从设计、制造、使用及维护等各方面采取对策和措施，

16、提高产品的可靠性。其特点 在于即使没有定量的可靠性数据，也能找出产品的不可靠因素。FMECA 可分为 FMEA(故障 模式与影响分析)和 CA(危害性分析)，其中 FMEA 侧重于定性分析，CA 侧重于定量分析。 FMEA 一般可用于产品的研制、生产和使用阶段，特别应在产品研制、设计的早期阶段就 开始进行，以便对设计的评审、安排改进措施的先后顺序提供依据。CA 法工作的难度较 大，需要有一定的基础和数据做支撑。(6) 故障树分析法（FTA）故障树分析法（FTA）是通过对可能造成系统故障的硬件、 环境、人为因素进行分析，画出故障树，从而确定产生故障原因的各种可能组合方式或 其发生概率的一种分析方法。其目的与用途在于分析故障原因与损害及其源与流的逻辑 关系，以便确定其可靠性框图与模型，当具有故障率数据时，可计算产品发生故障的概 率。该方法既可进行定性分析，也可进行定量化计算。FTA 法仍处在发展、完善的过程 中，由于建树过程复杂且难度很大，故利用计算机自动建树的方法也在发展中。近几年来，利用设备状态信