基于蒙特卡罗法的液压试验平台可靠性分析.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 0卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I C S J a n ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 4 4 基于蒙特卡罗法的液压试验平台可靠性分析 叶挺 ，林少芬 ，江小霞 集美大学轮机 工程 学院 ，福建厦 门3 6 1 0 2 1 摘要工程机械液压试验平台是一个复杂的机电系统 ，具有故障多样 、成因复杂、隐蔽性强的特点，因此不宜采用传 统的数值解析方法或者直接移植其他类型系统的可靠性分析方法来分析系统的可靠性。根据实际液压试验测试平台系统的 结构组成，构建系统的故障树；采用蒙特卡罗随机模拟方法对故障树的失效模型进行仿真评估 ，得出系统的可靠性指标和 系统可靠性的最薄弱点，提出提高可靠性的方法 ，使系统的可靠度指标提高了3 1 ％。仿真结果也为系统的进一步优化设计 和维修工作提供参考意见。结果表明基本故障树的蒙特卡罗法适用于大型复杂液压系统或机电液系统的可靠性评估，为 大型复杂系统的可靠性分析提供参考。 ． 关键词蒙特卡罗法 ；故障树分析；工程机械；可靠性 中图分类号T P 1 1 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 6 1 4 Re l i a b i l i t y Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c Ex pe r i me nt a l Pl a t f o r m Ba s e d o n M o n t e - Ca r l o M e t h o d YE T i n g ，L I N S h a o f e n，J I ANG Xi a o x i a M a r i n e E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，J i m e i U n i v e r s i t y ，X i a m e n F u j i a n 3 6 1 0 2 1 ，C h i n a ’ Ab s t r a c t E n g i n e e ri n g ma c h i n e r y h y d r a u l i c t e s t p l a t f o r m i s a c o mp l e x e l e c t r o me c h a n i c al s y s t e m w i t h d i v e r s e f a u l t s ， c o mp l e x c a u s e s ，s t r o n g c o n c e a l e d ． I t i s i mp r a c t i c a b l e t o a n a l y z e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m b y u s i n g t h e n u me ri c a l a n a l y t i c me t h o d o r t r a n s p l a n t i n g o t h e r t y p e s o f s y s t e m a n a l y s i s me t h o d ． T h e s y s t e m f a u l t t r e e w a s b u i h b a s e d o n t h e s t r u c t u r e o f e x p e r i me n t a l t e s t p l a t f o r m s y s t e m． Th e s y s t e m r e l i a b i l i t y i n d i c e s a n d t h e w e a k n e s s o f t h e s y s t e m we r e o b t a i n e d b y Mo n t e C a r l o s i mu l a t i o n me t h o d ． T h e i mp r o v e d wa y o f t h i s s y s t e m w a s c o n c l u d e d ． w h i c h ma d e i t r e l i a b i l i t y e n h a n c e 3 1 ％t h a n t h a t o f u n i mp r o v e d s y s t e m． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s p r o v i d e r e f - e r e n c e s f o r f u r t h e r o p t i mi z a t i o n d e s i g n a n d ma i n t e n a n c e w o r k ． I t i s s h o w n t h a t Mo n t e C a d o s i mu l a t i o n b a s e d o n f a u l t t r e e a n a l y s i s a p p l i e s t o t h e r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n o f l a r g e c o mp l i c a t e d h y d r a u l i c s y s t e m o r e l e c t r o - h y d r a u l i c e q u i p me n t ． I t o f f e r s r e f e r e n c e f o r r e l i a b i l i t y a n a l y s i s ab o u t l a r g e c o mp l i c a t e d s y s t e m． Ke y wo r d s Mo n t e C a rl o me t h o d； F a u h t r e e a n a l y s i s ；En g i n e e rin g ma c h i n e r y； R e l i a b i l i t y 液压技术在国民经济建设各领域的应用越来越广 泛 ，目前 9 5 ％ 以上的工程机械采用液压技 术⋯。液控 工程 机械产品质量 的高低相 当程度上取决 于液压 系统 动态特性的好坏。液压系统动态特性是通 过液压 系统 动态性能试验测试平台研究获得 ，而液压试验平台的 可靠性对动态性能试验结果产生决定性的影响。因此， 如何提高液压试验平台的可靠性是必须解决的问题 。 液压试验平 台是一个复杂 的机 电系统 ，用传 统的 数值解析方 法分析此类系统 的可靠性 是 比较 困难 的 。传统的数值解析方法也不能反 映系统的动态可 靠性指标 。因此作者选用蒙特卡 罗方法 分析液 压试 验平台的可靠性。 蒙特卡罗法是比较成熟的技术 ，在其他类型系统 的可靠性分析中广泛应用 ，但在具体运用中存在 一 些限制条件 。液压试验平台是 复杂液压 系统 ，具 有故障多样、成因复杂、隐蔽性强的特点 ，因此不 能直接移植其他类型系统的可靠性分析方法。作者根 据液压试验平台的非标特性与工作特性，采用故障树 与蒙特卡罗法相结合的方法对该系统可靠性进行仿真 评估 ，求得 系统 可靠性 的最薄弱点 ，提 出提高系统可 靠 性的方法 ，为提高整个试验测试平 台的可靠性提供 值得借鉴的依据，具有一定的工程应用价值。 1 试验测试平台的结构组成 液压系统动态性能试验测试平台主要 由硬件平 台 和计算机测控系统两部分组成 。硬件平台的结构组 成如图1 所示 ，包括试验系统油源 、供油回油控制及 收稿 日期 2 0 1 01 2 0 5 基金项目福建省科技重大专项 2 0 0 8 H Z 0 0 0 21 ；财政部科技部 财教 [ 2 0 0 9 ]3 6 5号科技人员服务企业行动项目 作者简介叶挺 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生，研究方向为载运工具及机电一体化。Em a i l d j j y t 1 6 3 ． c o m。通信作者 林 少芬 ，Em a i l s h a o f e n l i n 1 6 3 ． e o m。 1 6 2 机床与液压 第4 0卷 测量装置、工作机构及其控制阀组和转向机构及其控 制阀组四部分。试验系统油源用于向被试系统提供所 需的液压油。供油回油控制及测量装置可以根据不同 的试验要求有选择地对 系统供油 回油 的压力 、流量 和 温度进行 测量。工作机构和转 向机构及其控制阀组构 成 了试验对象 。 工作机构及其控制阀组 lJ转向机构及其控制阀组 供油、回油控制及测量装置 试验系统油源 图 1 硬件平台结构组成 计算机测控系统包括上下位机、N I 采集板卡和 各种传感器 。如图2所示，利用串口通信协议实 现上下位机的通信，下位机 P L C控制各类电磁阀和 电机等器件 ，上位机通过数据采集板卡采集各种传感 器 信 号 ，实 现 在 各 种工 况 下对 液 压 系 统性 能试 验 平 台 的 转速 、流量 、压力 、 温度等参量进行动 态测量。 厂 ． 1 垡 r ] l ■ 系 统中各种传感 器J J 各 类电 磁阀 及电 机等 图2 测控系统整体结构图 2 试验测试平台故障树的建立 根据故障树分析方法 ，以试验测试平台没有达到 技术指标为顶事件 ，对 试验测试平 台的可靠性进行评 估分析。硬件平台故障和测控系统故障为次顶事件 ， 建立的故障树如图3所示。由于整个系统故障树规模 较大 ，采用子故 障树 的方式表示 ，如 图 3 _7 所示 。 图3 试验测试平台系统故障树 图4 子故障树 1 z 一 过滤 器堵 塞 z 『 -液压泵失效 z 厂 电磁溢流阀失效 z 一插 装 阀组 失效 z r 先 导 阀失 效 z 一控制阀组失效 z 一 液压 缸 内漏 上位机发生异常 下位机发生异常 I ／O设备 故 障 △ △ △ 下 位 机通 信故 障 Z 1 广 下 位机CP U 故 障Z l r 一下位 机 电源故 障 Z 一下位机程序失效 Z． 一传输电缆失效 图5 子故障树 2 z 上位机主板故障z ， 一上位机电源故障 zl 一上位 机R S 4 8 5 模 块程 序 失效z l l 一 串 口失效 Z 2 一 接插 件接 触不 良z 1 3 一NI 板 卡 故障 图 6 子故障树 3 Z t s 现场接入板故障z t 一 电磁阀失效z ～电机轴承失效 Z 一电机线圈故障 扭矩转速传感器失效z 一流量传感器失效 z 一压力传感器失效Z 2 r 温度传感器失效Z 2 r一 比例溢流阀失效 Z ” 一调控器失效z 2 8 编码器失效z ∞ ～变频器失效．厶0 ～温控器失效 图 7 子故障树 4 根据文献 [ 1 11 3 ]以及典型的经验数据可知 各底事件的通用失效率均服从指数分布，采用元件计 数法计算出每种底事件的失效率。 每种底事件 的失效率 为 A Ⅳ A 其中A ； 表示第 i 种底事件的通用失效率；N 表示第 i 种底事件的数量 ；A 表示第 i 种底事件 的失效率。 各底事件的失效率如表 1 所列。 第 1 期 叶挺 等基于蒙特卡罗法的液压试验平台可靠性分析 1 6 3 3 可靠性仿真 仿真运算时，首先根据故障树的结构建立可靠性 仿真模型 ，对故障树的底事件按其抽样的失效时间进 行排序 ，通过结构函数判断系统的失效状态 ，求解各 种估计量的统计值，最终得到系统可靠度 、系统平均 寿命 、重要度等可靠性指标。 3 ． 1 可靠性指标 1 系统可靠度 R t m R t 1 一 2 』V S 其中m 表示在 ￡ ≤t 时间内，系统发生失效的总次 数，Ⅳ 为仿真总次数。 2 系统平均寿命 MT B F t ～ MT B F 【 t 尸 t 】 3 其中 t m a x 为系统最大工作 时间。 3 重要度的计算 基本部件重要度 z 薹 垄 嚣 基本 部件的模式重要度 z ， 薹垄 3 ． 2仿真 实验 在 Ma t l a b 环境下 ，利用表 1给出的底事件失效 率 ，编程求解系统的可靠性指标。在进行系统仿真运 行时 ，仿真次数Ⅳ 和系统最大工作时间￡ 两个参数 的选择可能影响到仿真的精度，因此要正确选取这两 个参数 。 仿真次数的选择通常采用试算的方法，即设置不 1 6 4 机床与液压 第4 0卷 同的仿真次数 ，观察输出的结果 如系统平均寿命 MT B F ，如表 2所示。可以看出当仿真次数达到 1 0 0 0 0次时 ，仿真结果 已经趋于稳定 。因此 ，当满足 给定精度的前提下 ，选择仿真 1 0 0 0 0次得到的结果 作为最终的结果。 表 2 不 同仿真次数下 的仿真结果 注 以仿真次数 1 0 0 0 0 0 0的仿真结果为精确值 系统最大工作时间 t ⋯的选择也是采用试探的方 法 ，即首先人为设定一个最大工作时间 t ⋯，根据统 计落在此值 之前 和之后 的失效次数的多少 ，相应 地调 整最大工作时间 ⋯值的大小。经过不断的尝试，这 里设置 t ⋯ 3 0 0 0 0 h可以满足要求。 3 ． 3 仿真结果及其分析 最终 仿 真 得到 该 试 验 测 试 平 台 的 平 均 寿 命 MT B F 2 5 7 3 ． 7 h ，系统 可 靠度 t 的仿真 曲线， 如 图 8 所示 。 系 统各 底 事件 的重要 度的计算结果，如表 1所 示 图8 系统可靠度曲线 从表 1可 以看 出各 个部件 的基本部件重要度都为 t ，说 明每 个部件发 生 故障都会导致系统的故障。另外 ，模式重要度值大的 底事件 ，发生故障的可能性越大，为系统的薄弱环 节” 。如插装 阀组 、控制 阀组和 电磁 阀是该 系统 的 薄 弱环节 ，只有提高插装阀组 、控制 阀组 和电磁 阀的 可靠度，才能大大改善整个试验测试平台的可靠度。 由于该系统各类阀的数量较多，采样备用冗余的 方法提高系统可靠度是不经济实惠的，因此应该选取 质量较好的各类 阀的方式 来提高系统可靠度。假如 将插装阀组、控制阀组和 嚣 电磁阀的可靠度提高 l 倍 ，匝 ’ 系 统 的 平 均 寿 命 变 为 3 3 7 2 ． 8 h ，提高了约 3 1 ％ ， 可靠性得到很大提高。改 进前后系统 的可靠度 曲线 图9 改进前后系统 如 图 9所示 。 的可靠度曲线 此外 ，仿真的结果为系统的优化设计提供建设性 意见。通过模式重要度的求和计算，硬件平台的模式 重要度为 0 ． 7 1 7 2 ，而计算 机测控 系统 的模 式重 要度 为 0 ． 2 8 2 8 。因此 ，在 系统设计 过程 中 ，应 重点 考虑 硬件平 台 ，在满 足性能要求 的前提下尽量减少零部件 的数量 。 同时，仿真的结果也为提高系统的维修性提供参 考。可以根据仿 真得 出的系 统平均 寿命 MT B F 2 5 7 3 ． 7 h确定系统的维修周期 ；根据得出的系统薄 弱环节估算各个备件数量。 4结语 采用故障树分析 方法对液压 系统动态性能试验测 试平台的故障模式进行了分析，运用蒙特卡罗方法对 系统进行了可靠性仿真，得到了系统可靠度曲线和系 统的薄弱环节，并提出了提高整个系统可靠性的方 法，对整个试验测试平台的改进有一定的启发和指导 意义。结果表明基本故障树的蒙特卡罗法适用于大 型复杂液压系统或机电液系统的可靠性评估，对提高 系统的质量和可靠性有比较突出的实用价值。 参考文献 【 l 】陈跃坡． 液压系统 动态性 能试验测试平 台仿真研究 [ D] ． 厦门 集美大学， 2 0 0 8 ． 【 2 】L I He q i n g ， T A N Q i n g ． R e l i a b i l i t y A n a l y s i s o f H y d r a u l i c S y s t e m f o r T y p e C r a n e B a s e d o n G O Me t h o d o l o g y [ C] ／ ／ 2 0 09 2n d I n t e r n a t i o n a l Co nf e r e n c e o n I n t e l l i g e nt Co mp ut i n g Te c h n o l o g y a n d Au t o ma t i o n ，C h a n g s h a ，Hu n a n ，C h i n a ， 2 00 9 8 768 79． 【 3 】S U h u n ， WA N G S h e n i n ， X U Y i n g q i u ． D y n a m i c R e l i a b i l i t y o f H y d r a u l i c S y s t e m B a s e d o n Mo n t e C a r l o S i m u l a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 6 5 3 7 0 3 7 3 ． 【 4 】A N D E R S O N C L i n d s a y ， C A R D E L L J u d i t h B ． A n a l y s i s o f W i n d P e n e t r mi o n a n d Ne t wo r k Re l i a b i l i t y t h r o u g h Mo n t e C a r l o S i m u l a t i o n [ C] ／ ／P r o c e e d i n g s o f Wi n t e r S i m u l a t i o n Co n f e r e n c e， US A， 2 00 9 1 50 31 51 0． 【 5 】G H O L A M I E h s a n ， R A H MA N I A m i r M a s o u d ， N A V I N A h ma d Ha bi bi z a d．Us i ng Mo n t e Ca r l o S i mu l a t i o n i n Grid C o m p u t i n g S y s t e m s for R e l i a b i l i t y E s t i m a t i o n [ C] ／ ／P r o c e e di n g s o f t h e 8t h I n t e r n a t i o na l Co n f e r e nc e o n Ne t wo r ks ， 2 0 0 9 3 8 03 8 4 ． 【 6 】 R E S T E A N U C o r n e l ， V A D U V A I o n ， A N D R E I C A M a r i n ． Mo n t e C arl o S i mu l a t i o n for Re l i a b i l i t y C e n t e r e d Ma i n t e n a n c e Ma n a g e m e n t 『 J _ ． L e c t u r e N o t e s i n C o m p u t e r S c i e n c e， 2 00 8， 4 81 8 1 4 81 5 6． 【 7 】 F E A T H E R S T O N E A M ． A p p l i c a t i o n o f M o n t e C a d o C o m p u t e r S i m u l a t i o n T e c h n i q u e s i n R e l i a b i l i t y A s s e s s me n t [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e rna t i o n a l C o mp u t e i n E n g i n e e rin g C o nfe r e n c e ， Ne w Yo r k， US A AS ME， 1 9 8 5 3 53 9 ． 下转第 1 6 8页 1 6 8 机床与液压 第 4 O卷 利用上面 的试验系统实现方法对采集 到的两种状 态下 的各 1 0组数 据进行 小波包 分析 ，接着 利用提 取 到的特征量进行神经网络训练，再对训练好的神经网 络用采集的剩余的各 1 0组数据进行仿真验证 ，部分 试验结果如表 1 。 表 1 数控机床刀具状态试验数据 比较表 1中样本实 际结果和试验仿真结果可以看 出多数系统仿真预报值和样本的实际值是一致的， 实验效果较好。当然也有个别错报的现象 ，如表中的 数据 7系统仿真预报值与实际结果值就不一致。该仿 真结果表明网络对刀具状态监测的故障预报正确率 为 9 3 ． 3 ％ 。 5结论 1 刀具的切削状态不 同，声发射产生的机理 也不相同，会引起刀具声发射信号的变化。文中研究 表 明 用声发射技术可 以有效地检测 、采集 到刀具 的 各种切削状态信息； 2 用声发射传感器采集刀具切削状态信息进 行分析处理 ，用神经网络技术实现对刀具切削状态特 征的识别 ，为数控加工智能在线监测提供了一种新方 法 ； 3 仅选取 了个别型号刀具进行试验，研究样 本 和结果 可能存在一定 的局限性 。要将 此方 法实 际应 用于现场数控加 工监测 中 ，还需要更多的实验 ，并 针 对监测方法的可靠性等进行系统分析。 参考文献 【 1 】 冉启文， 谭立英． 小波分析与分数傅立叶变换及应用 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 2 ． 【 2 】 黄惟公． 线性判别函数对刀具监视中声发射信号的分析 [ J ] ． 四川工业学院学报， 1 9 9 5 2 l 6 2 1 ． 【 3 】 虞和济 ， 陈长征， 张省． 基于神经网络的智能诊断[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 0 ． 【 4 】 赵学智 ， 陈文弋， 林颖． 基于自 适应小波神经网络的故障 分类[ J ] ． 振动、 测试与诊断 ， 2 0 0 1 1 2 1 2 5 ． 【 5 】陈超， 徐建林， 黄建龙． 基于人工神经网络的刀具状态监 测系统[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 8 1 3 51 3 6 ． 【 6 】陈树越， 余红英． B P网络算法及其在故障诊断中的应用 评述[ J ] ． 振动、 测试与诊断， 2 0 0 1 2 1 0 01 0 7 ． 【 7 】 王计生， 黄惟公 ， 喻俊馨， 等． 基于小波神经网络的刀具 切削状态特征识别[ J ] ． 四川工业学院学报， 2 0 0 4 4 3 235． 上接第 1 5 6页 【 1 6 】 P A T E L A J ， E H M A N N K F ． C a l i b r a t i o n o f a H e x a p o d M a - c h i n e T o o l U s i n g a R e d u n d a n t L e g [ J ] ． I n t J Ma c h T o o l s Ma n u f ， 2 0 0 0， 4 0 4 8 951 2 ． 【 l 7 】D A N E Y D ． S e lf C a l i b r a t i o n o f G o u g h P l a t f o r m U s i n g L e g Mo b i l i t y C o n s t r a i n t s [ C ] ／ ／ I O I n t e r n a t i o n a l F e d e r a t i o n f o r t h e T h e o r y of Ma c h i n e s a n d Me c h a n i s m s I F T o MM ， O u l u， F i n l a n d ， 1 9 9 9 ． 6 1 0 41 0 9 ． 【 1 8 】K H A L I L W， B E S N A R D S ． S e l f - c a l i b r a t i o n o f S t e w a r t G o u g h p a r a l l e l r o b o t s w i t h o u t e x t r a s e n s o r s[ J ] ． I E E E T r a n s Ro b o t Au t o m， 1 9 9 9， 1 5 6 1 1 1 61 1 2 1 ． 【 1 9 】 R A U F A， R Y U J ． F u l l y A u t o n o m o u s C a l i b r a t i o n o f P a r a l l e l M a n i p u l a t o r s b y I m p o s i n g P o s i t i o n C o n s t r a i n t [ C] ／ ／ P r o c I EE E I n t C o n f Ro b o t Au t o m ， 2 0 01 2 3 8 92 3 9 4 ． 【 2 0 】N A K A G A WA M a s a o ， K A K I N O Y o s h i k i ， MA T S U S H I T A T e t s u y a ． T h e I mp r o v e me n t o f Mo t i o n Ac c u r a c y o f He x p o d T y p e Ma c h i n e T o o l s a n d I t s Ma c h i n i n g P e rf o r ma n c e [ C] ／ ／ 2 0 0 2 J a p a n u s a S y m p o s i u m o n F l e x i b l e A u t o ma t i o n， Hi r o s h i ma ， J a p a n， 2 0 0 2 ． 7 ． 上接 第 1 6 4页 【 8 】华成， 张庆， 徐光华 ， 等． 具有小世界特性的复杂液压系 统故障源搜索方法[ J ] ． 西安交通大学学报 ， 2 0 1 0 7 7 9 8 4． 【 9 】林福泉． 工程机械液压系统半物理仿真平台研究[ D ] ． 厦门 集美大学 ， 2 0 1 0 ． 【 l 0 】 李叶妮． 液压系统动态性能测试系统的设计与开发 [ D ] ． 厦门 集美大学 ， 2 0 0 8 ． 【 1 1 】I n t e l l e c t a n d R e l e x S o f t w a r e C o r p o r a t i o n ． R e l i a b i l i t y A P r a c t i t i o n e r ’ S G u i d e [ M] ． 2 0 0 5 2 0 0 2 5 4 ． 【 l 2 】 刘少辉， 林少芬， 江小霞． 基于模糊故障树分析法的舵 机液压系统可靠性分析[ J ] ． 船舶工程， 2 0 0 8 5 2 7 29． 【 1 3 】 严龙． 大型浮吊控制系统可靠性分析与仿真[ J ] ． 舰船 电子工程 ， 2 0 0 9 7 1 6 41 6 7 ． 【 1 4 】 杨为民， 盛一兴． 系统可靠性数字仿真[ M] ． 北京 北京 航空航天大学出版社， 1 9 9 0 1 4 31 6 0 ．