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硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 MASTERS DISSERTATION 论文题目 基于离散时间贝叶斯网络的采煤机 液压系统可靠性分析 作者姓名 作者姓名 刘强 学位类别 学位类别 工程硕士 指导教师 指导教师 陈东宁 副教授 2019 年年 5 月月 万方数据 万方数据 中图分类号TH137.7 学校代码10216 UDC621.8 密级公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 应用研究型 基于离散时间贝叶斯网络的采煤机 液压系统可靠性分析 硕 士 研 究 生刘强 导师陈东宁 副教授 副导师王金祥 高级工程师 申请学位工程硕士 工程领域机械工程 所 属 学 院机械工程学院 答 辩 日 期2019 年 5 月 授予学位单位燕山大学 万方数据 万方数据 A Dissertation in Mechanical Engineering RELIABILITY ANALYSIS OF SHEARER HYDRAULIC SYSTEM BASED ON DISCRETE TIME BAYESIAN NETWORK by Liu Qiang Supervisor Associate Professor Chen Dongning Yanshan University May, 2019 万方数据 万方数据 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文基于离散时间贝叶斯网络的采煤 机液压系统可靠性分析 ，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 日期 年 月 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于离散时间贝叶斯网络的采煤机液压系统可靠性分析系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关 于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密☑。 请在以上相应方框内打“√” 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 万方数据 摘 要 - I - 摘 要 采煤机液压系统失效时，部件之间不仅存在静态失效行为，还存在动态失效行 为。传统故障树分析方法只能对静态失效行为进行描述，动态故障树可以解决具有 静、动态失效行为的复杂系统建模问题，但在求解时无法直接进行定量分析求解。 贝叶斯网络具有对不确定性问题进行分析与推理的优点，将贝叶斯网络与动态故障 树相结合，研究了基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络分析方法和重要度算法， 解决了液压系统中部件之间静动态失效行为描述及动态故障树求解的问题。 首先，对液压系统中的静动态失效行为进行研究。分析了常见液压元件及液压 系统的失效模式、失效机理，并采用静、动态逻辑门建立动态故障树模型，对液压 系统中部件之间存在的静动态失效行为进行描述。 其次，研究了基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络分析方法。给出了离散时 间贝叶斯网络、条件概率表的构建方法及叶节点故障概率和根节点后验概率的求解 算法，并通过与 Monte Carlo 方法求解的动态故障树结果进行对比，验证了该方法的 可行性。 然后，为了度量部件失效时对系统失效概率的影响程度，在现有故障树和静态 贝叶斯网络重要度算法的基础上，研究了离散时间贝叶斯网络根节点的概率重要度、 关键重要度、F-V 重要度、综合重要度算法，并通过与静态贝叶斯网络分析方法结果 进行对比，验证了该算法的合理性和可行性。 最后，运用基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络分析方法和重要度算法对电 牵引采煤机液压系统进行可靠性分析，得到了系统在各个时间段的失效概率和系统 在各个时间段失效时各元件的后验概率、概率重要度、关键重要度、F-V 重要度、综 合重要度，为寻找液压系统的薄弱环节和系统可靠性提升提供依据。 关键词离散时间贝叶斯网络；静动态失效行为；液压系统；重要度；可靠性分析 万方数据 燕山大学工程硕士学位论文 - II - Abstract When the hydraulic system of shearer fails, there are not only static failure behavior between components, but also dynamic failure behavior. The traditional fault tree analysis can only describe the static failure behavior, while the dynamic fault tree can solve the complex system modeling problem with static and dynamic failure behavior, but it can not be solved directly by quantitative analysis. Bayesian network has the advantage of analyzing and reasoning uncertainties. Combining Bayesian network with dynamic fault tree, the discrete-time Bayesian network analysis and importance algorithm based on dynamic fault tree are studied. The problem of describing static and dynamic failure behavior between components in hydraulic system and solving dynamic fault tree is solved. Firstly, the static and dynamic failure behavior of hydraulic system is studied. The failure modes and failure mechanisms of common hydraulic components and systems are analyzed, and the dynamic fault tree model is established by using static and dynamic logic gates to describe the static and dynamic failure behaviors among components in the hydraulic system. Secondly, the discrete-time Bayesian network analysis based on dynamic fault tree is studied. The construction of discrete-time Bayesian networks, conditional probability tables and the algorithm for solving leaf node failure probability and root node posterior probability are given. The feasibility of the is verified by comparing the results of dynamic fault tree solved by Monte Carlo with those obtained by Monte Carlo . Then, in order to measure the impact of component failure on system failure probability, based on the existing fault tree and static Bayesian network importance algorithm, the probability importance, critical importance, F-V importance and comprehensive importance algorithm of root node of discrete-time Bayesian network are studied, and the results are compared with those of static Bayesian network analysis to verify the rationality and feasibility of the algorithm. 万方数据 Abstract - III - Finally, the reliability of the hydraulic system of electric haulage shearer is analyzed by using the discrete-time Bayesian network analysis based on dynamic fault tree and the importance algorithm. The failure probability of the system in each time period and the posterior probability, probability importance, critical importance, F-V importance and comprehensive importance of the components in each time period are obtained, which provides a basis for finding the weak links of the hydraulic system and improving the reliability of the system. Keywords discrete time Bayesian network; hydraulic system; static and dynamic failure behavior; importance; reliability analysis 万方数据 万方数据 目 录 - V - 目 录 摘 要...................................................................................................................................I Abstract...............................................................................................................................II 第 1 章 绪 论.................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景及意义............................................................................................. 1 1.2 液压可靠性研究现状............................................................................................. 2 1.2.1 国内研究现状................................................................................................... 2 1.2.2 国外研究现状................................................................................................... 3 1.3 采煤机液压系统可靠性研究现状......................................................................... 4 1.4 贝叶斯网络分析方法研究现状............................................................................. 4 1.4.1 静态贝叶斯网络分析方法............................................................................... 4 1.4.2 动态贝叶斯网络分析方法............................................................................... 5 1.5 课题来源................................................................................................................. 6 1.6 研究思路与研究内容............................................................................................. 6 1.6.1 问题提出........................................................................................................... 6 1.6.2 研究思路........................................................................................................... 7 1.6.3 研究内容........................................................................................................... 7 第 2 章 液压系统静动态失效行为分析.......................................................................... 9 2.1 液压系统失效模式及其机理分析......................................................................... 9 2.1.1 故障概述........................................................................................................... 9 2.1.2 失效模式与失效机理..................................................................................... 11 2.2 液压系统静动态失效行为描述........................................................................... 14 2.2.1 故障树分析方法............................................................................................. 15 2.2.2 静态失效行为描述......................................................................................... 16 2.2.3 动态失效行为描述......................................................................................... 18 2.3 本章小结............................................................................................................... 22 第 3 章 基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络分析方法........................................ 23 3.1 贝叶斯网络理论基础........................................................................................... 23 3.2 基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络模型................................................... 24 万方数据 燕山大学工程硕士学位论文 - VI - 3.2.1 离散时间贝叶斯网络构造............................................................................. 25 3.2.2 离散时间贝叶斯网络算法............................................................................. 31 3.3 基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络分析方法验证................................... 33 3.3.1 基于 Monte Carlo 方法求解的动态故障树................................................... 34 3.3.2 基于动态故障树的离散时间贝叶斯网络分析方法..................................... 35 3.4 本章小结............................................................................................................... 41 第 4 章 离散时间贝叶斯网络重要度............................................................................ 42 4.1 根节点的重要度................................................................................................... 42 4.1.1 根节点的概率重要度..................................................................................... 43 4.1.2 根节点的关键重要度..................................................................................... 43 4.1.3 根节点的 F-V 重要度..................................................................................... 44 4.1.4 根节点的综合重要度..................................................................................... 45 4.2 离散时间贝叶斯网络重要度算法验证............................................................... 46 4.2.1 静态贝叶斯网络重要度算法......................................................................... 46 4.2.2 离散时间贝叶斯网络重要度算法................................................................. 47 4.3 本章小结............................................................................................................... 50 第 5 章 电牵引采煤机液压系统可靠性分析................................................................ 52 5.1 电牵引采煤机液压系统工作原理....................................................................... 52 5.2 液压系统失效模式及失效机理........................................................................... 54 5.3 液压系统离散时间贝叶斯网络建立................................................................... 54 5.4 液压系统失效概率分析....................................................................................... 61 5.5 根节点重要度分析............................................................................................... 64 5.5.1 根节点概率重要度分析................................................................................. 64 5.5.2 根节点关键重要度分析................................................................................. 67 5.5.3 根节点 F-V 重要度分析................................................................................. 70 5.5.4 根节点综合重要度分析................................................................................. 72 5.6 本章小结............................................................................................................... 76 结 论................................................................................................................................ 77 参考文献............................................................................................................................ 79 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果............................................................ 85 致 谢................................................................................................................................ 86 万方数据 目 录 - VII - 万方数据 万方数据 第 1 章 绪 论 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 近年来，我国的机械制造业随着科学技术水平和生产力的不断提高得到了蓬勃 发展。作为中国经济发展的支柱性产业，机械制造业的发展水平直接反映了我国经 济水平的高低。 因此， 大力发展机械制造业对提高我国的经济水平有重大作用。 2017 年 12 月，国家主席习近平在视察江苏徐工集团时强调在壮大实体经济的同时，一定 要抓好制造业[1]。由此可见，经济的重要支柱是制造业，想要促进经济的发展必须推 动制造业的发展。现在，我国虽然是一个制造大国，但同美国、德国、法国等世界 制造强国相比，许多产品的可靠程度差，不能在规定的时间内可靠的工作，故障频 繁。因此，系统和设备的可靠性水平高低对于我国成为世界制造强国，实现中国制 造 2025 有重大影响。 在机械制造领域，液压技术占有越来越重要的地位，其广泛应用极大地推动了 机械制造业的发展。液压产品是工程机械中使用最广泛的产品。据相关调查显示， 工程机械中液压产品的使用占行业总销售额的 42.3，并且仍有继续增长的趋势[2]。 液压传动系统由众多液压元件组成，结构复杂，工作环境恶劣，当使用设备时，液 压传动系统可能会出现各种故障现象，其中一些是由某个液压元件的故障引起的， 有些是由系统中多个部件的综合因素引起的，有些是由于工作介质的污染引起的。 即使是同一故障现象，故障原因也可能不同。关键的液压元件或液压系统一旦发生 故障，机械能往往不能正常传递，造成机械运行不能持续，影响生产效率，从而造 成重大的经济损失。因此，提高液压系统的可靠性水平意义重大。 采煤机是煤炭生产的主流设备，然而采煤机工作环境恶劣，在使用过程中极易 发生故障，特别是液压系统极易受到污染而发生故障，是采煤机的主要失效形式。 因此，进行采煤机液压系统的可靠性分析，查找采煤机故障易发、频发的部位，将 系统的故障率降到最低，从而全面提高采煤机液压系统的可靠性。本论文针对采煤 机液压系统进行可靠性分析与研究。液压系统的失效不仅存在静态失效行为，而且 部件之间存在动态失效行为，所以对液压系统中部件之间存在的静动态失效行为进 行分析，在原理分析的基础上利用离散时间贝叶斯网络分析方法估算其液压系统失 万方数据 燕山大学工程硕士学位论文 - 2 - 效的概率，并利用贝叶斯网络的反向推理、重要度算法确定液压系统的薄弱环节， 采取相应的措施对这些薄弱环节进行改进，从而提高液压系统的可靠性水平，这对 企业改进液压系统的设计及正确指导维修人员进行维修及维护工作具有重要意义。 1.2 液压可靠性研究现状 液压系统是典型的机电液一体化耦合复杂系统，因具有适应性强、运动惯性小、 反应速度快、可实现无级调速等诸多优点，已广泛应用于航空航天领域、工程建筑 领域、军事装备领域、机械制造领域等[3-6]。关键的液压元件或液压系统一旦发生故 障，机械能往往不能正常传递，造成机械运行不能持续，影响生产效率。据我国某 部门对 MA600 飞机 2011-2013 年的故障数据统计，液压系统出现故障的比例占总故 障的 27.27，占机械系统故障的 35，液压系统在飞机的主要分系统中是故障率最 高的系统[7]。因此，对液压系统进行可靠性研究尤为重要。国内外许多学者对液压技 术的可靠性研究，主要包括液压元件和液压系统可靠性研究两方面。 1.2.1 国内研究现状 19 世纪 60 年代，我国开始了对可靠性的研究，随着可靠性研究的深入，液压产 品的可靠性研究经历了巨大的发展。 在液压元件可靠性研究方面，文献[8]在分析液压泵故障模式与故障机理的基础 上，对液压泵的综合应力寿命试验进行了研究。文献[9]针对传统防爆阀的可靠性低， 不能达到系统的要求，设计了双管路防爆阀，并进行了可靠性试验。文献[10]设计了 一种基于液压伺服和虚拟仪器技术的脉冲试验机，并对冷却器进行了可靠性试验。 文献[11]设计了液压软管总成可靠性实验台，对液压软管进行了脉冲、耐压爆破的可 靠性试验和可靠性评估。文献[12]在不同温度下对 O 型密封圈进行恒定应力加速退 化试验，并对实验数据进行可靠性评估。文献[13]对液压泵活塞缸套摩擦副的失效机 理进行了分析，给出了可靠性评估方法。文献[14]运用提出的性能可靠性分析方法对 柱塞泵的性能退化路径进行了研究。文献[15]针对液压促动器的齿轮泵、溢流阀、液 控单向阀进行了可靠性评估研究。文献[16]考虑随机不确定性因素的影响，对液压机 工作缸缸体进行了可靠性分析。 在液压系统可靠性研究方面，学者们进行了大量研究。在液压系统可靠性预测 方面，文献[17]提出了基于灰色理论的 GO 法动态可靠性预测模型，完成了对加工中 万方数据 第 1 章 绪 论 - 3 - 心液压系统的可靠性预测。文献[18]建立了液压轮边制动系统松闸状态、保压状态、 制动状态下的的可靠性框图，并进行了可靠度预测。在液压系统可靠性设计方面， 文献[19]利用液压系统最优化原则和冗余技术对轧机液压伺服系统进行了优化设计， 提高了系统的可靠度。 文献[20]提出了一种针对液压管路系统存在冲击振动问题的可 靠性优化设计方法，并通过实例分析验证了该方法的实用性。在液压系统可靠性分 析方面，文献[21]提出了 T-S 模糊故障树分析方法，并对液压机动力源系统进行了可 靠性分析，验证了该方法的可行性。文献[22]采用了 FMEA 法对调距桨液压系统进 行了可靠性分析，找出了每个液压元件失效模式、失效原因，并提出了提高该液压 系统可靠性的优化措施。文献[23]将证据理论与贝叶斯网络相结合，对液压驱动系统 定性、定量分析，解决了液压系统中存在的不确定性和多态性问题。文献[24]以可伸 缩带式输送机自移机尾液压系统为研究对象，计算出了在不同环境和工作时间下系 统的可靠度，得出了液压系统受环境因素影响很大，并提出了控制油液污染的措施。 文献[25]对乳化液泵站液压系统进行了 FMEA 分析和故障树分析。 1.2.2 国外研究现状 国外对于液压产品的可靠性研究始于 20 世纪 70 年代。 文献[26]对一批装载机的 可靠性进行了初步研究，提出了幂律过程模型对液压系统的故障数据进行拟合，找 到了液压系统的最佳维护间隔。 文献[27]应用故障模式与影响分析法和故障树分析法 对水轮机组合轴承润滑与冷却系统进行了可靠性分析，找到了导致系统失效的关键 部件。 文献[28]建立了汽车变速器电磁阀的多物理有限元模型， 对电磁阀内部的应力、 应变和温度进行了预测， 为液压电磁阀的可靠性与寿命研究提供了理论基础。 文献[29] 分析了滚筒采煤机液压系统的可靠性。 文献[30]对 4 台铜矿钻机的液压系统进行了可 靠性分析，绘制出了钻机液压系统故障率随时间变化的曲线，并计算出了液压系统 基于可靠性的预防性维修时间间隔，达到了所期望的性能。文献[31]针对水压泵设计 了两种不同的滑动轴承支撑结构，包括传统的横轴和半轴，并基于应力-强度干涉理 论，提出了轴与滑动轴承之间摩擦副的可靠性计算模型，分析结果表明，半轴滑动 轴承支撑有利于大大提高水泵的固有可靠性和泵的使用寿命。 目前，液压产品正朝着能耗低、效率高、品质高、性能高、寿命长的方向发展， 其结构变得越来越复杂，对其可靠性要求更高。为进一步推动我国国民经济的快速 发展，应该继续加大对液压可靠性理论和应用的研究。 万方数据 燕山大学工程硕士学位论文 - 4 - 1.3 采煤机液压系统可靠性研究现状 采煤机是矿井综采工作面的主要采煤设备，在煤炭开采中起着重要的作用。液 压系统作为采煤机的一个重要组成部分，据相关资料统计数据表明液压系统故障占 整个机电事故的 30-40[32]，给煤炭生产造成极大的影响，因此对采煤机液压系统进 行可靠性分析具有重要的现实意义。目前，对采煤机液压系统的可靠性研究较少。 文献[33]建立了可调高滚筒式露天采煤机的可靠性模型框图， 并进行了可靠度计算和 系统的可靠性分析。文献[34]建立了液压冲击系统可靠性的逻辑模型、数学模型和仿 真模型，利用具体参数估算了该系统的可靠度，并对系统的可靠性进行了仿真分析。 文献[35]对电牵引采煤机调高液压系统进行了故障模式、影响及危害性分析，找出了 液压系统中最危险的故障模式。 文献[36]建立了电牵引采煤机调高液压系统油缸运动 阻力大的动态故障树模型，并通过寻找重要度大的底事件，找到了系统的薄弱环节。 文献[37]将二元决策图方法运用于采煤机液压调高系统可靠性分析， 提高了电牵引采 煤机可靠性研究的效率和计算精度。以上可靠性分析文献考虑了液压系统失效时部 件间存在的静动态失效行为，本文将用离散时间贝叶斯网络分析方法进一步对采煤 机液压系统进行可靠性分析。 1.4 贝叶斯网络分析方法研
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