基于改进ARINC的复杂机械系统可靠性分配方法.pdf

第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:国家科技重大专项()作者简介:吴红秋()男山东聊城人硕士研究生主要从事机构可靠性设计方面的研究:.通信联系人:何雪浤女副教授硕士生导师:.:./.基于改进 的复杂机械系统可靠性分配方法吴红秋谢里阳王 艺何雪浤(东北大学 机械工程与自动化学院辽宁 沈阳.中国航空发动机集团有限公司沈阳发动机研究所辽宁 沈阳)摘要:在航空发动机静叶调节机构的设计初期由于缺少完整的失效统计数据其常常会出现可靠性分配结果不合理或难以分配的现象 针对这一问题以故障模式、影响和危害性分析()评价指标的非线性转换方法为基础提出了一种基于改进 的复杂机械系统可靠性分配方法 首先对 分析的失效率评价指标进行了非线性转换近似地表示出了零件的工作失效率并结合可靠性关键件的概念提出了一种改进的 分配方法然后提出了使用改进 分配法进行复杂系统可靠性分配的步骤最后以静叶调节机构的叶片联动系统为应用实例使用上述方法和步骤完成其子系统可靠性指标的分配任务为了验证改进的 方法的优越性将其与传统 方法进行了对比 研究结果表明:改进的 方法能有效解决实际工程中数据不足难以科学地分配可靠性的问题增加了 方法的适用性与采用传统 方法得到的分配结果相比通过改进 方法得到的联动半环、联动半环搭接段和叶片 摇臂衬套的可靠度分别降低了.、.和.其分配结果显示了该方法可以给一些关键零件(工作失效率较高、难以保证较高可靠性)分配较低可靠度指标的任务比传统 方法的分配结果更为合理关键词:机械系统可靠性分配 分配法静叶调节机构故障模式、影响和危害性分析可靠性关键件中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().().:()引 言可靠性分配是机械系统设计和开发阶段最重要的内容是将系统中重要的任务指标采用合适的方法分配给组成系统的各个子系统及零件其过程是一个由整体到局部的过程 机械系统可靠性分配的过程可以分为两个阶段:分别为系统级可靠性分配和子系统级可靠性分配 其中系统级可靠性分配是将机械系统期望的可靠性指标分配到子系统的过程子系统级可靠性分配是将子系统所分配的可靠性指标分配到其零件层的过程静叶调节机构可以有效避免压气机发生喘振减少气动损失使发动机在各种工作状态下都具有良好的性能和工作稳定性 由于静叶调节机构结构复杂且故障模式繁多其设计初期的可靠性分配结果常出现不合理的现象进而影响机构的使用效率及寿命 因此如何合理地对静叶调节机构进行分配这个问题十分重要静叶调节机构的系统级可靠性分配方法在文献中已提出 因此笔者将研究重点放在该机构子系统级的可靠性分配方法上 针对这类机构的子系统级可靠性分配问题学者们已经做了很多工作 提出了平均分配方法用于串联系统的可靠性分配但其并没有考虑各零件现有的工艺水平和它们所处环境条件的不同所以该方法仅适用于拟定初期方案时做初步的分配 李博远等人提出了一种基于故障树分析和层次分析的可靠性分配方法其能将系统总体的可靠性指标有效地分配到零部层 等人提出了一种评分分配法结合专家评分权将数控车床的可靠性指标分配到零部层 等人提出了一种考虑组成危害度、复杂度、功能数量、运行时间、技术指标和电子功能指数 种影响因素的综合因素法()上述方法考虑的因素越来越全面但其各项指标的打分情况受人为主观影响太大极易出现可靠性分配结果不合理的问题 方法以组成单元工作失效率为分配标准确定各组成单元的分配权重多用于机构子系统级的可靠性分配 方法能够有效利用所掌握的可靠性分配数据分配得到的数据与产品的实际可靠度较接近其被广泛应用于失效相互独立的复杂串联系统中但针对某些特定的系统 分配法同样存在很多不足 因此很多专家给出了颇具参考价值的解决思路 等人结合 分配法与故障模式和影响分析根据传统可靠性分配方法设定了可靠性指标在产品设计初期将其分配到子系统层和零件层尤明懿等人提出了一种考虑单元任务时间的 分配法完成了某卫星电子系统的可靠性分配任务 杨卓鹏等人针对 分配法不完全适用于可修复系统的局限提出了一种基于 网模型的改进 分配法使其应用于可修复系统上述研究虽然取得了很好的结果 但在使用 方法对静叶调节机构子系统进行可靠性分配时依旧存在以下问题:)计算各零件的分配权重时考虑了众多非关键零件导致关键零件的分配权重过小进而导致关键零件分配到过高的可靠度造成浪费)在机构的设计初期由于缺少完整的故障统计数据零件的工作失效率往往难以获取限制了 分配法的使用针对上述情况结合可靠性关键件的概念笔者以 分析的失效率等级评分非线性转换方法为基础结合可靠性关键件的概念对传统 分配法进行改进然后提出使用改进 分配法进行可靠性分配的步骤最后使用上述方法和步骤完成静叶调节机构叶片联动系统可靠性指标的分配任务 改进 分配法.传统 分配法常规复杂系统的可靠性分配方法 一般选用 分配法 该方法根据零件的工作失效率得到各零件的分配权重 进而计算出各零件的可靠度()各零件的分配权重 为:第 期吴红秋等:基于改进 的复杂机械系统可靠性分配方法()()式中:为第 个零件的分配权重为系统中零件的个数为第 个零件的工作失效率对于串联系统来说各零件可靠度与系统可靠度关系为:()()()式中:()为系统期望的可靠度()为零件 的可靠度 为系统的工作时间因此分配到第 个零件的可靠度可表示为:()()().传统 分配法存在的问题笔者采用上述的传统 分配法进行可靠性分配时存在以下问题:)根据式()可知在给定系统期望可靠度()的情况下若第 个零件具有较高的工作失效率 对应的分配权重 也较高 由于系统期望可靠度()一般在.之间因此根据式()可知较低的分配权重 在最终分配可靠度时会使相应的第 个零件分配到较高的可靠度在复杂机械系统的众多零件中有部分失效危害极小的零件对机构可靠性的影响微乎其微 如果在计算各零件的分配权重时考虑这类零件将会使式()中的 过大进而导致部分失效危害大的零件分配到过高的可靠度造成可靠度的浪费 所以在使用 方法对复杂机械系统进行可靠性分配前应选出失效危害性较大的关键零件)分配法需根据零件的工作失效率 计算权重因子 其中工作失效率可以通过历史数据或者从类似设备现场数据统计中得到 但是在复杂机械系统的设计初期由于缺少完整的失效统计数据零件的工作失效率往往难以获取限制了分配权重计算公式的使用针对上述问题 等人提出了可以根据已有相似系统或经验对复杂机械系统进行 分析得到零件的失效率等级评分 以计算各零件的分配权重 即:()根据/故障模式、影响及危害性分析指南可知复杂机械系统的失效率等级评分 一般由 个等级构成如表 所示表 失效率等级评分、对应失效率及失效可能性失效率等级评分失效率失效可能性/很高:不可避免/高:重复发生/中等:偶尔发生/低:相对很少发生/极低:不太可能发生 由表 可知:在 个等级中每 个等级之间的差别并不完全相同 显然 的零件与 的零件失效发生可能性的差别明显高于 的零件与 的零件失效发生可能性的差别同时也不能简单地认为 的零件失效发生可能性是 的零件的两倍所以直接将失效率等级评分 应用到式()中存在一定的不足之处综上所述线性化的失效率等级评分方法无法区分不同级别之间差异的大小 所以有必要对失效率等级评分进行非线性转换.改进 分配法的提出.可靠性关键件的定义根据上述分析可知对于复杂机械系统的可靠性分配指标分配的重点应该多放在失效危害大的零件上 而在复杂机械系统的众多零件中有两类零件对机构可靠性的影响微乎其微其可靠度可分配为 这两类零件为:)某零件的制造技术水平非常高其发生失效的可能性极低)某零件的失效对机构几乎不造成影响可定义以上两类零件为机构的非关键零件对于非关键零件以外的零件由于其失效发生的可能性非常大或者是零件发生失效时会对机构造成较为严重的影响在进行可靠性分配时应重点考虑这类零件可定义为可靠性关键件机 电 工 程第 卷由于非关键件的可靠度为 在计算分配权重 时仅需考虑可靠性关键件可靠性关键件的选取需要结合 表和可靠性关键件的判别准则.失效率等级评分的非线性转换方法由于线性化的失效率等级评分方法无法区分不同级别之间差异的大小 等人提出对零件的失效率等级评分 进行合理地非线性转化以近似地表示零件工作失效率估计值即:()()式中:为第 个零件的工作失效率估计值为第 个零件的失效率等级评分 为转换系数可参考 报告确定转换系数在此基础上笔者结合可靠性关键件的概念对失效率等级评分进行非线性转化即在可靠性分配过程中仅对可靠性关键件的失效率等级评分进行非线性转化 此时式()中的 可定义为第 个可靠性关键件的工作失效率估计值可定义为第 个可靠性关键件的失效率等级评分根据式()可以看出当可靠性关键件失效率等级评分 不变时 值越大 值越小对应的工作失效率估计值 越大 值一般在 之间 值一般在 之间笔者取 .代入式()可得到可靠性关键件工作失效率估计值 与失效率等级评分 的关系曲线如图 所示图 工作失效率估计值与对应零件失效率等级评分曲线由图 可知:经过转换之后失效率估计值 与失效率等级评分 呈现非线性关系转化后的失效率等级评分 可区分不同级别之间的差异 复杂机械系统可靠性分配步骤针对于复杂机械系统使用改进 进行可靠性分配的步骤如下:)对系统进行故障模式、影响和危害性分析()笔者对系统进行故障模式与影响分析()然后使用定性危害性矩阵分析方法进行危害性分析()得到 表)选出系统的可靠性关键件 根据 表和可靠性关键件判别准则选出系统的可靠性关键件仅保留 表中可靠性关键件的信息得到简化的 表)计算可靠性关键件工作失效率的估计值 查询 报告选出待定系数 和 将其代入式()计算出可靠性关键件的工作失效率估计值)计算可靠性关键件分配权重 将可靠性关键件的工作失效率估计值 代入下式计算出各可靠性关键件的分配权重:()()()计算可靠性关键件的可靠度 将可靠性关键件分配权重 代入式()计算出系统中各可靠性关键件的可靠度()改进 法应用实例笔者以静叶调节机构的叶片联动系统为例应用改进 方法将静叶调节机构叶片联动系统的期望可靠度分配到其所包含的可靠性关键件.静叶调节机构 分析参照/航空发动机故障模式、影响及危害性分析指南笔者制定静叶调节机构的失效严酷度评价准则如表 所示表 失效严酷度评价准则失效严酷度等级分级标准 类使静叶调节机构主要功能丧失使系统毁坏 类使静叶调节机构主要功能或部分关键功能丧失任务失败系统严重损坏 类使静叶调节机构部分功能丧失系统轻度损坏 类对任务影响很小或没影响增加系统非计划的维修 笔者参照文献制定了静叶调节机构的失效率评价准则如表 所示第 期吴红秋等:基于改进 的复杂机械系统可靠性分配方法表 失效率评价准则失效率等级失效率等级评分失效发生的可能性失效率的参考范围极低/较低/中等/高/非常高/.所以改进 方法可有效解决上述问题笔者将表 中各可靠性关键件的工作失效率估计值 代入式()计算出可靠性关键件分配权重 将分配权重 代入式()可求得叶片联动系统中各可靠性关键件的可靠度()如表 所示表 叶片联动系统中各可靠性关键件所分配的可靠度序号可靠性关键件()拉杆.摇臂销.内机匣.叶片摇臂衬套.联动半环搭接段.联动半环.摇臂.由表 可知:笔者提出的改进 方法为叶片摇臂衬套和联动半环搭接段分配了较高的分配权重保证了其较低的可靠度 其原因在于二者在工作时受温度影响较大易发生失效问题其中叶片摇臂旋转副因温度过高而导致的摩擦过大是静叶调节机构运动精度不足的主要原因联动半环在受力不均时会变成椭圆这会导致各个叶片角度不均匀进而导致静叶调节机构运动精度不足同时联动环变形还受摇臂刚度影响摇臂刚度大相当于联动环支撑刚度大更不容易变椭圆因此为其分配了次一级高的分配权重连杆、内机匣和摇臂等可能的失效模式通常为断裂和变形等皆为可能造成人身伤害的故障因此三者皆不宜故障频发应为其分配较低的分配权重保证其较高的可靠度.方法比对为了验证改进 方法的优越性笔者将该方法与传统 方法进行对比即同样以.的可靠性分配目标计算各可靠性关键件的可靠度得到分配结果第 期吴红秋等:基于改进 的复杂机械系统可靠性分配方法不同方法的可靠性分配结果对比如表 所示表 不同方法的可靠性分配结果对比()可靠性关键件传统 改进 拉杆.摇臂销.内机匣.叶片摇臂衬套.联动半环搭接段.联动半环.摇臂.由表 可知:使用传统 方法得到的叶片摇臂衬套与联动半环搭接段的可靠度()之差为.摇臂销与内机匣的可靠度()之差为.两者结果相同但是失效率等级评分 的叶片摇臂衬套与 的联动半环搭接段失效发生可能性的差别明显高于 的摇臂销与 的内机匣失效发生可能性的差别 所以传统 得到的可靠度结果无法区分不同级别之间差异的大小使用改进 方法得到的叶片摇臂衬套与联动半环搭接段的可靠度()之差为.摇臂销与内机匣的可靠度之差()为.两者相比结果为.所以改进 方法可有效解决上述问题 种方法分配的 个可靠性关键件可靠度结果对比如图 所示图 种方法的可靠性分配结果对比 为拉杆 为摇臂销 为内机匣为叶片摇臂衬套 为联动半环搭接段 为联动半环 为摇臂由图 可知:采用改进 方法得到联动半环、联动半环搭接段和叶片摇臂衬套的可靠度与采用传统 方法得到的可靠度相比分别降低了.、.和.根据上述结果可知改进 方法可为工作失效率较大的联动半环、联动半环搭接段和叶片摇臂衬套分配更低的可靠度避免了可靠度的浪费 结束语针对航空发动机静叶调节机构失效数据不足、难以科学分配可靠性的问题笔者以 分析的失效率等级评分非线性转换方法为基础结合可靠性关键件的概念对传统 分配法进行了改进然后提出了使用改进 分配法进行可靠性分配的步骤最后使用改进 方法完成了静叶调节机构叶片联动系统可靠性指标的分配任务将叶片联动系统的可靠度分配到零件层并将其结果与传统 方法得到的结果进行了对比研究结论如下:)考虑到系统设计初期缺少故障数据对可靠性关键件的 失效率等级评分 进行了合理的非线性转化以近似地表示工作失效率估计值形成了可靠性关键件可靠度分配的权重因子实现了将静叶调节机构叶片联动系统的可靠性目标分配至零件层级的目的)与采用传统 方法得到的分配结果相比改进的 方法使联动半环、联动半环搭接段和叶片摇臂衬套的可靠度分别降低了.、.和.)改进的 分配方法可以为工作失效率较高的联动半环、联动半环搭接段和叶片摇臂衬套分配更低的可靠度指标这符合可靠性分配的一般原则)实例证明该方法能有效解决实际工程中数据不足、难以科学分配可靠性的问题增加了 方法的适用性 该方法可以推广至其他类型的复杂机械系统适当调节转换系数 和 的取值便能够调节可靠性分配结果目前该方法的不足之处在于没有考虑成本因素因此在后续工作中笔者将考虑提高子系统可靠度与应付出成本之间的关系引入成本函数的概念以成本最优为约束条件建立工作失效率与成本之间的数学模型进行可靠性分配参考文献():胡晓晨.航空发动机与汽车变速器可靠性分配.沈阳:东北大学机械工程与自动化学院.王 昊.国产数控车床可靠性评估方法研究.沈阳:东北大学机械工程与自动化学院.张 哲王汉平孙浩然等.调节机构阻滞力和调节机 电 工 程第 卷精度的归因分析.航空学报():.杨 伟徐伟.参数化分析在高压压气机调节机构设计中的初步应用.燃气涡轮试验与研究():.吴红秋谢里阳王艺等.基于改进 方法的静叶调节机构可靠性分配.机电工程():.:.():.李博远胡丽琴陈珊琦等.基于故障树和层次分析的可靠性分配方法.安全与环境工程():.():.():.():.:.():.():.():.():.尤明懿郑介春.一种新的电子系统综合可靠性分配法.电子产品可靠性与环境试验():.杨卓鹏刘 鼎周 波.可修复系统的可靠性分配方法研究/航天可靠性学术交流.北京:中国宇航学会:.谢里阳.可靠性设计.北京:高等教育出版社.():.张玉刚孙 杰喻天翔.考虑不同失效相关性的系统可靠性分配方法 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