基于产品结构的机械系统可靠性维护评估方法

摘要：机械的使用过程，同时也是使用维护方法适应机械结构的过程，而机械的设计过程，又应该是使机械去适应使用与维护条件的过程，两者是相互依存。本文通过分析现有的机械系统可靠性维护方面的研究，提出了基于产品结构的机械系统可靠性维护的评估方法。为机械系统可靠性维护的进一步研究奠定了必要的理论基础。

1.前言

工程机械作为影响国民经济发展的重要行业，其产品的可靠性、维修性能直接决定生产效益。本文提出了基于产品结构对机械系统的可靠性维护进行评估，对提高工程机械产品的可用性，促进国民经济的快速发展具有重要的理论和实际意义。

2.机械系统可靠性维护的研究现状

2.1.机械系统可靠性维护的概念

机械系统的可靠性包含使用可靠性与固有可靠性两部分的内容。机械在使用过程中所表现出来的可靠性就是使用可靠性。机械的设计使用及维修都离不开使用可靠性的支撑。“以可靠性为中心”的机械系统维护理论认为，一切维护活动，归根到底是为了保持和恢复机械系统的固有可靠性，并提高使用可靠性。[1]

2.2.目前主要的研究成果

目前机械系统可靠性维护研究主要集中在以下几方面：可靠性分配[2]、维修性分配[3]，可靠性维修性分析[4]等。

可靠性分配包括等分配法、比例分配法、影响因素分配法。这些方法对传统可靠性分配方法进行了发展，但是也具有各自的局限性，每一种方法仅针对某一种或者几种情况比较适用。

维修性分配是系统维修性设计的重要环节，合理的分配方案可以使系统经济而有效的达到规定的维修性目标。传统分配方法有：等值分配法、按故障率分配法、按相对复杂性分配。

可靠性维修性分析，针对一个复杂系统，其往往由大量的分系统或单元组成。对这些单元产品的可靠性评估和鉴定需采用不同的分析方法，常用的可靠性评估方法主要有：应力强度干涉模型、Monte-Carlo法[5]、Bayes评估方法[6]。

2.3.目前研究存在的问题

现有的研究主要存在以下几个问题：

2.3.1.目前对机械产品可靠性维护研究多局限于相互独立研究的层次。

2.3.2.目前的研究多集中在产品使用后，得到了试验或使用数据，然后针对统计数据进行可靠性维护研究。

2.3.3.机械产品零部件的可靠性分析，没有建立基于维修度的评估模型和体系。

3.基于产品结构的可靠性维护性评估

3.1.基本概念

在可靠性工程中，一个复杂系统往往由大量的分系统或单元组成，而单元是系统的基础，同时系统也可看作是一个单元，因此要研究系统的综合可靠性问题，就必须先研究单元的可靠性。而对不同单元产品的可靠性评估和鉴定需采用不同的分析方法。以前对系统的可靠性研究都是针对可靠性分布类型进行研究，但是分布密度函数不好确定，即使确定，对其积分也很难求得。

3.2.机械构件的主要失效形式

对于机械产品其失效形式主要有结构完整性破坏，包括产品零部件强度降低、断裂破坏、疲劳破坏和磨擦损伤等；结构功能性破坏，包括结构及其元器件的性能失效、停止工作等；产品制造工艺性破坏，包括联接件松动、脱离部件相互撞击等。

3.3.构件疲劳寿命分析模型

针对构件疲劳失效形式，建立疲劳寿命分析模型。模型结构如图1。

首先确定构件所承受的载荷，而造成疲劳破坏的构件所承受的载荷是交变载荷。采用多体动力学技术，结合ADAMS软件建立工程机械虚拟样机模型，可以得到构件任意时刻所受载荷大小和方向。然后利用ANSYS软件建立有限元分析模型，进行动态分析得到随时间变化的构件应力分布情况。最后利用相似构件在实际载荷谱下的使用理论和损伤的相对Miner理论能给出较好的寿命预测。

3.4.工程机械的维护评估

产品是由零部件组成，产品的维修性由零部件维修性决定，而零部件维修性又取决于多种影响因素，参照我国军用标准和美军军用标准以及文献[7]建立评估模型，如表2

可维护度是指产品的可维修性能好坏的程度，计算公式为：

MD=

式中，m—影响因素个数；—第i因素指标的值；—第i个因素的权重；可维修度值的范围为，数值越大可维护性越好。

4.结论与展望

本文针对国内工程机械产品可靠性、维修性较低的现状，在对机械系统可靠性维护现状研究分析的基础上，提出了基于产品结构的机械系统可靠性维护评估方法。本文研究重点是对设计完毕的系统进行可靠性维修性估测。当系统投入维护使用，所表现出的实际使用可靠性和维修性的预测要通过其它方法得到，这是未来进一步研究的方向。

参考文献：

[1]吴波，丁毓峰，黎明发. 机械系统可靠性维修及决策模型化学工业出版社. 2007

[2]陆廷孝，郑鹏洲.可靠性设计与分析.北京：国防工业出版社.1992

[3]ChunghunHa，WayKuo.Multi-path Approach forReliability-RedundancyAllocationUsingaScaling

Method.Journal ofHeuristics.2005，（11）：20

[4]宋保维.系统可靠性设计与分析.西安：西北工业大学出版社.2000.

[5]parisonofMonte CarloTechniquesfor Obtaining System Reliability ConfidenceLimits.IEEE Trans.Reliability.1980，29（4）

[6]李荣.复杂系统Bayes可靠性评估方法研究.哈尔滨：国防科学技术大学.1999

[7]Wani MF， Gandhi OP. Development of Maintainability Index for Mechanical System. Reliability Engineering System Safety. 1999，65：259-270