（交通信息工程及控制专业论文）计轴检测盒的可靠性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 计轴检测盒，又称高频e a k ，是铁路计轴设备的重要组成部分， 其可靠性和计轴设备是否能可靠工作密切相关。为保证铁路行车安 全，在应用计轴设备的线路充分考虑设备的可靠性是十分必要的。 本文主要依据相关铁路信号设备可靠性、安全性的相关规范及 标准，对成都铁路信号工厂生产的j z l 一h 型高频e a k 为例，运用可 靠性工程基本理论和方法，构造了设备可靠性框架体系。 1 、根据设备原理图，完成对设备的功能层次的划分，分析基于 功能模块的可靠性逻辑关系，做出系统及子系统的可靠性框图。 2 、结合g j b z2 9 9 b 9 8 电子设备可靠性预计手册，分析每个 元器件的可靠性参数，对整个系统进行可靠性预计( 预计中所用到 的所有器件型号及器件质量等级参数均由成都铁路信号工厂提供， 在本文中示对其进行真实性的核实) 。 3 、分类整理e a k 在现场使用过程中的故障数据，通过概率论 与统计学的方法，运用可靠性工程理论对e a k 进行寿命数据分析， 并与预计结果进行比较，分析其中产生差异的原因。 4 、分析元器件的各种失效模式，并在此基础上建立系统故障树， 进行可靠性定性、定量分析。 5 、对高频e a k 进故障模式、影响及危害性分析( f m e c a ) ，包 括对电源板，通道板，传感板三个子系统的定性和定量分析，得出 整个系统的危害性矩阵，根据危害性矩阵和f m e c a 表，得出影响系 统可靠度的重要部件。 本文不仅从理论上对系统进行可靠性分析，更重要的是结合工 程实践中的实际数据，计算结果更具可信性，同时为可靠性工程在 实际中的应用提供一种新的参考模版。 关键字：计轴检测盒；可靠性；故障模式；失效数据：参数估计 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t d e t e c t o rb o xi na x l ec o u n t e ri sa l s oc a l l e dh i g h f r e q u e n c ye x a m i n e a r ko fa x l ec o u n t e r ( e a k ) a sac o n c e r n f u lc o m p o n e n to fa x l ec o u n t e r t r a c ks e c t i o n ，i t sr e l i a b i l i t yr e l a t e st h ec r e d i b i l i t yo fa x l ec o u n t e r f o r t h es a f e t yo ft h et r a i nr o u t e i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h er e l i a b i l i t yo f e a kw h e r et h ea x l ec o u n t e ri su s e d t h i sp a p e rr e f e r e n c e st h ei n t e r r e l a t e ds t a n d a r d sa b o u t 。t h er e s e a r c h o fr a i l w a ye q u i p m e n t s r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y t a k ej z l - he a k ，m a d ei n c h e n g d ur a i l w a yc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tf a c t o r y ，a s a ne x a m p l e ， a n du s er e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gt h e o r y a n dm e t h o dt om a k et h e r e l i a b i l i t yc o n f i g u r a t i o nu p 1a c c o r d i n gt ot h ee l e m e n t sc i r c u i td i a g r a m ，f i n i s ht h ep a r t i t i o no f t a s km o d u l e sa n da n a l y z et h el o g i cr e l a t i o n sb e t w e e nt h e m ，g i v et h e s y s t e ma n ds u b s y s t e mr e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a m 2b a s e d o n g j b z 2 9 9 b 9 8 ( r e l i a b i l i t yp r e d i c t i o n h a n d b o o kf o r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) ，d e t e r m i n et h er e l i a b i l i t yp a r a m e t e ro fe a c h c i r c u i tc o m p o n e n t ，a n df i n i s ht h er e l i a b i l i t yp a r a m e t e rp r e d i c t i o r to ft h e w h o l e s y s t e m ( a l l d e v i c e sm o d e la n dd e v i c eq u a l i t yg r a d i n g p a r a m e t e r su s e d i nt h e p r e d i c t i o n i so f f e r e db yc h e n g d ur a i l w a y c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tf a c t o r y ，t h i sp a p e rt ov e r i f yt h ea u t h e n t i c i t y o fi t s ) 3a s s o r tt h ef a i l u r ed a t aa b o u tt h ea c t u a lu s eo fe a k ，u s em e t h o d s i n p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c a lt h e o r y t od os o m ea n a l y s i sa b o u tt h e f a i l u r ed a t a ，f r o mw h i c hw ew i l lg e ta n o t h e rr e l i a b i l i t yp a r a m e t e r t h e n c o m p a r et h i sw i t ht h er e s u l to fp r e d i c t i o n ，a n df i n dt h er e a s o nf o rt h e d i f f e r e n c e 4a n a l y i ed i f f e r e n tf a i l u r em o d e l so fc i r c u i tc o m p o n e n t ，b u i l du p t h ef a u l tt r e ef o r t h es y s t e m ，a n dd oq u a l i t a t i v e a n d q u a n t l t a u v e a n a l y s i so nr e l i a b i l i t y 5f i n i s ht h ef a i l u r em o d e ，e f f e c t a n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ( f m e c a ) ，i n c l u d i n gt h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fp o w e r b o a r d ，t r a n s p o r t e rb o a r da n dt r a n s d u c e rb o a r d ，e d u c e t h ec r i t i c a l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 m a t r i x ，s u mu pk e yc o m p o n e n t sw h i c hi n f l u e n c et h er e l i a b i l i t yo fw h o l e s y s t e ms e r i o u s l y b e s i d e sd o i n gt h es y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i si nt h e o r y ，t h i sp a p e r d o e sm o r ea n a l y s i sb a s e do na c t u a ld a t a ，w h i c hm a k e st h ec a l c u l a t i o n m o r eb e l i e v a b l e i tp r o v i d e sai l e ww a yt oc o m b i n er e l i a b i l i t yt h e o r y w i t hp r a c t i c e k e yw o r d s ：d e t e c t o rb o xo fa x l ec o u n t e r ：r e l i a b i l i t y ；f a i l u r em o d e ； f a i l u r ed a t a ；p a r a m e t e rp r e d i c t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密酬使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“刀) 学位论文作者签名：前刁珲 日期：川g 年i i l 指导老师签名： 日期：c d 4 - i 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 一切从实际出发。可靠性预计中所用的参数是从实际用到 的器件型号，用国军标中的方法与规定进行确定：寿命参数估计所 用到的失效数据，是几年来该设备真实的使用记录。 ( 2 ) 用数据说明问题。以往的可靠性研究多从理论上、框架上 进行分析，尽管用许多较深的数学和概率论来对其进行论证，但实 际推广起来并不实用。本文从工程角度出发，摆脱了那些深奥的而 枯燥的数学推理，更多的从应用角度出发来解决实际问题。用数据 来说明问题，更有可信度，用数据分析的方法更适合于工程运用， 更能为其他设备的可靠性分析提供模板。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 自有铁路运输以来，安全就成为了不变的主题，而铁路信号就 是保证行车安全的重要环节：近几年来，铁路信号设备的可靠性、 安全性越来越受到人们的重视，这不仅关系到人民的生命财产，也 从一定程度上关系着我国铁路运输的效率与成本。 在我国，只有在航空航天及武器装备领域开展了最广泛和最全 面的可靠性研究凹q 1 。在铁路信号设备可靠性研究也是处于起步阶 段，大量的铁路设备现场使用数据丢失，而数据是可靠性设计和研 究的基础，加强对这些数据的统计计算和分析研究，将对现有设备 系统的可靠性分析，乃至对未来新系统的研究都起到至关重要的作 用。 在众多的铁路信号设备中，列车定位检测设备是信号系统构成 的关键设备，在继轨道电路后，计轴设备也是重要的列车定位设备 之一。目前，我国铁路使用的计轴设备主要有西门子公司的a z s m 系 列、阿尔卡特s e l 公司与北京全路通信信号研究设计院联合设计并 制造的z p 3 0 c a 计轴器、齐齐哈尔铁路科研所的3 w j c 型及成都铁 路通信设备工厂的j z 卜h 型计轴设备。 本文主要以成都信号工厂的3 z1 - h 型微机计轴设备的e a k 为研 究对象，根据可靠性理论和计轴设备通用技术要求：u i c 7 9 0 r 一7 5 ， 对其可靠性做出较为具体的分析。 总之，铁路信号设备系统不仅仅要求完成功能，还要坚持安全、 可靠的原则，所以加紧对其可靠性进行研究是很必要，急迫的o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 铁路信号设备可靠性研究的发展现状 1 2 1 国外铁路信号设备可靠性研究现状 国外铁路信号可靠性研究工作开展较早，世界发达国家的城市 轨道交通系统已有百余年的发展历史，形成了一整套科学的安全评 估、认证、管理体系，制定了_ 系列切实可行的安全性、可靠性的 评估技术标准。其中i e c 6 1 5 0 8 是国际电子电工委员会( i e c ) 制定 的电气电子可编程电子安全相关系统的功能安全国际标准，是 进行轨道交通安全评估和论证重要的参考标准。它规范了电气电子 可编程电子安全相关系统软硬件生存周期的各个阶段的任务和目 标，提供一个制定安全需求规范的方法。 此外，在铁路运输领域里，人们对安全相关系统的研究主要集 中于铁路信号控制系统，所以欧洲电气化标准委员会下属s c 9 x a 委 员会制定了以计算机控制的信号系统作为对象的铁道信号标准，它 包括以下4 个部分旧3 ： 第l 部分：e n - 5 0 1 2 6 铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和 安全性( r a m s ) 规范和说明。 第2 部分：e n - 5 0 1 2 9 铁路应用：安全相关电子系统。 第3 部分：e n - 5 0 1 2 8 铁路应用：铁路控制和防护系统的软件。 第4 部分：e n - 5 0 1 5 9 1 铁路应用：通信信号和处理系统。 由于有了这一系统完整规范的标准，国外的铁路信号设备在设 计、生产、以及应用过程中都会严格按照标准进行，在应用于现场 之前也会按照标准来进行严格的测评。不仅如此，在生产使用过程 中，国外的厂家会注意收集分析相关的可靠性数据，为产品可靠性 提高提供有利的依据，极大的保证了铁路信号设备的品质。如西门 子公司生产的铁路信号设备都具有大量的可靠性和可行性报告，这 也是国外公司的铁路设备产品性能较好的一个很大的原因。 1 1 2 国内铁路信号设备可靠性研究现状 我国现在对铁路信号设备的可靠性还没有制定相关的标准，也 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 没有相关的措施和方法使可靠性概念贯穿于铁路设备设计与生产的 始终。但是铁路信号设备的可靠性问题己经越来越多的引起人们的 关注，并逐渐在理论上分析铁路信号产品可靠性，提出了一定的改 进措施，如分析设备的可靠性，建立可靠性模型，对子系统进行故 障树分析，为保障可靠性所采取的双机热备结构，二乘二取二结构 左占 寸o 虽然我国的铁路信号设备可靠性问题已经成为人们关注的话 题，但由于各种原因，和国外相比我国铁路信号设备可靠度过低， 例如，到19 8 3 年时，西安器材研究所和齐齐哈尔科研所共同研制的 电子计轴器在白城通过铁道部技术鉴定，但其平均无故障工作时间 只有15 天左右，根本不能在实际中运用油1 。虽然目前我国计轴设备 在技术上有很大进步，但却没有像国外那样建立起可靠性测评体系， 同时由于在研制、生产、使用过程中，不注意相关有效数据的收集， 给其可靠性的系统研究带来了较大困难。 因此，要拉近我国铁路信号设备与国外的距离，不仅要在可靠 性上做功夫，同时要进行可靠性系统的建立，为设备的维修、人力 物力的分配提供科学依据。 1 3 本文研究的主要内容 本论文主要从可靠性工程角度出发，把可靠性理论及相关概率 统计学知识融入到实际中去，结合铁路设备可靠性相关标准 e n s 0 12 6 ，对j z l h 型计轴设备的高频电子检测盒进行可靠性分析。 其主要内容包括： 第一章：主要介绍论文的选题背景和意义，并总结课题的国内 外现状。 第二章：介绍本文所用到的可靠性基本原理和方法。 第三章：介绍高频e a k 结构及工作原理，并建立各结构层次的 可靠性框图。利用电子产品可靠性预计手册g j b 2 2 9 b 对系统各部件 的元器件进行可靠性参数的确定，并利用专业的可靠性分析软件 b l o e k s i m 进行定量分析和仿真。 第四章：结合设备现场使用数据、微机监测系统提供的相关数 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 掘，过滤出有效的可靠性数据，抽调有效信息进行寿命数据分析， 得出相关结论，并运用w e i b u l l + + 对结论进行验证。把此结论与可靠 性预计的结果进行比较，总结两者的差异，找出原因。 第五章：根据系统结构的分析，建立系统的故障树，并做出定 性和定量分析。利用f m e c a 进行失效模式与效应分析，并填写 f m e c a 表格，为日后的维修提供一定的参考。 本论文不仅从理论上对设备进行可靠性分析，更强调从现场使 用的数据出发来分析可靠性，具有更强工程实用性，得到的也是更 贴近实际情况的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章可靠性基础知识 2 1 可靠性概述 可靠性是一门新兴的学科，它的确切定义为：产品在规定条件 和规定时间内，完成规定功能的能力们。为了表示和衡量产品的 可靠性而产生的各种数量指标统称为可靠性征量，主要的特征量有 可靠度、失效概率密度、累积失效概率密度、失效率、平均寿命2 1 3 3 2 1 1 可靠度 可靠度是指“产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的 概率一。可靠度是时间t 的函数，记作尺( z ) ：通常表示为： 月( f ) = 尸( 丁 7 ) ( 2 1 ) 式中t 为规定的时间，t 表示产品寿命。 在实际工程中，假如在f ：0 日寸：有n 个产品开始t 作， 有n ( f ) 个产品失效，可用下式来计算r ( f ) 的估计值： 友= 业訾警= 掣 2 1 2 累积失效概率和失效概率密度 而到t 时刻 ( 2 2 ) 累积失效概率就是寿命的分布函数，也称为不可靠度，记作 尸( ) 。它是产品在规定的条, f ct 和规定的时间内失效的概率，通常 表示为： f ( f ) = p ( 丁f ) 或者f ( t ) = l - r ( t ) ( 2 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 失效概率密度是累积失效概率对时间t 的导数，记作( t 1 。它是 产品在包含t 的单位时间内发生失效的概率，可用下式表示： 巾) = 掣川) 或者，( 垆胁皿( 2 - 4 ) 由f ( f ) = i 一尺( f ) ，得尸( f ) 的估计值为： 户- 塑氅黎掣：盟 ( 2 ；) ，w 2 i 面丽丽万一2 育 巧 由巾) = 掣，j ! 导至0 巾) 的估计值为： f ( t ) = 在时间( f ，f + f ) 内每单位时间失效的产品数 试验的产品数 n n 缸 其中：血( f ) 表示在( t ，f + 血) 内失效的产品数。 ( 2 6 ) 2 1 3 失效率 失效率是指“工作到时刻f 尚未失效的产品，在该时刻t 后的单 位时间内发生失效的概率 ，也称为失效函数，记作a ( f ) 。 由失效率的定义可知，在t 时刻完好的产品，在( t ，f + & ) 时间内 失效的概率为： e ( t f ) 在f 时间内的平均失效率为： ( 2 7 ) 兄( 惝) ：坐等裂型 。(2-8) 当f 专0 时，就得到在时刻t 的： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 砷，= 焉= 器一错 9 ， 工兄( f p = 也尺( f )即尺( f ) = e x p ( - c 旯( f ) 出) ( 2 - 1 0 ) 由此可见，产品的失效率越小，可靠度就越高；反之，失效率 越大，产品的可靠度就越低引。2 ( t 1 估计值为： 互r ，1 ：垄堕塑! ! ：! 竺! 塑堡兰垡堕塑叁鏊兰曼壑： 竺( ! ) ( 】) 力2 毫丽丽蒜甭五丽乒瓦一2 一( n - n ( t ) ) a t 。2 - 1 产品的可靠度取决于产品的失效率，而电子产品的失效率随工 作时间的变化具有不变的特点。根据长期以来的理论研究和数据统 计，发现有许多零件构成的机器、设备或系统，在不进行预防性维 修时，或对不可修复的产品，其失效率曲线的典型形态如下图所示， 由于它的形状和浴盆的剖面相似，所以又称为浴盆曲线 ( b a t h t u b c l 】r v e ) 1 14 】。 五( t ) 2 1 4 平均寿命 图2 1 浴盆曲线 平均寿命的含义是寿命的数学期望，平均寿命是一个标志产品 平均能工作多长的特征量。 不可修复产品的平均寿命是指产品失效前的平均工作时间，记 为m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) ；可修产品的平均寿命是指相邻两次 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 故障间的平均工作时间，称为平均无故障工作时间，记作m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。 p = r 矿( r 净= r 胛( f ) = f 月( f ) 加 ( 2 12 ) 由此可见，一般情况下，将可靠度函数在o ，栩1 区间上进行积分， 便可得到产品总体的平均寿命。在工程中，常用下面的方法来估算： 廊：土y t ( 2 13 ) 拧智4 式中万为：测试的产品总数； t j 为：第f 个产品失效前的工作时间，单位为h 。 m t b f = 圭白 ( 2 14 ) 刀百“i = 1 式中刀为：测试的产品总数； r = 甩，为测试产品的所有故障数； 为：第i 个测试产品的故障数； t 。为：为第f 个产品的第_ ，一j 次故障到第_ 次故障的工作时间， 单位为h 。 产品寿命的估算方法为： 痧= 鼍等= 专喜z ，( 2 - 1 5 ) 仃= 一= 一7 i 。 总的故障数鲁1 2 2 可靠性建模与预计方法 可靠性建模与预计是用于评测产品是否符合规定可靠性要求的 一种方法。建模的目的是为了对产品进行可靠性预计【1 5 】。 2 2 1 可靠性建模 根据参考文献 15 的规定，建立可靠性模型的步骤可以分为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 1 ) 定义产品：在此阶段应规定产品性能，即规定每种状态下 的失效判据。同时还应该完成以下任务： 规定条件，在执行任务过程中单元所遇到的环境和工作应力。 规定任务时间，必须对产品工作的时间做出明确的定量规定。 ( 2 ) 确定产品可靠性框图：可靠性框图通过简明扼要的直观方 法，表现出产品在每次使用能完成任务的条件下，所有单元之间的 相互信赖关系【1 6 】。 在分析系统可靠性时，常常要将系统的工程结构图转换成系统 的可靠性框图，再根据可靠性框图以及组成系统各单元所具有的可 靠性特征量，计算出所设计系统的可靠性特征量。 系统的工程结构图是表示组成系统的单元之间的物理关系和工 作关系，而可靠性框图则是表示系统的功能与组成系统的单元之间 的可靠性功能关系。可靠性框图与工程结构图并不等价，建立可靠 性框图首先要了解系统中每个单元的功能，各单元之间在可靠性功 能上的联系，以及这些单元功能、失效模式对系统的影响。绝不能 从工程结构上判定系统类型，而应从功能上研究系统类型，分析系 统的功能及其失效模式，保证功能关系的正确性。 ( 3 ) 确定计算产品可靠性的概率表达式，即建立数学模型：其 中通用的方法有普通概率法、布尔真值表法、蒙特卡罗模拟法。 普通概率法是指根据可靠性框图，用普通的概率关系式，来拟 定可靠性数学模型。 布尔真值表法是指用布尔代数的方法，只考虑系统及其设备的 失效和成功两个状态。用真值表列出其对应关系，对于系统完成任 务的每个项都根据独立事件概率乘法定理，即可得出这个完成任务 项的概率，再用加法原理把使得系统完成任务的每一项的可能性相 加即可得出整个系统的可靠度。 2 2 2 蒙特卡罗仿真法 蒙特卡罗抽样也被称为随机抽样，设所需要的量x 是随机变量善 期望值e ( 善) ，可根据孝的概率分布函数等对亏进行n 次随机实验或抽 样，产生相互独立孝的值序列：磊，乞，岳，并计算其算术平均值： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 手2 专善缶( 2 - 1 6 ) 当一o 。时，有p fl i m 手= x l _ 1 、，v ， 且，根据大数定律，可以证明：手( 善) = 工 所以手可以作为所求量x 的估计值，当所求量是随机变量的其他 数学特征或函数时，可对抽样值处理后再进行统计。 蒙特卡罗法是从同一母体中抽取简单子样来做抽样试验。根据 简单子样的定义，五，x 2 ，是1 1 个独立的具有相同分布的随机变量， 由2 16 式可知，当n 足够大时善收敛于手，那假设在n 次抽样试验 中，事件a 发生了m 次，那么事件a 的频率为m n ，且e ( a ) 收敛于 1 。从理论上讲，这种仿真方法的应用几乎没有任何范围的限制，所 以在可靠性研究中大量使用【1 6 】。本文第五章对故障树的仿真即采用 的这种方法。 2 2 3 可靠性预计 可靠性预计是在可靠性模型已经建立的基础之上，对可靠性的 定量分析。对于其中各组成部分的失效信息必须得到确认，电子元 器件的失效率数据可参照g j b 2 9 9 或是制造厂家提供的资料来确定 【l5 】 o 可靠性预计的方法主要有以下几种： ( 1 ) 相似产品法，在结构和性能相似，设计相似，产品的工作 环境相似的前提下，可以用其相似产品的可靠性指标来替算。 ( 2 ) 元件计数法，如果产品可靠性模型是串联的，或者为取得 近似值可以假设它们是串联的，则可以把元件失效率相加直接求得 产品失效率。如果产品的可靠性模型中有非串联成分，则可把非串 联模型等效为串联模型再计算。 采用这种方法所需要的信息是： 1 所用元器件的种类及数量； 2 元器件质量等级； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 设备工作环境： 计算失效率的数学表达式为： 缸= f ( 砧) ， ，：1 式中：k ：设备总失效率； 砧第j 种元器件的通用失效率j ：第j 种元器件的通用质量系数：。 m ：第j 种元器件的数量； n ：设备所用元器件的种类数目。 在本文进行可靠性预计时采用的就是这种方法， 2 3 寿命数据分析原理 2 3 1 寿命分析的步骤 ( 2 17 ) 详见3 3 2 节。 参数估计是可靠性分析最原始也是最可信一种方法，它注重利 用现实中的数据，通过统计、概率知识进行处理后，分析总结出最 贴近现实的模型参数心纠心。 可靠性参数估计的一般程序可总结如下： 1 、收集失效数据，一般数据收集有两条主要途径：试验数据和 现场数据。试验数据是在控制环境下得到的失效数据；现场数据则 涉及到单元在使用现场的失效。在收集失效数据的时候需要根据实 际情况，对失效数据进行合理的取舍，比如到观测终止时，一些单 元尚未到失效，这种情况的数据称为截尾数据，截尾数据不应该舍 弃，它也包含了部分有用的信息。舍弃截尾数据的分析是不正确的。 2 、数据的初步分析，当有了一列数据的时候，第一步就是对其 进行初步的统计分析。这样做有两个主要目的。一是获得描述性统 计量，如均值、方差、可靠性的无参数估计等等。这样的统计量是 不依赖于任何特定的寿命分布的。第二个目的是为深入的数据分析， 这里主要是为选择一个特定的寿命分布模型做准备。为此，将数据 显示在各种坐标系下，观察其图形特征，并与己知的某些寿命分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的相应理论图形做对比。这样的图形只依赖于所取得的数据，概率 纸图是经验可靠性函数在变换的坐标下的图形，依赖于特定的寿命 分布，常用的如正态概率图，威布尔概率图等。 3 、模型选择，选择一个恰当的寿命分布模型是建模成败的关键。 建模时比较常见的问题有： ( 1 ) 往往选择过于简单的模型，比如指数分布、泊松分布、正 态分布、威布尔分布等。而实际的问题往往比较复杂，通常在一个 系统中存在几种失效模式( 即几种失效机理并存) 。在这样的情况下， 简单模型一般不能很好地描述这类失效。 ( 2 ) 建模者对所供选择的模型了解不多或者虽然知道有某种模 型可供选择，却对这些的模型的性能缺乏了解，而盲目地依赖于假 设检验一类的统计工具。例如，某些模型在威布尔概率纸上的图形 只会是凹的或者凸的，而实际数据在同概率纸上明显地呈现出s 形状，有人却仍然选择了威布尔模型。事实上，在较低的置信水平 下，所拟合的模型即使误差较大也有可能被通过假设检验并被接受。 4 、模型参数估计，一旦已经取得了失效数据样本，并且选定了 一个或几个尝试模型，则可以进行模型参数估计。常用的方法是概 率纸法，具体是把收集到的失效数据进行一系列的变化，用不同的 概率纸对其进行拟合，选取最匹配的分布，并且根据概率纸上得出 的曲线形态计算出相关的可靠性参数。 2 3 2 威布尔分布 在前面，提到过有许多零件构成的机器、设备或系统，在不进 行预防性维修时，或对不可修复的产品，其失效率曲线为浴盆曲线。 为了很好了描述这种曲线，在可靠性工程里用得最多就是威布尔分 布( w e i b u l l ) 心引。 威布尔分布有三个参数，其分布密度函数为： 、 巾) = 鲁( 警) 胪1e 印( 一( 导) 卢卜y 式中p ：形状参数，决定分布密度曲线的基本形状； ，：位置参数，又称起始参数，表示产品在时间y 之前具有 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 砸) = 鲁( 警) 伊1 ”y ) ( 2 - 1 9 ) 当= 1 时，五( f ) 为一q - - g 数吉，表示偶然失效阶段的寿命分布； 砷：辚鞯门出川小卜旧) ，肛心) “叫 r ( r ) = 一，( r ) = e x p 一( 去) ， c2 2 ， h ( h 南卜h 州h 口 2 2 ， 卜k h 南) 沼2 3 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 就可以得到一个有关x i 和”的线性关系式：y ，= a + 觇，其中： j 口= - 了t n 口 ( 2 - 2 4 ) 【b = 采有这种方法就可以构造w e i b u l l 概率纸了，以咒作为纵坐标， z ，作为横坐标。利用这种线性关系，就可以估计出w e i b u l l 分布的相 应参数了： i= b l e t = c x p ( 一詈) 2 5 本文在第四章就是用了此方法进行寿命数据分析。 2 4 故障分析原理 2 4 1 故障树分析方法 故障树分析法，简称f t a ( f a u l tt r e ea n a lys is ) ，是一种评价 复杂系统可靠性与安全性的方法，最早应用于军事与核电站事故风 险评价中 3n 引。 一、f t a 的特点 ( 1 ) f t a 是一种图形演绎法，是在一定条件下对故障事件的逻 辑推理方法。 ( 2 ) f t a 把系统故障与组成系统部件的故障有机地联系一起， 通过故障树可以找出系统全部可能失效状态。 ( 3 ) f t a 受到统计数据的不确定性影响，因此在定量分析中有 较大困难，所以在分析故障树除进行有效地定性分析外，更重要是 对f t a 的重要度分析它是f t a 中定量分析的重要部分9 1 。 二、f t a 的步骤 f t a 把系统最不希望发生的事件( 失效状态) 作为故障树的顶事 件( t o pe v e n t ) ，用相应的逻辑符号表示，找出导致这一不希望事 件发生的所有可能直接因素和原因，一步步深入分析，直到找出事 故的基本原因，即故障树的底事件为止。这些底事件又称为基本事 件，它们的数据是已知的。f t a 一般可分为下面几个阶段： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 1 选择合理顶事件和系统分析的边界和定义范围，并且规定成 功与失败的准则； 2 故障树的建造，故障树实际上就是系统故障的图示模型，绘 制故障树时，首先要按照系统的定义确定一个顶事件，然后使用有 关符号，从顶事件出发，分级分路通过有关逻辑门及中间事件，直 到基本事件，从而给出一棵倒立的树。 3 故障树评价，建立故障树之后，就可以根据故障树对整个系 统进行评价，并从中得到定性和定量的结果。评价故障树的最好办 法是最小割集法。 三、故障树的定量分析 在求得全部最小割集后，如果在已知故障树中各个底事件发生 的概率，则可以进一步作出定量计算。故障树的定量分析主要包括 以下几项： ( 1 ) 求基本事件、顶事件发生的失效率估计值。 ( 2 ) 重要度分析，改善系统设计。故障树的定量分析可以对系 统的可靠性、可用性和安全性做出定量的评价。 在计算顶事件发生概率时，首先进行以下四个假设，这四个假 设对本文研究的对象也是合适的： 1 系统的基本元部件是不可修复的； 2 元部件的失效率都是常数； 3 故障树中没有备份部件，也就是没有重复事件； 4 基本失效事件都是独立的。 其计算过程如下：( 电子器件的可靠度函数服从指数分布) 故障树中的或门相当于可靠性中的串联。设或门有1 7 个输入事 件，其可靠度均为指数分布，失效率为：凡，i = 1 ，2 ，玎，则或门输出 事件的可靠度函数为： 。 一侉。、 r ( f ) = 兀暑( f ) = 兀e 嘶 - e 临j ( 2 2 6 ) i s li f f i l 或门的失效率为： 以= 丑 i f l ( 2 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 故障树中的与门相当于可靠性中的并联。设与门有m 个输入事 件，其可靠度均为指数分布，失效率为：元，i = 1 ，2 ，聊，则与门输出 事件的可靠度为： 耳( r ) = 1 一兀( 1 一r j ( f ) ) = 1 - 兀( 1 百即) ( 2 - 2 8 ) 。与门的失效率为： 批) - 南掣= 黔，- 1 ) 娅一 i ( 2 - 2 9 ) 其中：z j = 南，- ，= 1 州2 一m 底事件的重要度是指底事件顶事件发生的贡献，计算底事件重 要度是为了确定设备的薄弱环节和改进设计方案，重要度可分为概 率重要度和结构重要度。 概率重要度是指第i 个部件不可靠度的变化引起系统不可靠度 变化的程度。用数学公式表达为： 删= 帮= 裂( 2 - 3 0 ) 其中g ，( f ) ：概率重要度； f ( t ) ：器件不可靠度： g 户( r ) ：顶事件发生概率，且有g 户( r ) = e ( r ) ，丘( r ) ，c ( r ) 只( f ) ：系统不可靠度，只( f ) = g 户( r ) 结构重要度是元器件在系统中所处位置的重要程度，与元、部 件本身故障概率毫无关系。其数学表达式为 f 2 寺衫玎? 2 善卜( 1 l 贾) 一( o t ，跏 ( 2 3 1 ) 其中：第i 个元、部件的结构重要度： 打：系统所含元、部件的数量； 万? 有两种状态： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ( o ，牙) = o j ( 1 ，牙) = 1 ， ( o ，牙) = o j ( 1 ，牙) = o ， ( 1 ，贾) 一m ( o ，j ) = 1 币( 1 ，贾) 一。( o ，j ) = o 2 4 2 故障模式、影响及危害性分析( f m e c a ) f m e c a ( f a i l u r em o d ee f f e c ta n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ) 最初实际是 一种设计方法，它能有效地把故障或隐患消灭在设计阶段，同时也 对确定复杂系统可靠性、分析设薄弱环节和了解故障模式对系统影 响有着重要的意义心们。本文主要是针对已经投入使用的设备，把 f m e c a 理念引入到其维修工作中去，利用f m e c a 系统地分析设备 系统各组成单元所有可能的故障模式、故障原因及后果，以便发现 设备系统中潜在的薄弱环节，提出可能采取的预防和改进措施。 f e m c a 应用在维修工作中不仅能够给出约定层次上的所有故 障模式，而且能够确定它们对产品其它更高层次的影响，这是一种 全面的分析方法。 f m e c a 本质上是一种定性的逻辑归纳推理方法，它自下而上的 研究下一级零部件的故障对上一级子系统或系统的影响，其基本任 务是： 找出功能故障的主要原因，故障发生的特定条件，为预防性维 修工作发现消除故障提供科学依据。 确定功能故障的主要模式，即找出那些故障后果严重和故障发 生频率高的故障出现形式。 f m e c a 是采用填写分析表的形式进行分析的。分析表列出了要 分析的所有单元，对每个单元分析其有多少种可能发生的故障模式 ( 其中有些故障模式没有实际发生过，但存在发生的可能性) ，并对每 种故障模式分析其发生的原因、发生后对系统可能会有什么影响、 这个可能性有多大，这种故障模式发生的条件概率( 故障率) 是多少， 最终计算出每种故障模式的危害度。危害度是故障模式的故障率与 影响整个系统发生故障概率等级度量线性叠加进行综合考虑的结 果，能较好地体现出故障模式对系统的影响。 本文的f m e c a 参照我国军用标准g j b13 91 9 2 心们设计分析表 头，采用定性分析( f m e a ) 和定量分析( c a ) 两个分析表根据实际情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 加以删减后进行可靠性分析。定性分析表头如表2 1 所示，定量分析 表头如表2 2 所示。 表2 1 故障模式、影响及危害性分析f m e a ( 定性分析) 表头形式 蝙 号 莞卧霎麒自嚣剧到攀卜 表2 2 故障模式、影响及危害性分析c a ( 定量分析) 表头形式 编 盟 单元单元 故障 危害故障 单元故故障模 故障影 工作维修 维修 故障模单元危 号 一 数量相互严重数据 悻率式频数 响概率 时间闻隔 因子 式危害害度 兀 ( q )关系 模式 ( ) 比 ( 1 )m度 c , = z g 度 来源 艚。 ( o j ) ( bj ) f r ) ( c j y | o s r i o 5，d，d 分析表中有关项目的定义如下： 故障：故障( f a u l t ) 定义为单元的损坏或无法完成规定功能的事 件。对于不可修复的单元称为失效( f a i l u r e ) 。在可靠性研究中，事故、 失效等一般统称故障。潜在故障是指系统运转以来尚未发现过的或 改进后尚未发现过的但有可能发生的事件。一般不考虑人为故意产 生的事故与故障。 故障模式：各单元的所有可能发生的损坏、无法完成单元应输 出的功能、输出功能的性能下降超过了规定值等的形式或现象。也 可称为故障现象。 故障影响：每种潜在的故障模式对本层次的影响为“局部影响 ， 局部影响也可能是模式本身；对上一层次可能产生的影响为“对上 层影响 ：对总系统可能产生的影响为“最终影响”。故障影响考虑 对任务完成、维修工作、人身安全、系统安全等的可能会发生的影 响，但不考虑非正常工作条件下产生的影响。 故障发现检测方法：是指该故障模式发生时能够发现的报警、 在线检测、状态检查等手段和方法，尽量不是发生了最终影响后才 能发现的手段和方法。一般要求在设计时就应该考虑到相应的手段 和方法。 纠正措施：除了事后更换和修复以外，还应包括应急处理、起 用备份、安全或保险装置启动等在线手段，以防止发生“最终影响 。 一般要求在设计时就应该考虑到纠正措施的手段和方法。 危害严重度：即假使“最终影响”发生后，所产生的后果分为4 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 级。1 级最严重，4 级最轻微。 故障发生概率或故障率数据源：记录数据的来源，如实际系统 的统计数据，设备资料提供，设计手册，经验估计等；由设计手册 提供的数据应乘以使用系数、环境系数、质量系数。 故障率五：由于各种单元的失效概率分布都是不同的，未经过大 量的可靠性试验是得不到各种失效概率分布的形式和参数值的，所 以一般对所有的故障模式都考虑故障发生为指数分布，只要一个稳 态指标之就可以表示出故障概率特征。机械产品在稳定工作期内近 似符合指数分布，电子产品在老化前也符合指数分布，软件程序非 结构故障也属于指数分布。又一般用单位时间倒数或单位频次倒数 表示。 故障模式频数比口，：某单元可能有n 种潜在的故障模式j _ 1 ， n ；每种模式发生的可能性不同，其百分比即哆，口_ ，= 1 。无统计 数据时由经验确定。 故障影响概率岛：即某单元第种潜在的故障模式发生后，会导 致“最终影响”也发生的概率，一般由经验估计。按以下范围定量 估计：总系统肯定受影响，岛= 1 ；总系统很可能受影响，历( o 1 ，1 ) ； 总系统有可能受影响，局( o ，0 1 ) ：总系统肯定没影响，屏= o 。 工作时间t ：每次任务的工作时间或循环次数。本文以天( d ) 作为 计轴系统的时间单位，即参加了全天任务的单元其工作时间为1 ( d ) 。 故障模式危害度：表示某单元第- 种故障模式产生危害的 概率。 = _ x o t