（机械电子工程专业论文）推土机故障数据可靠性分析与管理系统研究.pdf

，jj“ d铲、!。rtf瘴1f8_咏 ； j。 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 作者签名： 日期：2 翌丝：么12 j 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印件与电子 版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠 送和交换学位论文：学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学 位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 导师签名：席谚日期 1 一 中文摘要中又于两要 l u l ii ii i ii ii i1 1 11 1 1 1 1 l y 17 8 9 2 6 7 为探明推土机产品的寿命规律，明确国产推土机与发达国家推土机产品可靠性水平 的差距，从中探求提高国产推土机可靠性水平的有效方法，本课题对有关推土机的可靠 性分析与管理进行了细致、深入的研究。 本论文完成了以下工作： 1 ) 在传统质保期故障数据统计策略的基础上，建立起一套完善的基于网络的故障 数据收集机制和审核机制，使收集的质保期故障数据能最大程度地体现真实的故障场 景，包括故障部件的表象、工况、可能原因等与故障发生有关的所有信息； 2 ) 针对系统或总成零部件是否可修的性质，分别采用不同的模型进行可靠性特征 分析，其中，以不修模型为主，符合一定条件的可修系统可近似使用不修模型进行估计， 得出相应的可靠性指标； 3 ) 提出了一套既合适于完全数据也适合于多种截尾数据的宽范围的数据模型，较 好地解决了质保期故障数据这类具有多种截尾数据下复杂的参数估计问题； 4 ) 引入了自适应迭代g a u s s k r o n r o d 数值积分方法解决任意先验分布下b a y e s 参数 估计的后验分布计算问题，并将之应用于质保期故障数据的小样本情形； 5 ) 提出了一种能较好地描述机械电子系统整个生命周期内故障特性，且其故障率 函数具有“浴盆”形状的分布类型，并把此分布类型用于描述推土机的整个生命周期的 故障特性，取得较好的效果； 6 ) 使用a s p 语言结合s q ls e r v e r 数据库管理系统开发了套可靠性信息管理 系统，实现了对质保期故障数据的采集、审核、管理、查询等功能，并能据此分析推土 机的各项可靠性指标，对于制定企业发展目标、调整配套件采购策略、改善管理、制定 技术改进方案、规划售后服务及配套件供应策略等提供了有力的信息支持。 关键字：推土机；可靠性；极大似然估计；b a y e s 估计；新分布类璀 a bs t r a c t t h i sp a p e rl e dat h o r o u g h ，i n d e p t hr e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n d m a n a g e m e n to f t h eb u l l d o z e r ss oa st oa s c e r t a i nt h e i rl i f er u l e s ，a n df i n do u tt h e d if f e r e n c eb e t w e e nt h ed o m e s t i cb u l l d o z e r sa n dt h eo n e sw h i c hw a sm a d eb yt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，a n ds e e kt h ee f f e c t i v ew a yt oi m p r o v e t h er e lia b ili t yl e v e l f o rt h eh o m e m a d eb u l l d o z e r s t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gj o b ： l 、) o nt h eb a s i so fw a r r a n t yf a i l u r ed a t ai nt h et r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a ls t r a t e g y , e s t a b l i s h e dac o m p r e h e n s i v ec o l l e c t i o na n dr e v i e wm e c h a n i s mf o rt h ew a r r a n t y f a i l u r ed a t aw h i c hw a sc o l l e c t e dt h r o u g ht h ew e b t h i sm e t h o de n s u r et h a t c o l l e c t e dd a t ac a nr e f l e c tt h er e a lf a u l t s c e n a r i o s ，i n c l u d i n ga l l r e l e v a n t i n f o r m a t i o nr e l a t e dt ot h ef a u l to c c u r r e n c e ，s u c ha st h er e p r e s e n t a t i o n ，w o r k i n g c o n d i t i o n s ，p o s s i b l er e a s o n so f t h ef a i l u r ep a r t s ； 2 ) u s e dd i f f e r e n tm o d e lt oa n a l y s i st h er e l i a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e m so rc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt oi t sr e p a i r a b l en a t u r e t h ek e ya l g o r i t h m so f t h i st h e s i sa r ec o n s t r u c t e dm a i n l yf o rt h ed o e s n o t r e p a i rm o d e l ，a n dt h e r e p a i r a b l es y s t e m sw h i c hm e e t c e r t a i nc o n d i t i o n sc a nb ea p p r o x i m a t e du s i n gt h e d o e s - - n o t - - r e p a i rs y s t e mm o d e l t oe s t i m a t et h ec o r r e s p o n d i n gr e l i a b i l i t yi n d e x ； 3 、) r a i s e das e to fw i d ed a t ar a n g em o d e l w h i c hw a sn o to n l ys u i t a b l ef o r t h ec o m p l e t ed a t ab u ta l s os u i t a b l ef o rs e v e r a lk i n d so fc e n s o r e dd a t a i tc o u l d s o l v et h ed i f f i c u l t i e so fp a r a m e t e re s t i m a t i o nf o rt h ew a r r a n t yf a i l u r ed a t aw h i c h w o u l db eu n d e rav a r i e t yo fc e n s o r e dd a t a ； 4 、li n t r o d u c e dt h ea d a p t i v ei t e r a t i v eg a u s s k r o n r o dn u m e r i c a li n t e g r a t i o n t os o l v et h e p o s t e r i o rd i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o no fb a y e sp a r a m e t e re s t i m a t i o n w i t ha n yp r i o rd i s t r i b u t i o n ，a n da p p l i e dt ot h es m a l ls a m p l eo fw a r r a n t yf a i l u r e d a t a ； 5 ) p r o p o s e dan e wt y p eo fd i s t r i b u t i o n ，w i t ha “b a t h t u b ”s h a p ef a i l u r er a t e ， w h i c hc o u l dd e s c r i b et h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p l e xm e c h a n i c a l e l e c t r o n i cs y s t e mi nt h ew h o l el i f ec y c l e i ti sa ne f f e c t i v ed i s t r i b u t i o nw h e n a p p l i e dt od e s c r i b et h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb u ll d o z e r si nt h ew h o l el i f e c y c l e ； i l l 6 ) d e v e l o p e dar e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo nt h eb a s i so f a s pl a n g u a g ea n ds q ls e r v e rd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，r e a l i z e dt h e f u n c t i o n so fc o l l e c t i o n ，a u d i t i n g ，m a n a g e m e n t ，q u e r yf o rt h ew a r r a n t yf a i l u r e d a t a lh es y s t e mc a na n a l y z et h er e l i a b i l i t yi n d e xo f t h eb u l l d o z e r sa c c o r d i n gt o t h ec o l l e c t e df a i l u r e d a t a ，a n dp r o v i d ee f f e c t i v ei n f o r m a t i o n s u p p o r tf o r e s t a b l i s h i n gt h ee n t e r p r i s eg o a l ，a d j u s t i n gt h ea c c e s s o r i e sp r o c u r e m e n t s t r a t e g y ， 1 m p r o v i n gt h em a n a g e m e n t ，d e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n tp r o g r a m p l a n n i n ga f t e r - s a l e ss e r v i c ea n ds p a r ep a r t ss u p p l ys t r a t e g y k e y w o r d s ：b u l l d o z e r ；r e l i a b i l i t y ；c e n s o r e dd a t a ；b a y e sp a r a m e t e re s t i m a t i o n ； n e wt y p ed is t r i b u t i o n l v 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 背景1 1 2 意义2 1 3 国内外研究现状和趋势3 1 4 研究内容5 第二章推土机可靠性数据类型和特征分析7 2 1 可靠性数据的采集方法7 2 2 故障数据类型和特征分析一9 2 2 1 数据分类定义1 0 2 2 2 本课题的数据模型1 0 2 3 机械系统可靠性数据特征分析l l 2 3 1 可修系统数据模型1 l 2 3 2 不可修系统数据模型1 1 2 3 3 基本假设及可行性分析12 第三章多种数据状态下极大似然估计参数估计的数值解1 3 3 1 多种数据状态下的指数分布的极大似然参数估计1 3 3 1 1 多种数据状态下单参数指数分布的极大似然估计1 3 3 1 2 多种数据状态下双参数指数分布的极大似然估计1 4 3 1 3 算例15 3 2 多种数据状态下w e i b u l l 分布的极大似然参数估计1 6 3 2 1 多种数据状态下两参数w e i b u l l 分布的极大似然估计一1 6 3 2 2 多种数据状态下三参数w e i b u l l 分布的极大似然估计一1 8 3 2 3 算例2 1 3 3 本章小结2 2 第四章多种数据状态下b a y e s 参数估计一一2 5 4 1b a y e s 参数估计方法2 5 4 2 多种数据状态下指数分布的b a y e s 参数估计2 6 4 2 1 无先验信息下的b a y e s 参数估计2 6 4 2 2 有先验信息下的b a y e s 参数估计3 0 4 3 多种数据状态fw e i b u l l 分布的b a y e s 参数f 占计3 5 4 3 1 无先验信息下的b a y e s 参数估计3 5 4 3 2 有先验信息卜的b a y e s 参数估讨4 0 4 4 本章小结4 3 第五章机械电子系统整机可靠性新模型4 5 5 1 机械电子设备的故障特：i 生4 5 v 5 1 1 机电设备故障率“浴衙”曲线及其特性4 5 5 1 2 现代机电设备故障率特点4 6 5 2 传统方法解决机电设备整机故障模型的缺陷4 8 5 3 故障率具有“浴衙”形状的新分布类型及其特性4 9 5 3 。1 定义及其基本性质4 9 5 3 2 参数的意义5 0 5 3 3 参数的影响5 1 5 3 4 随机数的生成5 6 5 3 5 参数的拟合5 7 5 4 数值例5 8 5 4 1 滚珠轴承经耐磨试验寿命5 8 5 4 2 推土机整机故障数据实例6 0 5 5 本章小结6 2 第六章推土机可靠性数据分析系统的构架与实现6 5 6 1 推土机可靠性数据分析系统构架6 5 6 2 系统数据库结构6 8 6 3 质保期故障数据的采集和审核模块6 9 6 4 推土机可靠性指标分析计算模块7 1 6 5 推土机可靠性信息统计报表管理模块7 5 6 6 推土机故障预报系统7 6 6 7 本章小结7 7 第七章结论与展望7 9 7 1 结论7 9 7 2 建议与展望8 0 参考文献一8 1 致谢8 7 附录推土机整机故障数据8 9 攻读学位期间发表的学术论文目录一9 3 v l 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 整机使用寿命短、作业可靠性差是多年来制约我国推土机机行业发展的重要凶素。 国内总成或零部件企业数目太多，但规模小、生产集中度低，使产品丌发、技术改造几 乎无资金投入，是当| j i 产品可靠性水平提高缓慢的根本原凶之一【l 】。另外，国内推土机 生产厂商把大部分精力放在如何扩大生产规模，降低产品成本等方面来，没有高度重视 产品客观可靠性的评估和产品后期维护管理上来，因此，产品技术的更新和改进速度就 跟不上时代的发展以及市场的需求，更跟不上国外同行业先进水平。这样的恶性循环导 致我们国家大多数企业在技术革新的方面都需要采用从国外引进相对国外落后相对我 国较先进的技术。然而，这些关键技术的i 吸收速度远远跟不上国外技术的发展，而且， 这些关键技术的吸收不仅仅依赖于逆向工程的建模技术，还包括了如何制造高精度的零 部件技术。因此，我国每年需要向国外支付大量的技术资金。从长远的发展角度来看， 我国工程机械的发展需要注入新鲜的血液，需要从重视技术革新为首，提倡创新精神。 在解决企业产品可靠性评价方面，幽内也有人做了不少： 作，但由于与企业实际使 用情况结合不够紧密，软件的针对性小够强，特别足处理不同类型的可靠性数据时结果 上差别较大。现有的分析系统还不具备兼容处理不同类型数据的功能，可以基本满足企 业的要求，但是分析的结果离实际情况还有一定偏差，仍然不理想。 对于大型工程机械来说，由于系统级的试验非常少，有时甚至没有，对系统整体的 可靠性评价就必须通过各个分系统及其各零部件的可靠性试验来进行，这种评价方法称 之为金字塔式可靠性评价方法。然而，这样的试验所需成本非常高，试验数目在经济成 本的影响下也非常之少。因此，针对我国幽情，目前最经济有效的可靠性评估方法就是 充分利用质保期故障数据进行真实工况下的产品可靠性评估。 综上所述，现阶段国内推土机可靠性评价体系存在以下问题： 1 ) 大型复杂机械系统的试验成本居高不下，系统可靠性评价程序复杂难于工程实 践。同时，质保期是企业售后服务_ l 作必不可少的一个环：常，食业目前不一定都拥有一 套完整的整机试验甲台、试验资金投资、数据分析系统，但足，企业对质保期数据的收 集和统计都具有一定的经验。 2 ) 目自仃国内各个工程机械生产厂商都没有一套完整的，合理的，方便的，高效的 质保期故障数据收集和统计方案，导致收集到的质保期故障数据丢失现象严重，分析结 果偏差也较人。也没有一套完善的，切实可行的设备维护管理制度，导致由于维护不周 1 摊十机故障数据j 靠性分析与管理系统研究 产生的故障概率增加，人为引起的故障概率增加。 3 ) 质保期数据的真实性必然引起故障数据类型的复杂多变，特别是数据的完整性 和随机性，工况的特殊性，操作人员技术素质的差异性，都会导致数据的多样性。这些 数据比直接在试验场中的数据复杂得多，因此质保期数据的客观性对后期计算具有较大 影u 向。 4 ) 质保期故障数据的收集工作通常是由企业的售后服务员工或者代理商在用户使 用过程中完成的，所以，数据的收集工作非常零散，地区非常之多，距离企业所在地也 非常之遥远，这给数据的统计和整理造成较大困难。 1 2 意义 为定量分析国产推土机产品与进口产品之间可靠性水平差距，以及本企业产品在国 内同行业中可靠性水平所处的地位，深入分析影响国产推土机产品可靠性的各项因素， 为企业技术革新提供信息支持，需要有一套健全的试验设备，或者完善的故障数据收集 机制，以及成熟的高效的故障数据分析管理系统。本课题致力于充分利用企业质保期故 障数据分析真实工况下的产品可靠性以及对所涉及的方方面面的技术进行革新和规范。 希望能在处理工厂实际问题的过程中，切实做到为企业服务，真正成为企业提高产品可 靠性的必备工具，并且希望本系统在应用中得到不断完善。 本课题的研究意义归纳为以下几点： 1 ) 利用质保期数据对产品可靠性进行评估，充分利用的售后服务中收集到的数据， 分析总结故障发生的规律，充分暴露产品的设计缺陷，反映产品在真实工况中的切实表 现，对改进产品设计、提高后期产品质量、制定售后服务策略、优化配件储备方案具有 非常重要的意义。同时，这种方式可以在很大程度上节约企业的试验成本，丰富并规范 了企业的售后服务业务流程。 2 ) 建立完善的售后服务人员培训机制能最大限度的提高员工的工作素质，建立合 理的用户岗前培训机制，让用户了解和熟悉产品的使用流程和基本维护方法可以大大减 少人为故障的发生，提岛人的可靠性，把故障最大限度的限制到机器本身的设计和制造 缺陷上来。 3 ) 针对样本量较大的完全数据，采用简介直观高效的极大似然法能在很大程度上 计算得到多种数据状态+ f 的参数估计；对于小样本情形下，采用i 叮以吸收先验信息的 b a y e s 方法进行数据分析，同样可以得到较为合理的参数估计。提高故障数据分析的精 度足有效利用数据的前提。 第一章绪论 4 ) 基于i n t e m e t 网络提交远程质保期故障数据的管理系统，让数据的回收更及时， 更准确，而且可以远程监控各个产品的健康状况。这对企业深入了解自己的产品工作性 能，充分了解工况，努力提高产品在各种环境下的应对能力或者丌发出符合某一种类型 工况的特色产品都具有很直接的指导意义。 1 3 国内外研究现状和趋势 国际推土机行业以美国的卡特彼勒公司、日本的小松公司和欧洲利勃海尔公司的制 造技术为代表，三家国际知名公司经过近百年的发展，己成为国际推土机行业发展的绝 对领军者【2 】。我国推土机行业经历了一个富有中国特色的发展历程。建国到改革开放初 期的3 0 年中，从生产配件开始，逐步发展到仿照苏联、日本等国的产品为样机丌发出 了1 2 0 马力、1 4 0 马力、1 5 0 马力等不同功率的推土机。同时国家建设了1 2 个推土机生 产厂，其中包括鞍山红旗拖拉机厂，山东推土机总厂、宣化工程机械厂、上海彭浦机器 厂、黄河工程机械j 。和青海工程机械厂7 个骨干企业。逐步丌发了低比压推土机、推扒 机、通井机和吊管机等专业改犁产品。 纵观国内外推土机的发展历程，现在和将来一段时间推土机的发展将集中在以下几 个方面：力求环保；提高可靠性；应用电子监控；提高司机室舒适性以提高工 作效率；现代传感技术、工作装置自动找平技术的应用【3 圳。 其中高可靠性是必然的，这也是本课题研究的重点。要提高推土机产品的可靠性， 企业首先必须真实的、实时的评估自己产品各方面的可靠性特性。由于推土机属于大型 复杂机械设备系统，对其进行可靠性评估目前主要存在以下几个难题垆瑙j 。 1 ) 电子设备与机械设备之间的差异，以及电子设备与机械电子系统的差异。由于 可靠性首先是在电子设备应用发展起来的，现有理论处理电子系统较为成熟，而应用于 机械系统，之间还有很大差异，这些差异导致大型机械设备可靠性评价的困难。 2 ) 大系统与小样本困难。目前针对一些大系统，整机的可靠性寿命试验非常少， 有的甚至没有，这种条件下要对其进行可靠性评价，传统的基于概率统计分析的方法就 显得力不从心。 3 ) 随机性与模糊性。传统的二念假设( 完好、故障) 在机械系统中很多情况下没 有一个明显的界限，而存在一个模糊的带。这给分析方法带来了困难。 针对可靠性的摹硎 理论建设应用，已有前人写就了一批优秀的经典著作。如1 9 8 0 年美国的n r 曼和r e 沙费尔【9 】的l 叮靠性与寿命数据的统计分析方法；1 9 8 9 年出 版的町靠性义集 i o l ；曹晋华l 等的可靠性数学引论；牟致忠f 1 2 j ，刘惟信f 1 3 1 ，金 推十机故障数据可靠性分析与管理系统研究 伟娅f 1 4 1 等分别著作了关于可靠性工程的书籍；还有日本的野中保雄1 5 1 著有可靠 性数据的收集与分析方法，这些文献都给町靠性理沦分析奠定了非常坚实的基础。 针对可靠性的发展以及工程机械可靠性的发展，已有不少人研究。如北京航空航天 大学牛勇捧】l 。3 等对可靠性发展亟待解决的问题进行的统揽性的归纳；河北宣工周之胜 【2 】1 。以及钱库。2 对推土机的发展作了概述，提出可靠性在未来工程机械发展中的重要 作用。 由于计算机技术飞速发展，计算机的计算能力和速度大幅度增加，相应的软件性能 也有显著的提高。尤其是数值分析方法、各种优化算法与m a t l a b 软件结合起来，其 分析能力提高尤其显著，而且效率非常高。值得一提的是m a t l a b 自带的优化工具箱， 给可靠性工作者带来了福音，利用此工具箱，用户可以很方便的实现各种优化模型，既 高效又准确【1 6 。2 2 1 。 针对可靠性发展中的各个难点，已有很多人在很多方面加以研究，并取得了显著的 成就。如对于数据发生截尾的情形，国内的彭玉灵2 3 1 、田型2 4 之5 1 、宋毅君【2 6 】、范英【2 7 】、 何书元【2 8 j 、焦青霞【2 9 1 、姜宁宁【3 0 1 、周源泉f 3 1 啦! 、吴耀国【3 3 】、张英芝【3 4 】、g e n g s h e n gq i n t 3 5 】 等，国外的a n i k a b a d z e 【3 6 1 、t o m m a s og a s t a l d i t 3 7 1 等人做了系统的研究，其中涉及到了 截尾数据分布类型的识别、时间序列数据分析、数据填充算法、比列优化模型中参数的 估计、极大似然估计、指数分布时的参数估计、e m ( e x p e c t a t i o n & m a x i m u m ) 估计法 等。由于w e i b u l l 分布能较好的描述机械系统的寿命特性，因此对w e i b u l l 分布进行参 数估计也是研究的热点。在这方面国内的杨谋存【3 8 1 、于晓红【3 9 1 、方志强【4 们、敖长林【4 1 1 、 罗航4 2 1 、李进【4 3 】、史景钊1 等，国外的n b a l 砌s 1 1 1 1 a i l a 【4 5 1 、a j a m a l 4 6 1 等人对w e i b u l l 分布在完全数据和截尾数据下进行二参数和三参数的估计，其中涉及的方法有图估计 法、极大似然法、粒子群优化数值解法、e m 估计等。这些方法对w e i b u l l 分布以及w e i b u l l 过程时间序列都有较深入的研究，为服从此分布的产品可靠性分析提供了方法参考。对 于样本量非常少甚至没有的小样本情形，国内的张金槐4 7 1 、金标【4 8 1 、陈举华h 9 1 、张志 华【5 0 】、汤银才5 、刘晗f 5 2 】、李洪双【5 3 】等m 7 2 1 ，国外的g c e l e u x 7 3 1 、a h m e da s o l i m a n 7 4 1 、 a n d u i ne t o u w 7 5 1 等【7 6 8 3 1 人引入各种方法来对小子样下的可靠性进行评估。采用的方法 涉及b a y e s 方法、b o o t s t r a p 自助法、支持向量机预测方法、灰色预测模型、人工神经网 络预测模型等。其中在解决b a y e s 参数估计的后验分布计算困难时，有采用g i b b s 抽样 的、m c m c ( m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o ) 、m e t r o p o l i s h a s t i n g s 方法。另外还有针对无 失效数据的极端情况进行讨论研究的。由于b a y e s 方法的后验计算比较困难，目前针对 各种分布类型的参数估计都有人做了一些工作，但是对于w e i b u l l 分布的b a y e s 参数估 4 第一章绪论 计，由于共轭先验的难觅踪影造成了先验分布的多样性，取不同先验分布的b a y e s 估计 的计算凼难仍然值得进一步研究和应用。 1 4 研究内容 本课题重点要解决的几个问题： 1 ) 收集和整理质保期数据，客观评价产品可靠性 拟通过基于i n t e m e t 网络收集远程质保期故障数据，对产品进行真实工况下的可靠 性评估。 2 ) 建立完善的三包数据收集机制和设备维护管理机制 为了更好的服务于基于质保期故障数据的可靠性评价系统，必须建立起一套完善的 质保期数据收集机制和针对用户的设备维护管理机制。这虽是一个技术层面上的问题， 更是一个管理层面上的问题。 3 ) 多种截尾数据状态下的参数估计问题 由于质保期的真实工况故障数据本身的随机性，复杂性，对其进行分析并不容易， 所以需要构建一套合理的针对多种截尾数据状态的分析方法。本课题对大样本数据应用 简洁精确的极大似然法进行参数估计和并在后期采用高性能的n e w t o n 迭代法和b r e n t 搜索法对参数进行迭代数值解。 4 ) 小样本数据情况下的参数估计问题 对于样本量较小的情况，必须收集好相似系统的可靠性数据，通过先验信息的形式 融合入b a y e s 分析方法中去，然后采用数值积分和g i b b s 抽样的方法解决最后的计算问 题。 5 ) 探索一种新的方法，使之能够更好的描述机械系统整个生命周期的故障特性 在众多分析方法的基础，k ，探索新的方法，以期望能更好的描述机械电子系统整个 生命周期的故障特性。 推士机故障数据町靠性分析勺管理系统研究 6 第二章推十机町靠性数据类型和特征分析 第二章推土机可靠性数据类型和特征分析 2 1 可靠性数据的采集方法 早在1 9 6 3 年美国的r o b e r ta b a k e r 就提出在工程实践中可以获取的数据源归纳起 来有如下九种【l o 】2 5 3 2 6 2 ：以前的经验：工程研制数据；制造及质量管理数据；工 厂验收试验；环境鉴定及外场验证试验；外场安装试验；用户故障数据报告； 质保期要求和记录；修理部门报告。同样，在工程机械行业仍然可以移植部分数据收 集方法。在目自订的工程机械生产厂商中，对产品进行可靠性试验，收集可靠性数据，采 用的方法有如下几种： 1 ) 总成及其零部件的试验数据； 2 ) 整机的试验数据； 3 ) 整机的加速寿命试验数据； 4 ) 类似产品的可靠性分析数据； 5 ) 质保期真实故障数据。 在以研发为主的企业中，总成及其零部件的寿命试验是产品设计流程中不可缺少的 环节。通过对总成及其零部件的寿命试验，可以在样件分析阶段找出设计与制造缺陷， 从而可以反馈试验信息至设计阶段，指导改进设计方案、优化用料选择、完善加工工艺 流程。然而，这种试验方法具有不可忽视的局限性，原因有以下几个方面：一个较大 的机械系统由数目巨大的零部件组成，逐一对每个零件及其总成进行寿命试验的资金代 价及时间代价是相当大的；寿命试验较多情况下都属于破坏性试验，对于昂贵的零部 件或者总成，做试验的数量更是非常少。某些长寿命零部件或总成，其试验周期异常 的长。为节约成本，在没有发生故障前就结束了试验，故障信息非常少，有的甚至为零。 对于一些外协件，其可靠性特征不够明确，试验成本较高。对一般企业来说，寻求高 可靠度的寿命试验已经在高额成本之前退缩了。 对于推土机等大型工程机械，整机的试验几乎都是以抽样为主，样本量极少。对整 机的试验主要体现在开始的磨合阶段。一般待产品出厂销售之前，工厂需要对整机进行 故障预排除，消除由于设计，制造，装配时造成的重大失误导致的早期故障。这些试验 数据射分析早期故障特性具有非常好的指导意义。有很多工厂针对早期失效率较高的情 况采取了先在j 内试车一定时问后方出厂销售，减少销售之后早期故障带来经济损失极 其品牌名誉损失。 为了能在短期内获得产品在某种应力环境下的表现状况，通常采用加速寿命试验的 7 推十机故障数据叮靠性分析与管理系统研究 方法对产品进行可靠性评估。加速寿命试验是通过增加试验应力达到的。在对数据进行 可靠性分析时根据试验应力的加速系数和在此应力下的表现经变换后得到。 每个企业的白行设计生产的产品之间都具有千丝万缕的联系。由于采购策略大体相 同，设计方案也大都继承了老产品的优良特性，因此，在对新产品进行可靠性评估时， 老产品的可靠性数据可以起到数据补充和参考的作用。特别是在利用b a y e s 方法的时 候，它可以吸纳产品的先验信息，包括专家对产品的寿命粗略估计、老产品的寿命特性、 某种应力环境的试验数据等等。然后结合新产品的试验数据对新产品进行可靠性评估。 这种方法的主要优势在于当试验样本量非常小甚至没有故障数据的试验中对产品寿命 进行评价。因此，一个企业的产品历史数据对未来相关产品的评估具有帮助和补充作用。 为讵确维护消费者权益，维护市场经济秩序，国家工商行政管理局对某些行业制定 了基本的质量保证规定。例如中国挖掘机行业挖掘机产品质量保证规定对注册生产 挖掘机整机的厂商制定了一系列的质保规定：厂商需建立质保期内实施免费的定期检查 和指导保养制度，并规定了检查和保养细节；产品质保期需要达到一定的标准；产品质 保责任需要明确；明确哪些零部件是否属于保证范围；明确哪些使用情况、环境下是否 属于质保范围；明确赔偿依据等等。所以，每个企业都会对自己的产品定义一个质保期， 客户购买产品时同样也比较关心质保期的长短。这种行业规定让一些不具备较好生产能 力的小企业和不注重质量保证的企业在市场的竞争下淘汰。同时，企业为了能更好的在 行业中树立一个良好的，有竞争力的形象，得到客户的好评，也必须提高产品的质量， 延长质保期，或者在质保期内提供跟好的服务。 正因为有了这些基础，每个企业对质保期产品发生的绝大多数正常故障都有责任维 修。在这个过程中统计下来的故障数据是相当重要的，我们这里就称之为质保期真实故 障数据。通过对这些真实工况下的故障数据进行统计分析就可以充分暴露产品在设计 上、加工工艺上、选材上、装配上的缺陷，从而直接指导新产品的设计和改进。采用这 些数据对产品的可靠性进行评估有诸多好处： 1 ) 对于当前国情下的诸多工程机械企业来况，质保期故障数据都是现成的，不用 再花太多的时间、精力和经费去收集产品故障数据； 2 ) 质保期故障数据收集的初级机制已经在每个企业建立起来，售后服务部门就已 经具有采集和统计故障数据的经验和技术，只是目前还没有形成一套完整的完善的舰范 的收集制度和数据分析机制； 3 ) 质保期故障数据时产品在真实服役情况下产生的故障，它真萨反映了产品在真 实使用过程中所要面对工况的表现。这种情况下得到的数据可以非常直接的指导产品的 8 第一二章推t 机町靠性数据类型和特征分析 设计、加工、选材和装配。 4 ) 质保期故障数据的统计收集对后期产品的可靠性评估具有帮助作用。在利用 b a y e s 方法对产品故障信息进行可靠性评估时，相似产品的故障数据对后期产品的评估 具有数据补充作用。因为新产品如果是在旧产品的基础上改进而来，那么，可以认为相 同部件相同系统在相同应力环境下的可靠性是不变的，根据评价新加机构、系统、创新 元素的稳定性安全性就可以得到新产品的可靠性数据。因此质保期数据具有延续可用 性，长期指导性。 本课题就是基于此思想建立起利用质保期真实故障数据对产品可靠性进行评估。在 尽可能准确的利用相似产品的数据基础上，真实反映产品的可靠性特性。在这个流程中， 关键是要建立起整个产品范围内规范的质保期故障数据的收集机制。这不仅是一个技术 上的问题，更是一个管理上的问题。所以建立一套完整的管理方案并且加以实施对企业 的设计、生产流程才有指导和推进作用。另外，f 是由于质保期数据是真实工况下的故 障数据，工况的复杂性、人的行为的复杂性就决定了故障数据的复杂性，因此采取何种 分析方法来对此类数据进行分析计算是本课题将要解决的一个重要的核心的问题。 故障收集机制中数据收集范围包括设计、加工、采购、装配、调试、销售、服役环 境、服役表现、后期分析查询等产品整个生命周期的数据。所有数据均存储在大容量硬 盘中，通过可靠性分析系统，可以实时的查询分析某一阶段的可靠性水平，达到实时为 产品的设计生产提供有力的数据支持的目的。 2 2 故障数据类型和特征分析 本课题是基于质保期故障数据来分析产品的可靠性特性，所以本文涉及的算法主要 足只针对此类数据的某些分析困难而设计的。质保期故障数据是一个考虑整机在服役过 程中发生故障的统计信息。信息包括：产品编号、故障日期、故障时产品已工作时问、 故障部件及其所属子系统( 最小不可修部件) 、故障模式( 对应于子系统的故障模式之 一) 、故障分类( 故障造成后果的严重程度) 、工况、故障部件位置描述、故障原因、故 障现象( 故障时工作状态描述) 、诊断结果、维修方法、维修费用、换件费用( 如果有 替换，换件费用) 、停工待修时问( 需要服役而不能服役的时间) 、维修商等等有关故障 发生时的环境状况和相应的故障部件信息的详细描述。由于服役工况的差异性、用户职 业素质的差异性、地区差异性等这些影响着产品故障的因素具有很大的分散性、随机性， 所以，故障数据就具有比较复杂的类型。 9 推十机故障数据可靠性分析j 管理系统研究 2 2 1 数据分类定义 全部试验样品都发生故障的数据，称为完全数据。含有一部分观测中断数据的数据， 称为不完全数据。在实验室中，利用定时截尾和定数截尾得到不完全数据，足有计划地 进行的，因为试验的方式是中途停试，故观测中断数据的数值，均不小于任何一个故障 数据的数值。在处理上，可以采用与作为完全数据的一部分完全相同的处理1 1 5 1 。 但是，在现场数据中，观测中断数据的值，不一定都等于或大于故障数据，如果将 数据按由4 , n 大的顺序排列，则构成观测中断数据与故障数据随机混合的形态。这样的 数据就称为随机截尾数据。由于这种结构的数据是截尾( 样本的抽取) 多次反复进行的 结果，所以也称为多重截尾数据。这种数据产生的原因有如下几种。 1 ) 各个产品的经历时间和实际使用时问的比例不相同的情况 某些产品使用频繁，而其它产品则几乎不使用。在某时刻测量并收集数据时，由于 观测中断数据产生在各不相同的时刻，并且包含比较故障数据短的时间，因而形成随机 截尾数据。 2 ) 其它部件的故障不作为观测对象的情况 我们考虑一个不可修系统并且只对其某个部件，进行在该系统使用情况下的故障 分析。这时对系统而言，只考虑由对象部件引起的故障，而由其它部件引起的故障一律 不考虑