车辆结构系统可靠性的分析方法

第23卷第6期2003年12月

文章编号:1008-7842(2003) 06-0004-03

铁道机车车辆

RAILWAYLOCOMOTIVE &CAR Vol . 23　No . 6Dec . 　　2003

车辆结构系统可靠性的分析方法

刘　刚, 刘学文

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(1　北京交通大学机电学院, 北京100044; 2　铁道科学研究院金化所, 北京100081)

摘　要　概括分析了车辆结构系统可靠性的数据处理方法, 给出了建立车辆结构系统可靠性计算模型的方法和步骤, 阐述了车辆结构系统可靠性分配方法和保证措施。关键词　车辆, 系统, 可靠性

中图分类号:U270. 1+2　　文献标志码:A

1　前言

自1997年以来, 铁道部已对客运列车实现了4次大提速。从整体上看, 提速客车转向架的各项性能指标能够确保提速客车的安全运行。但与国外发达国家相比, 在车辆系统可靠性方面存在较大的差距。因此, 摆在我们面前紧迫而又关键的任务是如何提高车辆系统的可靠性。

2　可靠性数据的采集与处理

可靠性数据的采集与处理是可靠性研究的基础工作, 为了获得车辆整机及各个零部件的失效分布情况, 应当长期收集记录各种故障数据。对这些数据的处理一方面可以确定某个零部件故障与整机故障的关系, 并由此可以分析得出各个零部件对于整机系统的重要性, 可以供车辆整体可靠性分配时使用。另一方面主要是为了拟合估算出该零部件的失效分布函数, 用以计算零部件的可靠性指标。同时对系统的故障进行分类和分级, 以便进行可靠性评价和故障模式分析。

一般情况下, 对现场数据最简单的处理是分类计算出每种零部件的故障类型和故障频数, 进而建立经验分布函数以供分析时使用。在其失效分布获得后, 可以用如正态概率纸、威布尔概率纸等来进行初步估计。并借助于最小二乘回归分析求得相关分布函数的参数; 也可以先假设已有的数据服从某种分布, 然后

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利用χ方法和K —S 方法对其进行假设检验。

之一是对关键零部件在短时期内进行强化试验, 由此可以得到零部件的S —N 曲线; 另一方法是试验得出材料的S —N 曲线或利用类似的研究结果。这时可对零部件做顺序加载试验。由疲劳损伤累积理论作等效合成处理即可。

还有一种方法是通过实测在实际线路上运用车辆上关键危险部位的动应力—时间历程, 采用双参数雨流记数方法确定其应力谱, 结合材料疲劳性能的P —S —N 曲线, 根据疲劳累积损伤理论确定其寿命。也可以利用计算机Monte Carlo 模拟后, 求出应力分布参数值与标准差的估计后, 即可应用于干涉模型来求解可靠度。而这种方法的关键是确定关键危险部位。在实际运用条件下的关键危险部位大致分为3类:一类为静态控制点, 在这些点上实际的静态应力值很高, 由于车辆偏载等原因, 有可能超过标准的限定值; 另一类是动态控制点, 一般讲这些点的静态应力值并不高, 但是在运用条件下由于结构发生局部弹性振动变形, 因此在这些部位可能引发较大的动应力; 第三类控制点可以称之为结构控制点, 这些点主要是由于结构的几何特征和工艺特征所决定, 如结构上的主要承载焊缝部位和结构上几何形状比较复杂的部位等。上述控制点可以通过有限元强度分析、结构模态分析并结合运行线路的激扰状况以及转向架的结构型式特点和焊接方式加以确定。

由于可靠性的数据具有模糊性, 从现场收集的数据中, 有些数据可能是非量化的。对于这些数据的处理, 可以用层次分析进行模糊综合评判。从而对相应

车辆结构零部件的失效除了早期失效外, 绝大多数是由疲劳引起。这方面的数据除了在使用现场进行收集以外, 主要的方法是做台架试验。这种试验方法

刘刚(1955-) 男, 北京人, 硕士(收稿日期:2003-10-19)

第6期车辆结构系统可靠性的分析方法

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的可靠性数据作修正处理。具体的方法是以专业知识丰富, 有实践经验的专家根据现场经验来确定寿命。为了提高预测的精度, 可采用美国兰德公司的Dolphi 预测方法。这种方法是由组织者把车辆及其主要零部件寿命预测的目的及有关的背景资料分别寄给各位专家, 要求他们在规定的时间内根据他们的经验对寿命进行评估。再由组织者把各位专家的预测结果进行归纳整理, 并将归纳整理的结果再寄给各位专家, 要求在规定的时间内进行第二次预测, 再由组织者归纳整理, 如此反复多次, 专家的意见趋于一致。最后采用统计方法和综合评判方法对专家的意见进行处理, 得到最终的预测结果。尽管这种方法的预测精度不可能很高, 但是在未知寿命值的情况下, 也不失为一种简单、实用的好方法。3　可靠性计算模型的建立3. 1　零件可靠性计算的模型

对车辆结构零部件的可靠性计算, 可以由应力强度干涉理论来建立其数学模型。只要求得应力和强度的分布规律, 即可求得该模型的可靠度值。但是多数据情况下模型中的多重积分是非常繁琐而无法积分的。实际应用中最常用的一种分布组合是强度和应力均服从正态分布, 这时由干涉模型可推出其可靠度计算公式的简化形式为一个标准的正态分布。根据计算出的可靠性指标即可查得积分数值。对于非正态分布的情况, 可以用验算点法当量转化成正态分布。按照在验算点处分布函数值相等以及概率密度函数值相等的等效条件可以得出失效面上验算点的当量正态分布的均

＊

值μ' i 和标准差σi 其叠代计算的模型为

＊＊-1

μx ＊]σ' i =x i - [F i (i ) i -1σ=1/f (x i ＊) { [F i (x i ＊) ]}i '

合分析求出。多数情况下车辆整体结构的故障分布可以按照指数分布来考虑。

建立车辆结构系统可靠性分析模型时, 如果各零件的寿命与故障的修理时间均服从指数分布, 则对车辆结构可以建立一个马尔可夫的可维修系统模型。该模型的求解过程是首先建立马尔可夫状态转移方程, 找到由故障率λ和维修率μ组成的转移矩阵, 之后求解由状态转移方程对应的微分方程组, 可以解得系统可靠性的瞬时指标和稳态指标, 如可靠度、有效度, 首次故障平均时间、故障频率等。

如果不是指数分布, 则对车辆结构系统建立一个非马尔可夫可维修系统模型。该模型的求解过程是首先建立马尔可夫更新方程, 作拉普拉斯变换后, 找到半马尔可夫核和转移矩阵后, 建立起马尔可夫更新方程组, 即可求得系统可靠性指标的瞬时值与稳态值。4　车辆结构系统可靠性的分配4. 1　车辆结构系统的可靠性指标

该指标是进行可靠性分配的目标值, 它可以在实际数据统计值的基础上由前述的各种方法分析估算得出, 必要时可以采用德尔菲方法由有关专家综合评判给出, 这个指标可以是故障率, 也可以是可靠度。4. 2　确定零部件的重要度

对于车辆结构系统可靠度分配的一个重要环节是首先要确定出组成车辆结构系统各个主要部件的重要度, 即对系统可靠度贡献的大小。对于重要度比重较大的部件应该相应地分配给其更多的可靠度指标, 而对于那些重要度较低部件可以分配给其较低的可靠度指标, 甚至对于那些重要度更低的零部件可以在设计制造阶段专门降低其固有的可靠度来降低制造成本。

重要度的确定, 首先应收集有关的实际运行数据如零部件故障率λ、平均寿命MTBF 和MTTF 等基本可靠性维修性指标, 用FAT 和F ME CA 方法找出关键的部件, 同时还应考虑成本最优问题。4. 3　系统可靠性分配

系统可靠性分配的原则是越重要的零部件分配的可靠性能指标越高。越复杂的零部件分配的可靠性能指标相对低一些。由分配后的各单元来实现系统可靠度应大于给定系统可靠度的可靠性指标。考虑到系统各个部件寿命分布的多样性和复杂性, 以及经济成本问题, 可靠性分配可以采用花费最小的优化方法或动态规划方法进行。

　　由计算机叠代计算可求得等效转化后的可靠性指标, 从而求解出可靠度值。3. 2　车辆系统可靠度的计算模型

首先可以明确车辆系统是一个可维修系统, 要建立计算模型, 还应明确两方面的内容, 一是系统内各单元之间的构成关系, 二是系统的故障分布规律。对于前一个问题, 主要应从总成功解间的有机联系来界定。可以划分为串联系统、并联系统、储备系统或表决系统等。也可以按最保守的方法将其看成一个大的串联系统即可。对于第二个问题, 车辆结构的寿命分布取决于各个关键组成部件的失效分布规律。而各部

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＊

R 0, 若i ≤k 0

铁道机车车辆第23卷

R

＊

i

性更换费用C P 有关。

5. 2　建立故障诊断体系和可靠性质量管理体系

故障诊断的快捷、准确是提高车辆系统可靠性和有效度的得力措施。从可能性工程的角度来看, 故障诊断技术为零部件的失效模式、机理的判断提供了一个强有力的工具。对确定故障的分布类型规律十分重要。

由于车辆系统的复杂性, 使得车辆结构系统可靠性的保证是一个复杂的系统工程, 提高可靠性的重要措施之一应建立严格的可靠性管理体系, 从设计、制造、装配、检测到使用和维修各个阶段都应该建立起相应的可靠性指标控制体系6　结论与建议

(1) 车辆系统可靠性工程与铁路安全性一样是一项系统工程, 对保证铁路运输安全运行十分重要, 应大大加强车辆系统可靠性理论的研究。

(2) 进一步深入进行车辆系统主要零部件寿命确定方法的研究。车辆系统关键零部件的寿命预测采用多种方法是必要的。

(3) 统一划分我国车辆系统失效模式的类别和等级, 逐步建立车辆系统可靠性信息管理系统, 建立车辆系统可靠性数据库, 把车辆系统可靠性提高到一个新水平。参考文献

1　赵少汴, 王忠保. 抗疲劳设计—方法与数据[M ]. 北京:机械工业出版社, 1997.

2　王超. 机械可靠性工程[M ]. 北京:冶金工业出版社, 1992.

3　贺国芳. 可靠性数据的收集与分析[M ]. 北京:国防工业出版社, 1997(第3版).

4　刘维信. 机械可靠性设计[M ]. 北京:清华大学出版社, 1996.

5　郭永基. 可靠性工程原理[M ]. 北京:清华大学出版社, 2002.

R i , 若i >k 0

　　其中R ＊R i 为分i 为分配给各个单元的可靠度值; 配前各个单元的固有可靠度值; k 0为满足下式的最大j 值。

R j

s

n +1

＊

Π1R i

i =j +

]

1/j

, j =1, 2, 3…,n

　　上式中j =k 0时, 右边即为R ＊i 5　提高可靠性措施

5. 1　确定合理的维护保养周期和维修策略

车辆结构系统的维修保养周期应当于各个主要零部件的故障及其分布紧密相关, 最优保养周期T ＊的确定是应保证在相邻两次保养之间的整车系统的故障不高于某一水平, 这时T =β·MTBF 。在这里β是一个与结构部件故障分布规律、变异系数和可靠度置信水平有关的系数。更为积极的方法是把维护保养费用也考虑在内, 用技术经济的方法来优化选择一个最优化的保养周期, 这种维修策略有如下3种。

(1) 年龄更换策略

该策略的思想是部件达到周期T 时仍正常, 则对部件作预防性更换; 部件在T 时以前就出现故障, 则事后作更换。一次事故后更换费用为C f , 一次预防性更换的费用为C P , 优化的原则是选择最优化T 使单位时间的期望费用C 1(T ) 最小。

(2) 成批更换策略

该策略的思想是对各零部件在给定时刻作预防更换, 在给定时刻以前发生故障应作为后更换。考虑到最优的T ＊时刻, 应先知道各零部件以后更换期望次数的更新密度函数m (t ) 。

(3) 故障小修的周期更换策略

该策略为考虑结构零部件有突发性故障时作应急处理之用, 最优化T ＊与一次小修费用C m 和一次预防

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＊

Analysis Method of Vehicle Structure System Reliability

LI U G ang , LI U Xue -wen

1

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(1　School of Mechanical and Electric Control Engineering , Beijing Jiaotong University , Beijing 100044, China ;

2　Metal &Chemistr y Research Institute , China Academy of Railwa y Science , Beijing , 100081, China )

A bstract :The data processing method of vehicle structure system reliability was su mmarized in this paper . Different method and procedure for the es -tablish ment of reliability model were presented and the assignment method and ensuring meas ures of s ystem reliability were discussed . Keywords :vehicle , s ystem , reliability