一种基于改进费用函数的机械系统可靠性分配方法与流程

本发明属于机械工程与制造领域，具体涉及一种基于改进费用函数的机械系统可靠性分配方法。
背景技术：
：近年来，机械系统的制造工艺高速发展，结构越来越复杂化、多层级化。要制造出具有高的固有可靠性的机械系统，需要在机械系统的设计过程中，对机械系统的可靠性设计提出更高的要求。大量实践证明，产品的可靠性首先是设计出来的，产品在生产后拥有的是固有可靠性。可靠性设计的优劣对产品的固有可靠性产生重大的影响。机械系统的可靠性是在机械系统服役期间极为重要的一个指标，零部件在机械系统制造期间，最多只能保证设计中形成的产品潜在可靠性，而在使用和维修过程中，则尽量维持已获得的固有可靠性。由于复杂机械系统的各部件是按照设计预定的要求制造出来的，因此，在可靠性设计阶段，优化各部件可靠性对于提升机械系统服役安全有着重要意义。可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的基础上发展起来的一种全新的优化设计方法，它是将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起并运用最优化方法进行目标求解的一种设计方法。也就是说，它将可靠性要求作为追求的目标或者约束条件，运用最优化方法得到在概率意义下的子系统优化可靠性。机械系统的可靠性优化设计问题分为三类:一是将可靠性指标作为约束条件；二是将可靠性指标作为优化目标；三是对系统可靠性进行最优化分配。现有技术中，对机械系统的可靠性优化设计，通常仅考虑机械系统的可靠性需求，而忽略其他制约因素，如费用。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是，提供一种基于改进费用函数的机械系统可靠性分配方法、可靠性设计方法，将改进的费用函数引入机械系统的可靠性分配设计中，把最小费用作为优化目标，在可靠性和费用之间的关系进行平衡，进而达到系统在最小费用下完成目标可靠性，有效提升机械系统在可靠性设计阶段的可靠性，为后续的生产服役提供安全保障。为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于改进费用函数的机械系统可靠性分配方法，所述分配方法包括如下步骤：步骤s11，确定机械多层级系统各零部件的复杂度及可靠性；步骤s12，根据所确定的复杂度及可靠性建立机械多层级系统可靠性模型；步骤s13，确定系统目标可靠性；步骤s14，计算提升零部件可靠性的可行度因子；步骤s15，以系统的可靠性模型为基础，根据系统目标可靠性、各零部件可靠性和所述可行度因子，建立基于改进费用函数的非线性规划模型；步骤s16，对所述非线性规划模型进行求解；步骤s17，判断所述解是否达到局部最优解；若已达到，则进入步骤s18；若末达到，则转入步骤s16；步骤s18，以所求得的解为机械系统的零部件可靠性重分配值。进一步地，所述步骤s12中，所述建立机械多层级系统可靠性模型，进一步为，构建系统级—子系统级—零部件级模型。进一步地，所述步骤s14中，所述计算提升零部件可靠性的可行度因子，根据较复杂的系统分配较低的可靠性指标的可靠性分配原则进行。进一步地，所述步骤s17中，判断所述解是否达到局部最优解，进一步为：当目标费用达到当前非线性规划模型最小时，所述解为当前可靠性分配状态下的最优解。进一步地，所述步骤s15中，建立基于改进费用函数的非线性规划模型，进一步包括如下步骤：步骤s151，根据机械系统中各零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度、可维修性建立传统三参数费用函数；步骤s152，将所述提升零部件可靠性的可行度因子，引入到所述传统三参数费用函数中，对所述传统费用函数进行修正；步骤s153，根据所述可行度因子对所述传统费用函数的修正，建立改进费用函数；步骤s154，基于所述改进费用函数，引入约束条件，建立非线性规划模型。进一步地，所述步骤s154中的约束条件包括：各零部件的初始可靠性及系统目标可靠性。进一步地，所述步骤s14中，计算提升零部件可靠性的可行度因子，进一步为，通过式(1)进行计算：式(1)中，fi为提高单元可靠性的可行度因子，wi,ti,si,pi分别为第i个零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度和可维修性，且wi,ti,si,pi∈[1,10]。进一步地，所述改进的费用函数为：式(2)中，其中，ci(ri)是各零部件在可靠性性ri作用下的所需费用，ri是第i个零部件优化后的可靠性，ri,min为零部件当前可靠性，ri,max是零部件最高可靠性。进一步地，所述非线性规划模型为：式(3)中，c是系统在可靠性ri作用下的所需总费用；robj为系统目标可靠性，为系统可靠性模型的结构函数。根据本发明的另一个方面，还提供了一种针对齿轮传动系统的可靠性分配方法，所述分配方法包括如下步骤：步骤s201，确定齿轮传动系统中各零部件的复杂度和可靠性；步骤s202，根据所述各零部件的复杂度和可靠性建立齿轮传动系统的部件级-子系统级-系统级可靠性模型；步骤s203，根据齿轮传动系统零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度、可维修性，建立传统三参数费用函数；步骤s204，根据齿轮传动系统各零部件的复杂度，计算提升各零部件可靠性的可行度因子；步骤s205，将所述可行度因子引入所述传统三参数费用函数，建立改进的费用函数；步骤s206，以所述改进的费用函数为目标函数，以各零部件的初始可靠性及系统目标可靠性为约束条件，建立基于改进费用函数的非线性规划模型；步骤s207，采用拉格朗目乘子算法对所述非线性规划模型进行迭代求解，所求得的局部最优解为所述可靠性模型的可靠性重分配值。本发明上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，当部件的其他条件差别不大，在充分考虑部件复杂度的前提下，可维修性差别很大时，利用改进的费用函数可靠性优化分配方法可以有效的提升零部件在可靠性设计阶段的可靠性，为后续的生产服役提供安全保障。该方法可以有效在合理的技术条件及成本条件下，对高速列车齿轮传动系统中服役重要性较强且在服役期间更换成本较高的零部件的可靠性提升有重要的指导意义。附图说明为了更加清晰的阐述本发明的实施例和现有的技术方案，下面将本发明的技术方案说明附图做简单的介绍，显而易见的，在不付出创造性劳动的前提下，本领域普通技术人员可通过本附图获得其他的附图。图1为本发明实施例的基于改进费用函数的机械多层级系统可靠性分配方法流程图；图2为本发明实施例的建立机械多层级系统可靠性模型流程图；图3为本发明实施例的建立基于改进费用函数的非线性规划模型流程图；图4为本发明应用实例中高速列车齿轮箱体结构示意图；图5为本发明应用实例中高速列车齿轮传动系统三层级可靠性模型结构示意图。附图标记说明：401-小轴承座；402-小齿轮轴；403-通气装置；404-齿轮箱盖；405-接地装置；406-加油栓；407-油面计；408-排油栓；409-大轴承座；410-磁性油栓；411-安全托架；412-飞石保护板。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明针对现有技术中机械系统的可靠性设计中存在的问题，提供了一种基于改进费用函数机械系统可靠性分配方法、可靠性设计方法。机械系统设计阶段的可靠性分配与优化是一个多目标优化问题，本发明在具有可靠性约束的情况下，求出分配给每个部件的可靠性，以达到费用最小化的目的。其中，费用函数表示了可靠性及费用间的关系，这里的费用涵盖了提升部件可靠性所要付出的人力、财力、物力等，从而得到通过各部件费用与可靠性之间的统计数据建立的经验关系式。基于改进费用函数的可靠性优化分配方法是把最小费用作为优化目标，在可靠性和费用之间的关系进行平衡，进而达到系统在最小费用下完成目标可靠性，在费用和各零部件可靠性之间的函数关系，即为费用函数。在费用函数中，需要考虑的量包含系统零部件的重要度、复杂度、技术成熟度、标准化程度、可维修性这五个因素。根据机械多层级系统中各零部件系统的设计、使用情况，对以上五个因素进行赋分评定。在五个因素评定后，进行费用函数计算。所述可靠性分配方法，首先建立机械多层级系统可靠性设计模型，通过零部件的寿命数据或者寿命函数，通过可靠性计算公式，求得零部件的失效率及可靠性，在求得各零部件的可靠性后，将部件可靠性代入至可靠性模型中，然后对所建立的模型进行系统复杂度及可靠性确定，其次建立机械多层级系统的三参数费用函数非线性规划模型，即建立基于改进费用函数的可靠性分配模型，最后融合系统的重要度等多种参数及可靠性，根据系统的可靠性分配原则，进行非线性规划模型即可靠性分配模型的求解，计算在最小费用下的系统单元可靠性分配情况，从而提升机械系统在服役过程中的安全性。下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例本实施例提供了一种基于改进费用函数的机械系统可靠性分配方法。图1所示为本实施例所述可靠性分配方法的流程示意图。如图1所示，所述可靠性分配方法包括如下步骤：步骤s11，确定机械多层级系统各零部件的复杂度及可靠性。本步骤中的所述各零部件的复杂度和可靠性，可以理解为各部件的初始复杂度和可靠性。这里的零部件初始可靠性，在基于改进费用函数的非线性规划模型建立的过程中，作为模型建立的约束条件；这里的确零部件初始复杂度，还用于计算可靠性的可行度因子。步骤s12，根据所确定的复杂度及可靠性建立机械多层级系统可靠性模型。本步骤中的多层级系统可靠性模型，为三层级，包括：系统级、子系统级和零部件级。进一步地，系统中零部件i的可靠性为ri，则当所述系统为串联模式时，系统可靠性模型的结构函数为图2所示为建立机械多层级系统可靠性模型的流程示意图。如图2所示，所述建立机械多层级系统可靠性模型包括：确定零部件的失效函数及零部件间的失效相关模式；判断零部件间的是否失效相关：若相关，则建立失效相关可靠性模型；若部分相关，则建立失效部分相关可靠性模型；若不相关，即失效独立，则建立独立失效可靠性模型。如上所述的关于零部件级的相关计算过程，同样适用于子系统级及系统级。通过可靠性计算公式，求得零部件的失效率及可靠性。在求得各零部件的可靠性后，将零部件可靠性代入至可靠性模型中，通过建立基于改进费用函数的可靠性分配算法进行可靠性分配，在机械多层级系统可靠性设计阶段提供分配原则，能够明确得到系统部件级的可靠性及系统可靠性，通过机械多层级系统的可靠性模型，为后续的可靠性优化分配提供模型依据。优选地，所述失效率及可靠性，可通过零部件的寿命数据或者寿命函数进行计算。步骤s13，确定系统目标可靠性。本步骤中，系统目标可靠性为robj。本步骤中的系统目标可靠性，根据系统的具体情况进行具体确定或预设。步骤s14，计算提升零部件可靠性的可行度因子。本步骤中，所述计算提升零部件可靠性的可行度因子，根据可靠性分配原则进行，其原则为：较复杂的系统分配较低的可靠性指标。进一步地，所述计算提升零部件可靠性的可行度因子，进一步为，通过式(1)进行计算：式(1)中，fi为提高单元可靠性的可行度因子，wi,ti,si,pi分别为第i个零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度和可维修性，且wi,ti,si,pi∈[1,10]。这里需要说明的是，通常情况下，机械系统中各零部件涉及到的参数包括：重要度、技术成熟度、标准化程度、可维修性、复杂度、可靠性。由此可以看出，本步骤在机械多层级系统零部件的复杂度及初始可靠性确认中，重新标定提升零部件可靠性的可行度，通过可行度因子的计算，将可行度因子引入非线性规划模型的建立过程中，从而提升系统零部件的可靠性。零部件复杂度即该零部件影响系统失效的概率，利用第i个分系统第j个零部件失效引起的系统失效次数与第i个分系统失效总次数。系统复杂度即该系统中含有的系统零部件数量与系统总数量之比。通过引入系统的复杂度，对建立的可靠性分配的非线性规划模型进行改进重算，最终确立非线性规划模型。步骤s15，以系统的可靠性模型为基础，根据系统目标可靠性、各零部件可靠性和所述可行度因子，建立基于改进费用函数的非线性规划模型。图3所示为本实施例中建立非线性规划模型的流程示意图。如图3所示，进一步地，本步骤中所述建立基于改进费用函数的非线性规划模型，包括如下步骤：步骤s151，根据机械系统中各零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度、可维修性建立传统三参数费用函数。在实际情况中，三参数费用函数的建立，根据实际情况的需要选定所需的参数，并不局限于上述步骤中的举例。步骤s152，将所述提升零部件可靠性的可行度因子，引入到所述传统三参数费用函数中，对所述传统费用函数进行修正。这里的可行度因子，通常情况下根据复杂度进行计算。步骤s14中给出了这里的可行度因子的具体计算过程。步骤s153，根据所述可行度因子对所述传统费用函数的修正，建立改进费用函数。本步骤中，所述改进的费用函数为：式(2)中，其中，ci(ri)是各零部件在可靠性性ri作用下的所需费用，ri是第i个零部件优化后的可靠性，ri,min为零部件当前可靠性，ri,max是零部件最高可靠性。步骤s154，基于所述改进费用函数，引入约束条件，建立非线性规划模型。本步骤中，所述非线性规划模型为：式(3)中，c是系统在可靠性ri作用下的所需总费用；robj为系统目标可靠性，为系统可靠性模型的结构函数。步骤s16，对所述非线性规划模型进行求解。本步骤中，通过拉格朗日乘子算法，对所述非线性规划模型进行迭代求解。步骤s17，判断所述解是否达到局部最优解；若已达到，则进入步骤s18；若末达到，则转入步骤s16。进一步地，本步骤中，判断所述解是否达到局部最优解，为：当目标费用达到当前非线性规划模型最小时，所述解为当前可靠性分配状态下的最优解。步骤s18，以所求得的解为机械系统的零部件可靠性重分配值。由以上可以看出，基于改进费用函数的非线性模型，能够明确将提升系统可靠性的费用函数作为目标函数，当费用最小时，即达到模型所要求的目标，在满足目标的同时，也保证了系统可靠性及零部件可靠性的提升效果。在提升零部件可靠性设计的同时，也保证了提升可靠性所要付出的代价最小。下面通过一个具体的应用实例，对本发明所述基于改进费用函数的机械多层级系统可靠性分配方法进行详细说明。本应用实例以高速列车的齿轮传动系统为例，提供了一种针对齿轮传动系统的可靠性分配方法。对高速列车齿轮传动系统的齿轮级进行设计，所述设计方法包括：基于改进费用函数建设立非线性规划模型，对齿轮传动系统进行可靠性分配设计。如图4所示，通过齿轮箱体、轴承、齿轮、润滑油的零部件级的可靠性建模，考虑该四个部件是失效不相关的情况下，进行串联系统建模。进而建立基于三参数费用函数的非线性规划模型，进行可靠性分配求解。图4为本实施例中高速列车齿轮箱体结构示意图。如图4所示，本应用实例中的高速列车齿轮传动系统包括：小轴承座401，小齿轮轴402，通气装置403，齿轮箱盖404，接地装置405，加油栓406，油面计407，排油栓408，大轴承座409，磁性油栓410，安全托架411，飞石保护板412。本实施例的所述针对齿轮传动系统的可靠性优化分配方法，包括如下步骤：步骤s201，确定齿轮传动系统中各零部件的复杂度和可靠性。步骤s202，根据所述各零部件的复杂度和可靠性建立齿轮传动系统的部件级-子系统级-系统级可靠性模型。本步骤中，首先对高速列车齿轮传动系统的工作关系以及零部件间可靠性关系进行确定。在高速列车服役期间，齿轮箱作为其关键部件，其可靠性直接关系到整车服役状态。根据齿轮箱系统的实际结构，建立高速列车三层级系统的可靠性模型，即“齿轮传动系统—齿轮箱—零部件级”、“齿轮传动装置—牵引电机—零部件”。图5为本实施例中高速列车齿轮传动系统可靠性模型三层级结构示意图。如图5所示，所述“齿轮传动系统—齿轮箱—零部件级”可靠性模型中，所述零部件级中的零部件包括：箱体、轴承、齿轮、润滑油4个零部件。为了保证齿轮传动系统的正常运行，系统的任一部分失效都会导致整个系统失效。那么可以将子系统看作是串联的可靠性模型。通常假设系统的零件失效状态是相互独立的。其串联模式的系统可靠性模型的结构函数表达式如下：式中，rsys是系统正常工作的概率，ri是第i个零部件正常工作的概率。步骤s203，根据齿轮传动系统零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度、可维修性，建立传统三参数费用函数。其中，重要度由系统复杂度即该零部件影响系统失效的概率，利用第i个分系统第j个单元失效引起的系统失效次数与第i个分系统失效总次数。复杂度即该系统中含有的系统零部件数量与系统总数量之比。技术成熟度即是目前该零部件的生产是否达到国产化或部分国产化。标准化程度指的是该部件的目前标准制定与生产标准化制定。可维修性是指该零部件在服役过程中的可维修性。技术成熟度、标准化程度及可维修性由赋分法进行量化，根据产品使用说明书，进行1-10分的分级评分。表1crh6型高速列车齿轮传动系统复杂度及重要度分配表零部件数量复杂度重要度齿轮箱体10.1050.25轴承40.4210.25齿轮20.2110.25润滑油2.50.2630.25表2高速列车齿轮传动系统专家评分分配表由于各零部件在系统中失效均会导致齿轮传动系统的失效，因此对各零部件的重要度认为是极重要且均相等。步骤s204，根据齿轮传动系统各零部件的复杂度，计算提升各零部件可靠性的可行度因子。通过式(1)进行计算提升零部件可靠性的可行度因子：式(1)中，fi为提高单元可靠性的可行度因子，wi,ti,si,pi分别为第i个零部件的重要度、技术成熟度、标准化程度和可维修性，且wi,ti,si,pi∈[1,10]。步骤s205，将所述可行度因子引入所述传统三参数费用函数，建立改进的费用函数。所述改进的费用函数为：式(2)中，其中，ci(ri)是各零部件在可靠性性ri作用下的所需费用，ri是第i个零部件优化后的可靠性，ri,min为零部件当前可靠性，ri,max是零部件最高可靠性。步骤s206，以所述改进的费用函数为目标函数，以各零部件的初始可靠性及系统目标可靠性为约束条件，建立基于改进费用函数的非线性规划模型。本步骤中，采用费用函数约束优化方法，在考虑系统各零部件的可靠性处于串联模式的情况下，结合费用函数，建立系统的非线性规划模型。具体的，所述非线性规划模型为：式(3)中，c是系统在可靠性ri作用下的所需总费用。步骤s207，采用拉格朗日乘子算法对所述非线性规划模型进行迭代求解，所求得的局部最优解为所述可靠性模型的可靠性重分配值。本步骤中，利用拉格朗日算子以及k-t条件，对非线性模型进行转换，最终求得优化后的可靠性。最终求得的优化分配结果如下：齿轮箱体可靠性为0.95107，轴承可靠性为0.98654，齿轮可靠性为0.97691，润滑油为0.98186。由上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于改进费用函数的机械多层级系统可靠性分配方法，当部件的其他条件差别不大，在充分考虑部件复杂度的前提下，可维修性差别很大时，利用改进的费用函数可靠性优化分配方法可以有效的提升零部件在可靠性设计阶段的可靠性，为后续的生产服役提供安全保障。该方法可以有效在合理的技术条件及成本条件下，对高速列车齿轮传动系统中服役重要性较强且在服役期间更换成本较高的零部件的可靠性提升有重要的指导意义。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12