一种运动机构的可靠性演化分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及可靠性预测与评估技术领域，尤其设及一种运动机构可靠性演化分析 技术。
【背景技术】
[0002] 经典的可靠性定义为：产品在规定条件下、规定时间内，完成规定任务的能力。由 此可见，可靠性是一个与时间密切相关的概念，脱离"时间"研究可靠性是无法保证产品安 全的。尤其是对于运动机构，《NASASpaceMechanismsHan化ook》指出，运动机构服役过 程中，驱动力（矩）和阻力（矩）会受到诸多渐变损伤（包括磨损、疲劳、腐蚀、老化等）的 影响而逐渐发生变化，由此而导致的耗损性故障已经在运动机构故障中占据了支配性的地 位，是决定运动机构寿命可靠性的主要因素。另外，现代运动机构结构和功能原理复杂，影 响因素多，且影响因素与渐变损伤过程之间存在禪合关系，对运动机构可靠性演化规律存 在显著影响。因此，在运动机构可靠性演化分析过程中，必须考虑渐变损伤对运动机构功能 退化的影响，W及影响因素与渐变损伤过程之间的禪合关系。
[0003] 在可靠性分析方面，第201310751052. 8号中国专利介绍了一种挖掘机提升机构 的可靠性评估方法，该方法基于故障数据和贝叶斯方法，仅适用于已有实物试验数据的情 况。第201410219063. 6号中国专利提出了一种柔性机构动态可靠性分析方法，没有考虑渐 变损伤的累积和禪合特性。第201310128348. 4号中国专利基于宏观的性能退化数据来评 估裡离子电池可靠性随时间的演化规律，但没有从失效机理的层面研究性能退化对可靠性 演化规律的影响。论文《Stochasticapproachtokinematicreliabilityofopen-loop mechanismwithdimensionaltolerance》、《基于运动副磨损和原始误差影响的机构运动 可靠性分析》等考虑运动副磨损损伤，研究了机构运动功能可靠度随时间的演化规律。但所 考虑的影响因素较少，且对影响因素一概而论，不区分不同因素对机构可靠性的影响的区 另IJ，与机构实际使用情况存在较大差异。论文《考虑较链运动副间隙的机构运动可靠性分 析模型》将可靠性演化过程离散化，采用非时变可靠性方法计算机构在各个时刻的可靠度， W研究运动机构可靠性随使用时间的演化规律。实际上，运动机构在某一时刻的失效信息 由"过去"失效事件累积而成，且随着失效事件的发生，尚未失效的产品的整体性能必然发 生变化，因而不考虑某时刻之前的失效信息的累积，W非时变方法来处理可靠性演化问题 是不合适的。论文《基于多因素禪合的机构可靠性仿真试验方法研究》提出了一种运动机 构可靠性演化分析方法，但没有考虑机构渐变损伤过程与影响因素之间的禪合关系。
[0004] 综上所述，针对运动机构可靠性演化分析的问题，虽然国内外学者已经进行了广 泛而深入的研究，但现有方法尚存在如下不足之处：考虑因素较少、不考虑不同因素对运动 机构可靠性影响的区别、不考虑渐变损伤和失效事件的累积效应、不考虑影响因素与渐变 损伤之间的禪合效应和禪合机理等。因此，对于设及多部位、多类型渐变损伤的复杂运动机 构，现有方法无法如实反映运动机构功能可靠性随使用时间的演化规律。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术中存在的不能如实反映运动机构功能可靠性随使用时间的演化 规律的不足，本发明提出了一种运动机构的可靠性演化分析方法。
[0006] 本发明的具体过程是：
[0007] 步骤1:建立运动机构失效模式的功能函数：
[0008] 采用FMECA方法获取运动机构的主失效模式，设该失效模式的影响因素包含：L个 原始因素U，U=扣1，也……，化）；M个耗损性使用因素V，V=仍，V2,……，Vm) ;N个非耗 损性使用因素W，W= (Wi，W2,……，WJ。贝蜡立其参数化的功能函数，如式似所示。
[0009]G(u,V,w)似
[0010] 上式中，G为运动机构失效模式的功能函数。当G〉0时，运动机构处于安全状态； 当G《0时，运动机构处于失效状态。 W11] 步骤2 :抽取原始因素U的样本：
[0012] 根据原始因素U的联合概率密度函数，采用MonteCarlo法抽取原始因素U的J 组样本。设运动机构的设计可靠度为Rd，则仿真试验中需要的样本数量至少为J= 100/ (1-Rd)。
[0013] 抽取的原始因素U样本的表达式为：
[0014] (;)
[0015] 步骤3 :建立运动机构的可靠性仿真样本：
[0016] 将步骤2得到的原始因素U的样本分别代入得到的运动机构失效模式的功能函数 中，如式（4)所示。
[0017]
稱
[0018] 上式中，Uj变量为已知量，V和W为未知量，即此时运动机构失效模式的功能函数 G(U,，V，W)仅为V和W的函数。认为式（4)中的每个运动机构失效模式的功能函数即为运动 机构的一个可靠性仿真样本，相当于可靠性试验中的一个试件，由此得到运动机构的J个 可靠性仿真样本。此时的可靠性仿真样本相当于运动机构处于刚刚被制造出来，还没有经 过使用和耗损的状态。
[0019] 步骤4 :对j赋值为1。
[0020] 步骤5:对t赋值为0。
[0021] 步骤6 :抽取非耗损性使用因素W的一组样本：
[0022] 针对步骤3所建立的可靠性仿真样本中的第j个样本G,，非耗损性使用因素W在 第t个运动周期内的条件联合概率密度函数如式（5)所示。 阳023]
(5)
[0024] 使用上述联合概率密度函数抽取W的一组样本，如式（6)所示。 阳025]Wj,t=Wj,t=(W …，Wj't'N) (6)
[00%] 步骤7 :判断步骤3所建立的可靠性仿真样本中的第j个样本G,是否失效：
[0027] 若t= 0,则将第j个可靠性仿真样本Gj中的耗损性使用因素V赋值为0,然后将 步骤6所得到的Wtt和耗损性使用因素V的值代入到G,中，并判断G,是否处于失效状态：若 Gj〉0,Gj处于安全状态，则令t=t+1，然后返回到步骤6 ;若G0,Gi处于失效状态，则认 为G，的寿命终止，记录G,的寿命：T,= 0。所述的T,是第j个可靠性仿真样本G,的寿命。 判断j是否等于J，若j等于J，则已获得所有可靠性仿真样本的寿命T:灯1，T2,……，Tj)， 继续执行下面的步骤12 ;若j不等于J，则结束该循环，令j=j+1，返回到步骤5。 阳02引若t声0,则继续执行下面的步骤8。
[0029] 步骤8 :计算耗损性使用因素V在第t个耗损周期内的耗损量：
[0030] 通过公式（7)计算耗损性使用因素V在第t个耗损周期内的耗损量，
[0031]
(7)
[0032] 上式中，A为第j个可靠性仿真样本中的第m个耗损性使用因素在第t个耗 损周期中的耗损量，h' 为AV 与原始因素U和非耗损性使用因素W的函数关系。
[0033] 步骤9 :计算第j个样本中耗损性使用因素在第t个耗损周期结束后的累积耗损 量；
[0034] 通过公式（8)计算第j个可靠性仿真样本中的耗损性使用因素在第t个耗损周期 结束后的累积耗损量， ㈱引
满
[0036] 上式中，Vim,t为第j个可靠性仿真样本中第m个耗损性使用因素在第t个耗损周 期结束后的累积耗损量，Vtm, t 1为第j个可靠性仿真样本中第m个耗损性使用因素在第t-1 个耗损周期结束后的累积耗损量，若t-1 = 0,则表示运动机构处于原始状态，耗损量为0。
[0037] 步骤10:代入抽样结果w，,t和耗损性使用因素的计算结果V ,,t:
[00測将步骤6所得的抽样结果w,,t和耗损性使用因素的计算结果V,,t代入第j个可靠 性仿真样本Gj，如式（9)所示。 阳039] (9)
[0040] 步骤11 :判断第j个可靠性仿真样本Gj是否处于安全状态：
[0041] 判断第j个可靠性仿真样本G,是否处于安全状态时，若0 ,〉0,即运动机构处于安 全状态，则W当前时刻的耗损性使用因素的值v，,t计算非耗损性使用因素W在下一时刻的 分布参数：W=g(vt)，然后令t=t+1，返回到步骤6。若G,《0,即运动机构处于失效 状态，则认为G，寿命终止，记录G,的寿命：T,=t;然后判断j是否等于J，若j等于J，则已 获得所有可靠性仿真样本的寿命：灯1，T2,......，Tj)，继续执行下面的步骤12 ;若j不等于 J，则结束该循环，令j=j+1，返回到步骤5。
[0042] 步骤12 :对运动机构进行可靠性演化分析。
[0043] 随着使用时间t的增加，可靠性仿真样本的失效数量也在不断增加，则运动机构 在ti时刻的失效概率密度f(t1)如式（10)所示。