复杂机电系统可靠性预测的若干理论与方法_郭建英_孙永全_于春雨_苑会娟_苏子美

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前言
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复 杂 机 电 系 统 (Complex electromechanical system)一词，见于中南大学钟掘院士、西安交通大 学屈梁生院士等学者的多篇论文，如文献[1-2]等。 一般把结构复杂，集机、电、液和控制于一体的大 型动力装备称为复杂机电系统，包括发电机组、电 力机车、航空航天器、高速轧机、核动力装备及各 类成套装备等，都是典型的复杂的机电系统。
Some Theory and Method for Complex Electromechanical System Reliability Prediction
GUO Jianying SUN Yongquan YU Chunyu YUAN Huijuan SU Zimei
(Institute of Sensor and Reliability Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080)
150080) (哈尔滨理工大学传感器与可靠性工程研究所 哈尔滨
摘要：复杂系统可靠性综合、可靠性增长、可靠性预测已成为可靠性工程的三个重要研究方向，如何从方案论证、初设计、 研制、试运行、投产的全过程，科学评估和预测复杂机电系统可靠性是工程实践中亟待解决的瓶颈问题。立足事前分析、事 中分析、事后分析三个层面，探讨单元为不同分布时的系统可靠性综合及预测、试运行阶段系统可靠性增长分析、系统可靠 性增长预测、系统可用性评定等命题中的若干理论与方法。针对具体工程背景，提出解决问题的新思路，并进行实例验证， 为系统研究大型复杂机电系统可靠性提供理论依据和技术支持。 关键词：复杂机电系统；可靠性预测；系统可靠性综合；可靠性增长预测；可用性 中图分类号：TP212
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第 50 卷第 14 期期
的数据信息对系统可靠性做出概率估计的方法，适 用于方案论证和初设计阶段的事前可靠性分析。系 统可靠性综合已由简单的“单元-系统”扩展到“基 础器件-部件-整机-子系统-系统-复杂系统”的多级 模式(即“金字塔模型”)。在理论研究方面，美国和 前苏联做了大量研究工作。 自 BUEHLER 给出了二项 单元并联或串联系统的可靠性置信限之后，许多学 [3] 者相继开展研究。WEIYER 提出了最大可能性方 法(LP 方法)，给出了系统可靠性的一致最小方差估 [4] 计。CHANG 等 分析了指数单元并串联系统、冗 [5] 余系统的可靠度 Bayes 限。METLER 等 讨论了 SPENCER 复杂系统可靠度 Bayes 估计的算法问题。 [6] 等 给出了二项串联系统的经典近似限。文献 [7] 研究了复杂系统早期可靠性多级模型；文献[8]探讨 了无故障数据下的复杂系统可靠性综合问题；文献 [9] 给出了利用故障和时变故障率对复杂系统可靠 性做预测的方法。而且应用研究也备受关注，如文 [13] 献[10-12]给出了应用实例。ANDERSON 等 基于 多类数据源研究了复杂系统可靠性的建模方法。我 国的周源泉、翁朝曦也对系统可靠性综合进行了 归纳性的研究，其研究成果的总结可见文献[14]。 [15] 于丹等 结合工程背景在复杂系统可靠性综合评 估、贮存可靠性综合评估、可靠性综合验证方案设 计、不完全数据情形下统计分析方法等方面取得一 些有价值的研究成果。但单元为不同分布时的系 统可靠性综合及系统寿命分布推断等一直是个难点 问题。 可靠性增长技术一直是可靠性工程中非常活 跃的研究方向， 通过 “试验-暴露故障-纠正-再试验” 的循环过程，可以有效地排除缺陷和故障隐患，在 保证和提高产品可靠性方面发挥了重要作用。 DUANE 等学者率先提出了著名的 Duane 模型和陆 军 装 备系 统 分 析 中心 模 型 (Army materiel system analysis activity，AMSAA)， 为开展可靠性增长分析 1978 年后美国又相继提出了可靠性增 奠定了基础。 长 试 验 和 可 靠 性 增 长 管 理 等 标 准 ， 如 IES Environmental Reliability Project Group 发 表 的 MIL-HDBK-189, Reliability growth management，给 出了 17 个可靠性增长模型， 先用在军品， 后推广到 民品。继而，国际电工委员会也制定了如 IEC 1164, Reliability growth-statistical test and estimation methods(1995)等标准； 采纳了 Duane 和 AMSAA 模 [16] 型为主的多个可靠性增长模型。2004 年 GROW 针对 APM 模型不能解决延缓纠正的可靠性增长预 测问题，提出了扩展的 AMSAA 模型，探讨了含延 缓纠正的可靠性增长预测问题。2005 年 ELLNER
第 50 卷第 14 期 2014 年 7 月
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学 报
Vol.50 Jul.
No.14 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.14.001
复杂机电系统可靠性预测的若干理论与方法*
郭建英 孙永全 于春雨 苑会娟 苏子美
* 国家高技术研究发展计划(863 计划，2009AA04Z407)、质检总局公益 性行业科研专项 (201210279) 和国土资源部公益性行业科研专项 (Sino Probe-09-01-6)资助项目。20140115 收到初稿，20140509 收到修改稿
作为复杂机电系统在国民经济发展和科学进 步中担负着至关重要的作用，其自身的可靠性及安 全性问题恰是制约我国从“制造大国”迈向“制造 强国”的瓶颈。复杂机电系统可靠性及维修性研究 也是国际学术界和工程界极其关注也倍感困惑的难 题。 面临的主要问题如下： ① 复杂系统的可靠性和 维修性数据匮乏，属于典型的小样本，数值解析困 难； ② 作为复杂机电系统一般需要现场组装和试运 行， 可靠性增长试验难以在出厂前实施； ③ 复杂机 电系统运行中虽然有较详实的现场记录，但如何挖 掘出有价值的信息和数据需要做深入研究。 复 杂 系 统 可 靠 性 综 合 (Complex system reliability synthesis, CSRS)是充分利用各组成单元
月 2014 年 7 月
郭建英等：复杂机电系统可靠性预测的若干理论与方法
Abstract：Complex systems reliability synthesis, reliability growth and reliability prediction have become three important research directions in reliability engineering, and how to evaluate and predict complex electromechanical system reliability is a bottleneck problem, which is proposed according to engineering practice, during the whole process of project approachment, initial design, development, pilot run, and manufacture stage. Some theory and method for system reliability synthesis with different unit distributions, system reliability growth analysis during pilot run, system reliability growth prediction, and system availability assessment are discussed, based on pre-analysis, middle-analysis, and postmortem analysis. New idea is proposed for the problem according to specific engineering background, and instance validation is given. Research provides theoretical basis and technical support for large-scale complex electromechanical systems reliability study. Key words：complex electromechanical system；reliability prediction；system reliability synthesis；reliability growth prediction； availability
等 利用 Stein 因子重新描述各失效模式引起的失 效率，建立了基于 Stein 因子的连续型系统可靠性 增长预测模型，即 APM-Stein 模型。2008 年美国国 防部要求可靠性增长要尽可能模仿系统实际运行的 [18] 任务剖面，2010 年 GROW 又提出了连续扩展的 [19] AMSAA 模型。 BRIAN 等 深入研究了离散系统含 延缓纠正的可靠性增长问题，在学术界产生了很大 [20] BRIAN 等 根据故障信息记录， 影响。 动态统计单 稳态系统故障概率的变化规律，进行了可靠性跟踪 [21] 预测，并讨论了预测精度。JIANG 给出了复杂可 [22] 修系统可靠性建模的非参数方法；SRIVASTAVA 讨论了系统在开发阶段的可靠性增长及预测问题。 在国内，可靠性增长技术也受到了学界的关注，如 文献 [23] 研究了阿伦尼斯 (Arrhenius) 加速可靠性增 长分析方法，给出了不同应力下设备可靠度的置信 下限。文献[24]有针对性地研究了可靠性增长和预 测问题，结合产品推进了工程应用；文献[25]利用 历次阶段的可靠性增长试验数据，建立了动态参数 的递推估计模型。文献 [26] 针对多台同步增长的 AMSAA 模型，给出了可靠性增长的瞬时平均无故 障间隔时间 MTBF(t)和瞬时故障强度 λ(t)的极大似 然估计，没有给出概率区间估计。系统可靠性增长 预测是拓展可靠性增长技术的新的方向，深入研究 其理论和方法具有形成新的领地和分支的可能。 可靠性预测目前形成了两个方向：一个是基于 失效物理的寿命预测，例如由微观裂纹扩展过程预 测结构件的寿命等， 这方面的研究主要是针对材料、 基础件、典型结构件等，因受各种应力作用而产生 耗损、疲劳、蠕变、衰变、磨损而导致失效的变化 过程，并延伸到寿命预测；另一个是基于统计学的 可靠性预测，已成为可靠性统计一个别开生面的重 要研究方向与补充。可靠性统计预测常分为单样预 测和双样预测，已知寿命分布的情况下，单样预测 是根据当前样本预测未来观测值。而双样预测是根 据当前样本预测同分布的 m 个未来样本的第 j 个统 计量，当 j =1 时，其预测子的下限恰是同型产品的 最小寿命下限，可视为保险期。对于可靠性增长试 验来说，其单样预测是根据已发生故障的累积时间 来预测未来第 k 次故障的累积时间。而双样预测是 根据当前样本预测同一随机过程下一个故障到来的 时间，其最小寿命下限也适用于质量保证工程。首 先开展这方面研究的是美国的 MANN 等学者。 NERSON 曾著书专题讨论过可靠性预测理论及发 [27] 展趋势。1983 年 GROW 提出了延缓修正的可靠 性增长预测模型。可靠性统计预测一直偏于理论研 [28] 究，用于解决工程问题的文献相对较少。PAN 利