一種基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電作動(dòng)器可靠性分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)電作動(dòng)器故障檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電 作動(dòng)器可靠性分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了配合全電飛機(jī)的發(fā)展，飛機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)由功率液傳向功率電傳發(fā)展。機(jī)電作 動(dòng)器是功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的典型作動(dòng)器之一，它具有重量輕、易維護(hù)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。作 動(dòng)器是作動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由于機(jī)電作動(dòng)器是航空領(lǐng)域的一種新型作動(dòng)器，其故障診斷 方法和故障數(shù)據(jù)還較少，目前多用于輔助舵面的驅(qū)動(dòng)。因此，對(duì)機(jī)電作動(dòng)器展開可靠性分析 的研究將對(duì)其在飛控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用有重要意義。
[0003] 故障樹分析是一種快速靈活的可靠性分析方法，通過(guò)對(duì)對(duì)造成系統(tǒng)故障的各種因 素進(jìn)行分析構(gòu)建故障樹，從而確定系統(tǒng)的故障組合和故障發(fā)生概率，采取相應(yīng)的故障防范 措施，提供系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)故障樹僅有正常、失效兩種狀態(tài)，而實(shí)際系統(tǒng)常伴隨著與順 序相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性，由此動(dòng)態(tài)故障樹得到發(fā)展。常用的動(dòng)態(tài)故障樹的求解方法有基于 Markov模型的方法和基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法分析方法?；贛arkov模型的方法引入Markov 過(guò)程和Markov鏈，依賴狀態(tài)轉(zhuǎn)移來(lái)求解故障樹?；谪惾~斯網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)故障樹分析方法，利 用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理對(duì)故障樹進(jìn)行概率和重要度分析。這兩種方法都面臨計(jì)算量爆炸、適用 失效分布類型局限較多的缺點(diǎn)。在工程實(shí)際中，故障發(fā)生的概率存在著一定的不確定性，為 了反應(yīng)故障發(fā)生的不確定性對(duì)系統(tǒng)失效的影響，將模糊集引入了故障樹分析中，模糊故障 樹得到了一定的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電作動(dòng) 器可靠性分析方法，解決了現(xiàn)有機(jī)電作動(dòng)器故障樹分析方法中，存在適用性不強(qiáng)、計(jì)算量大 的技術(shù)問(wèn)題。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電作動(dòng)器可靠性分析方法，其特征在于步驟如下：
[0008] 步驟1:采用演繹推理法建立機(jī)電作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)故障樹：
[0009] 1、以機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)失效作為機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹的頂部事件，以機(jī)電作動(dòng)器 的三個(gè)主要部件電機(jī)、控制單元和機(jī)械減速裝置的失效作為第二級(jí)中間事件M1、M2和M3,以 每個(gè)主要部件里的各個(gè)子部件易發(fā)生的失效作為下一級(jí)事件，依次類推至元器件的失效作 為底事件；
[0010] 2、自底事件至頂事件，采用動(dòng)態(tài)邏輯門將各級(jí)事件進(jìn)行相連，得到機(jī)電作動(dòng)器的 動(dòng)態(tài)故障樹，其中繞組(X1、X2)和逆變器(X8、X9)有備件，使用冷備件門（CSP)相連;軸承彎 曲（X5)和軸承磨損(X6)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏心(X7)，使用功能觸發(fā)門（FDEP)連接;裂紋成核(X5)、 裂紋擴(kuò)展(X5)和齒折斷(X5)是程度依次加深的齒輪故障，使用順序相關(guān)門（SEQ)相連；
[0011] 步驟2:采用代數(shù)模型方法建立機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型，具體方法如 下：
[0012] 1、從故障樹的頂部由上至下，將邏輯門替換成代數(shù)算子，建立動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù) 模型： T = X2-{X\<i X2) + X3 X4 + (X5 + X6) + [X1 < (X5 + X6)] + X9 (,V8 <X9) + X\0+ X\3-{X\2<X\3)-(X\ \ ^X\2) '
[0014] 2、根據(jù)H)EP的代數(shù)化簡(jiǎn)規(guī)則，M13子樹可以化簡(jiǎn)為X5+X6+X7,得到機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài) 故障樹代數(shù)模型的規(guī)范形式： 7' - ^3 ? ^4 + A"5 + ^6 + A"7 + 10 + X2 -(X\ <d X2) +
[0015] ； X9-(X8<i^9)+ ..V13-(..V12 ^13)-(^11 <X\7)
[0016] 步驟3:利用公開資料中機(jī)電作動(dòng)器的歷史數(shù)據(jù)結(jié)合可靠性手冊(cè)中的可靠性數(shù)據(jù)， 利用3〇準(zhǔn)則確定底事件的模糊集可靠性數(shù)據(jù)，得到模糊動(dòng)態(tài)故障樹；
[0017] 步驟4:對(duì)機(jī)電作動(dòng)器的模糊動(dòng)態(tài)故障樹進(jìn)行定性分析，找到最小割序集，具體方 法如下：
[0018] 1、根據(jù)代數(shù)模型中的靜態(tài)邏輯門和動(dòng)態(tài)邏輯門算子，將動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型分 為動(dòng)態(tài)部分和靜態(tài)部分，如下式所不：
[0019] Ts = X3 ? X4+X5+X6+X7+X10
[0020] Td=X2-{X\ < X2) + X9-(XS <3 X9) + ,\13? (,\"12 <i ^13) (^11 <3 ^12)
[0021] 2、對(duì)于靜態(tài)部分，根據(jù)邏輯與門、邏輯或門采用下行法找到最小割集，最小割集的 集合是靜態(tài)子樹頂事件發(fā)生的各種可能的集合，為故障分析和預(yù)防提供依據(jù)；
[0022] 3、對(duì)于動(dòng)態(tài)部分，通過(guò)依次判斷割序集是否冗余來(lái)找到最小割序集，最小割序集 是考慮到底事件發(fā)生的順序關(guān)系的動(dòng)態(tài)子樹頂事件發(fā)生的各種可能的集合，為確定動(dòng)態(tài)系 統(tǒng)的失效模式提供依據(jù)；
[0023] 步驟5:對(duì)機(jī)電作動(dòng)器的模糊動(dòng)態(tài)故障樹進(jìn)行定量分析：
[0024] 1、根據(jù)代數(shù)模型中的靜態(tài)邏輯門和動(dòng)態(tài)邏輯門算子，將動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型分 為動(dòng)態(tài)部分和靜態(tài)部分，代入底事件的可靠性數(shù)據(jù)，分別計(jì)算動(dòng)態(tài)部分和靜態(tài)部分子樹頂 事件的失效概率，然后根據(jù)1-(1-Ts)(l-T D)計(jì)算得到機(jī)電作動(dòng)器的失效概率函數(shù);頂事件的 模糊失效概率函數(shù)可以反映出底事件的不確定性對(duì)頂事件的影響；
[0025] 2、計(jì)算底事件的模糊重要度
[0026] 式中1:表示底事件&發(fā)生，Oi表示底事件Xi沒(méi)有發(fā)生；
[0027] 3、根據(jù)模糊重要度尋找對(duì)頂事件影響程度最大的底事件，作為排查故障時(shí)優(yōu)先考 慮的底事件。
[0028] 有益效果
[0029]本發(fā)明提出的一種基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電作動(dòng)器可靠性分析方法，將模糊集 理論與動(dòng)態(tài)故障樹結(jié)合，用三角形模糊集來(lái)表示底事件的不確定性，可以衡量這種不確定 性對(duì)機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)的影響，更加符合工程實(shí)際，使用代數(shù)模型方法來(lái)求解動(dòng)態(tài)故障樹，通 用性和快速性得到了體現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比，機(jī)電作動(dòng)器的模糊動(dòng)態(tài)故障樹可靠性分析方 法是一種快速有效的符合機(jī)電作動(dòng)器失效機(jī)理的故障樹分析方法。
[0030] 本發(fā)明的有益效果在于:結(jié)合模糊集理論描述了機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)失效行為的隨機(jī) 性和不確定性，允許一定程度的誤差。用代數(shù)模型求解系統(tǒng)動(dòng)態(tài)部分的失效概率，具有一定 的通用性，適用多種失效分布類型，同時(shí)避免了 Markov方法求解高階微分方程組的復(fù)雜性。 將機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型分解為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分，緩解了整體求解的計(jì)算量大 的問(wèn)題。分析結(jié)果表明算法驗(yàn)證了算法的有效性和靈活性，為機(jī)電作動(dòng)器的提供了有效的 故障定位思路。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的分析流程圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明的機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明的機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹；
[0034]圖4為本發(fā)明的三角形模糊數(shù)示意圖；
[0035]圖5是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)函數(shù)規(guī)范化算法流程圖； 圖6典型的動(dòng)態(tài)邏輯門及其代數(shù)模型表達(dá)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0037] 本發(fā)明是基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電作動(dòng)器可靠性分析方法，其分析流程如附圖 1所示，包括動(dòng)態(tài)故障樹的建立、故障樹代數(shù)模型表達(dá)的獲取和化簡(jiǎn)、定性分析和定量分析， 最后確定機(jī)電作動(dòng)器的故障診斷策略。
[0038] 參照附圖2,機(jī)電作動(dòng)器由可雙向調(diào)速的伺服電機(jī)、控制單元和機(jī)械減速裝置組 成。采用轉(zhuǎn)換效率高、散熱好的可調(diào)速雙向無(wú)刷電機(jī)，外部電機(jī)控制單元通過(guò)相電流關(guān)系 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后由機(jī)械減速裝置將高速低轉(zhuǎn)矩的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)換成低速大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)動(dòng) 輸出到舵面。
[0039] 本發(fā)明的基于模糊動(dòng)態(tài)故障樹的機(jī)電作動(dòng)器可靠性分析方法，按照以下步驟實(shí) 施：
[0040] 步驟1:采用演繹推理法建立機(jī)電作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)故障樹。
[0041] 1、確定頂事件T為機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)失效，以機(jī)電作動(dòng)器的三個(gè)主要部件電機(jī)、控制 單元和機(jī)械減速裝置的失效作為第二級(jí)中間事件Ml、M2和M3，以每個(gè)主要部件里的各個(gè)子 部件易發(fā)生的失效作為下一級(jí)事件，依次類推至元器件的失效作為底事件，對(duì)各中間事件 和底事件進(jìn)行編碼，如表1所示。
[0042]表1:事件編號(hào)及描述
[0044] 2、根據(jù)機(jī)電器的工作原理和故障發(fā)生機(jī)理用相應(yīng)的動(dòng)態(tài)邏輯門將各級(jí)事件與頂 事件相連，自底事件至頂事件，采用動(dòng)態(tài)邏輯門將各級(jí)事件進(jìn)行相連，得到機(jī)電作動(dòng)器的動(dòng) 態(tài)故障樹。其中繞組(X1、X2)和逆變器(X8、X9)有備件，使用冷備件門（CSP)相連;軸承彎曲 (X5)和軸承磨損(X6)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏心(X7)，使用功能觸發(fā)門(FDEP)連接;裂紋成核(X5)、裂 紋擴(kuò)展(X5)和齒折斷(X5)是程度依次加深的齒輪故障，使用順序相關(guān)門（SEQ)相連，最終得 到機(jī)電作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)故障樹，如附圖3所示。
[0045] 步驟2:采用代數(shù)模型方法建立機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型。
[0046] 1、從故障樹的頂部由上及下，將邏輯門替換成代數(shù)算子，建立動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù) 豐旲型：
[0047] 動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型求解方法引入了一系列時(shí)序算子，時(shí)序算子*表示兩事件 同時(shí)發(fā)生，時(shí)序算子<3和^分別表示嚴(yán)格不包含的發(fā)生于之前和可包含的發(fā)生于之前。動(dòng)態(tài) 邏輯門主要包括優(yōu)先與門（PAND)、功能相關(guān)門(FDEP)、順序相關(guān)門（SEQ)和備件門（SP)這四 種。其中，功能相關(guān)門、冷備件門以及優(yōu)先與門的代數(shù)模型表達(dá)圖6所示，順序相關(guān)門可以看 成是冷備件門的一種特殊形式。
[0048]
[0049]
[0050] 由附圖3的機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹結(jié)合表3給出的動(dòng)態(tài)邏輯門的代數(shù)表達(dá)式，得到 機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)態(tài)故障樹的代數(shù)模型，如式(1)所示。 T = M1 + M2 + M3 = M11