一种机电产品无维修工作期分配方法组成比例

一种机电产品无维修工作期分配方法，它包括如下步骤：一：划分系统组成，确定系统顶层分配指标；二：确定各LRU的更换周期以及系统的大周期；三：确定各LRU的MFOPS水平的相关系数；四：确定各LRU在其更换周期内的过程退化参数；五：确定各LRU的MFOPS上限；六：用动态规划法进行系统级可靠性指标MFOP和MFOPS向LRU级组成单元分配；七，若初始设计的分配结果未能满足整机MFOP要求，则可通过缩短退化明显的LRU的更换周期的方法改进设计；本发明专利技术解决了考虑性能退化、故障预测和系统冗余等相关影响因素在内的机电产品可靠性分配问题，对工程实际中产品研制阶段的机电产品可靠性定量化过程具有实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种机电产品无维修工作期分配方法，它属于系统可靠性设计分析领域，注重于解决存在退化特征的机电产品可靠性分配问题，如辅助动力系统等。
技术介绍
机电产品是机械技术、电子技术、液压技术等相互交叉、有机结合的产物，具有性能参数退化的特性。在传统的基于概率统计的可靠性方法中，常采用平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures，MTBF)来评价系统的可靠性。然而，以MTBF为代表的传统可靠性参数应用于机电产品时，存在着较大缺陷：一方面存在退化现象的机电产品的故障率往往服从的是威布尔分布，MTBF并非是其寿命的良好估计；另一方面MTBF认为故障的发生是随机的，将导致较多的非计划维修，同时MTBF作为一个平均值，难以体现与任务时间的直接联系，无法直接反映出用户的可靠性要求。MFOP(Maintenance Free Operating Period)全称无维修工作期，由英国国防部于1996年引入，用以替代目前被广泛使用、但在工程实践中存在缺陷和不足的MTBF。MFOP指装备能够完成规定的任务且不需要任何维修活动的时间，MFOPS(Maintenance Free Operation Period Survivability)则是指产品能够成功度过MFOP中规定时长的概率。对于机电产品来说，MFOP一方面可以适用于故障率不服从指数分布的情况，它关注MFOP结束时间点的产品仍然可靠的概率，更符合对产品可靠性的需求；另一方面MFOP能够从设计角度出发，采取改进措施减少或消除非计划维修，因而具有更强的实用性。MFOP的定义表明，它是一个任务可靠性参数，因此MFOP的适用范围为与任务直接关联的系统级、分系统级以及现场可更换单元(Line Replaceable Unit，LRU)级的产品。MFOP的分配就是将使用方提出的，在产品研制任务书(或合同)中规定的系统级MFOP指标，自顶向底，由上到下，逐步分解，分配到LRU级产品，从而使各级设计人员明确LRU级产品的设计要求。在传统的可靠性分配方法中，评分分配法和比例组合法只适用于串联产品，对于带有冗余结构的产品则无法分配；可靠度的再分配方法仅适用于对已有的分配结果进行调整；考虑重要度和复杂度的分配法以及余度系统的比例组合法虽然能够用于对带有冗余结构的产品进行可靠性分配，但要求产品服从指数分布；且无论是上述哪种分配方法，都未将维修策略纳入考虑。可见对于MFOP指标的分配，传统的可靠性分配方法并不适用。因此，在考虑影响产品MFOP的可靠性相关因素的基础上，提出本专利技术方法，用于分配机电产品的MFOP指标。
技术实现思路
(1)目的：本专利技术的目的是提供一种机电产品无维修工作期分配方法，能够将系统级MFOP指标分配给LRU级的组成单元，从而解决存在退化特征的机电产品可靠性分配问题。(2)技术方案根据将MFOP从系统分配到LRU时所要考虑的相关因素，在分配前应首先划分系统结构，确定机电产品可靠性顶层指标，即无维修工作所要达到的时间(MFOP)和相应的置信度(MFOPS)；而在分配过程中，需要在进行类似于传统可靠性分配的静态分配过程的基础上，将产品的性能退化纳入考虑，实现动态分配；而各LRU的MFOPS上限则应作为分配过程中的约束条件。本专利技术一种机电产品无维修工作期分配方法，如图1所示，它包括如下步骤：步骤一：划分系统组成，确定系统顶层分配指标，包括无维修工作所要达到的时间(MFOP)和相应的置信度(MFOPS)；具体包括如下步骤：步骤1.1，根据系统构成将待分配的机电产品划分为系统级和LRU级，设系统总共由n个LRU组成，分别为记为LRU1，LRU2，…，LRUn；步骤1.2，分析订购方对该机电系统任务可靠性的要求，在基础上提出系统级可靠性指标：系统要达到的无维修工作时间MFOP及其置信度MFOPS；步骤二：确定各LRU的更换周期以及系统的大周期(Cycle of System,CoS)；具体包括如下步骤：步骤2.1，由于MFOP的定义中不允许非计划维修的发生，因此需事先根据LRU的设计寿命确定好各LRU的初始更换周期，即各LRU所要求的MFOP初始时长，分别记为n1,n2,L,nn；步骤2.2，在确定各LRU的初始更换周期后，可据此确定系统的大周期(CoS)，即各LRU的更换周期的最小公倍数，在该种维修策略下，系统每经过一个CoS，都将恰好恢复到全新状态；步骤三：确定各LRU的MFOPS水平的相关系数具体包括如下步骤：步骤3.1，根据各LRU的基本可靠性参数MTBF值计算该LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值(在产品研制阶段可靠性分配时LRU的MTBF值可根据相似产品、专家经验等方法判定)，分别记为MFOPS1(1)′，MFOPS2(1)′，…，MFOPSn(1)′；MFOPS的计算方法如下：根据MFOPS的定义，设系统运行期间共有m个MFOP，对于第i个MFOP，其MFOPS的计算公式为： M F O P S ( i ) = R ( i · t m f ) R ( ( i - 1 ) · t m f ) , i = 1 , 2 , L , m - - - ( 0 ) ]]>其中，R(·)为可靠度函数，tmf为系统MFOP值；对于指数分布，其可靠度函数为： R ( t ) = exp [ - t T B F ] - - - ( 2 ) ]]>其中，TBF为该LRU的基本可靠性参数MTBF(设已知)；把式(2)代入式(0)，可得指数分布下MFOPS的计算公式： M F O P S ( i ) = exp [ - t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机电产品无维修工作期分配方法，其特征在于：它包括如下步骤：步骤一：划分系统组成，确定系统顶层分配指标，包括无维修工作所要达到的时间即MFOP和相应的置信度即MFOPS；具体包括如下步骤：步骤1.1根据系统构成将待分配的机电产品划分为系统级和LRU级，设系统总共由n个LRU组成，分别为记为LRU1，LRU2，…，LRUn；步骤1.2分析订购方对该机电系统任务可靠性的要求，在基础上提出系统级可靠性指标：系统要达到的无维修工作时间MFOP及其置信度MFOPS；步骤二：确定各LRU的更换周期以及系统的大周期即Cycle of System,CoS；具体包括如下步骤：步骤2.1由于MFOP的定义中不允许非计划维修的发生，因此需事先根据LRU的设计寿命确定好各LRU的初始更换周期，即各LRU所要求的MFOP初始时长，分别记为n1,n2,L,nn；步骤2.2在确定各LRU的初始更换周期后，据此确定系统的大周期即CoS，即各LRU的更换周期的最小公倍数，在该种维修策略下，系统每经过一个CoS，都将恰好恢复到全新状态；步骤三：确定各LRU的MFOPS水平的相关系数具体包括如下步骤：步骤3.1根据各LRU的基本可靠性参数MTBF值计算该LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值，分别记为MFOPS1(1)′，MFOPS2(1)′，…，MFOPSn(1)′；步骤3.2选定LRU1作为参考基准，计算其余LRU相对于LRU1的相关系数；相关系数代表的是MFOPS对数值之间的比值关系，对于第j个LRU，在第一个MFOP内，其相对于LRU1的相关系数Ci1表示为：Ci1=ln(MFOPSj(1)′)ln(MFOPS1(1)′),j=1,2,L,n...(7)]]>式中，MFOPSj(1)′是第j个LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值，MFOPS1(1)′是第1个LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值；步骤四：确定各LRU在其更换周期内的过程退化参数即Degradation Process Parameter，DPP；DPP描述了机电产品所具有的退化特性，第i个MFOP的过程退化参数定义为MFOPS的对数值在第i个MFOP初与第1个MFOP初的比值；根据式(3)和式(6)，指数分布和威布尔分布的DPP计算公式分别如下所示：步骤五：确定各LRU的MFOPS上限根据现有的技术水平或相似产品等已有信息，得到各LRU最高可能达到的MFOPS水平上限；设某LRU相似产品的MTBF为TBFN，根据式(3)和式(6)该LRU的MFOPS上限MFOPSU的计算公式为：式中，tmf为系统MFOP值，γ为威布尔分布的形状参数；步骤六：用动态规划法进行系统级可靠性指标MFOP和MFOPS向LRU级组成单元分配；具体包括如下步骤：步骤6.1确定LRU1的对应于第1个整机MFOP的MFOPS1(1)和迭代步长；通常情况下对于新产品来说MFOPS1(1)是未知的，根据经验将MFOPS1(1)设为一个取值范围为(0,1)的值，记为a，即：MFOPS1(1)＝a,a∈(0,1)·········(10)式中，MFOPS1(1)为LRU1的对应于第1个整机MFOP的MFOPS；步骤6.2根据相关系数计算各LRU对应于第1个整机MFOP的MFOPS；第j个LRU对应于第1个整机MFOP的MFOPS的计算公式为：MFOPSj(1)=MFOPS1(1)C1j,j=1,2,L,n......(11)]]>式中，C1j为第j个LRU在第一个MFOP内相对于LRU1的相关系数；步骤6.3根据退化过程参数DPP计算各LRU各自更换周期中的MFOPS；对于第j个LRU，其MFOP时长为nj，其第p个整机MFOP的MFOPS计算公式如下：MFOPSj(p)＝MFOPSj(1)gDPP(j)p,j＝1,2,L,n,p＝1,2,L,nj·(12)式中，DPP为第j个LRU的退化过程参数；步骤6.4对含有故障预测能力的LRU的MFOPS进行修正；对于系统的故障预测能力，目前常采用故障预测成功率PFPS作为度量指标；假设在维修修复周期内预测到系统将要发生故障时，立刻采取更换的维修措施以提高MFOPS，推导出增加了故障预测能力后系统的可靠度修正值R'(i·tmf)计算公式如下：R′(i·tmf)=R(tmf)+[1-R(tmf)]·PFPS·R(tmf)(i=1)R′((i-1)·tmf)·[R((ki-1+1)·tmf)R(ki-1·tmf)+(1-R((ki-1+1)·tm...

【技术特征摘要】
1.一种机电产品无维修工作期分配方法，其特征在于：它包括如下步骤：步骤一：划分系统组成，确定系统顶层分配指标，包括无维修工作所要达到的时间即MFOP和相应的置信度即MFOPS；具体包括如下步骤：步骤1.1根据系统构成将待分配的机电产品划分为系统级和LRU级，设系统总共由n个LRU组成，分别为记为LRU1，LRU2，…，LRUn；步骤1.2分析订购方对该机电系统任务可靠性的要求，在基础上提出系统级可靠性指标：系统要达到的无维修工作时间MFOP及其置信度MFOPS；步骤二：确定各LRU的更换周期以及系统的大周期即Cycle of System,CoS；具体包括如下步骤：步骤2.1由于MFOP的定义中不允许非计划维修的发生，因此需事先根据LRU的设计寿命确定好各LRU的初始更换周期，即各LRU所要求的MFOP初始时长，分别记为n1,n2,L,nn；步骤2.2在确定各LRU的初始更换周期后，据此确定系统的大周期即CoS，即各LRU的更换周期的最小公倍数，在该种维修策略下，系统每经过一个CoS，都将恰好恢复到全新状态；步骤三：确定各LRU的MFOPS水平的相关系数具体包括如下步骤：步骤3.1根据各LRU的基本可靠性参数MTBF值计算该LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值，分别记为MFOPS1(1)′，MFOPS2(1)′，…，MFOPSn(1)′；步骤3.2选定LRU1作为参考基准，计算其余LRU相对于LRU1的相关系数；相关系数代表的是MFOPS对数值之间的比值关系，对于第j个LRU，在第一个MFOP内，其相对于LRU1的相关系数Ci1表示为： C i 1 = l n ( MFOPS j ( 1 ) ′ ) l n ( MFOPS 1 ( 1 ) ′ ) , j = 1 , 2 , L , n ... ( 7 ) ]]>式中，MFOPSj(1)′是第j个LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值，MFOPS1(1)′是第1个LRU的第一个MFOP对应的MFOPS值；步骤四：确定各LRU在其更换周期内的过程退化参数即Degradation Process Parameter，DPP；DPP描述了机电产品所具有的退化特性，第i个MFOP的过程退化参数定义为MFOPS的对数值在第i个MFOP初与第1个MFOP初的比值；根据式(3)和式(6)，指数分布和威布尔分布的DPP计算公式分别如下所示：步骤五：确定各LRU的MFOPS上限根据现有的技术水平或相似产品等已有信息，得到各LRU最高可能达到的MFOPS水平上限；设某LRU相似产品的MTBF为TBFN，根据式(3)和式(6)该LRU的MFOPS上限MFOPSU的计算公式为：式中，tmf为系统MFOP值，γ为威布尔分布的形状参数；步骤六：用动态规划法进行系统级可靠性指标MFOP和MFOPS向LRU级组成单元分配；具体包括如下步骤：步骤6.1确定LRU1的对应于第1个整机MFOP的MFOPS1(1)和迭代步长；通常情况下对于新产品来说MFOPS1(1)是未知的，根据经验将MFOPS1(1)设为一个取值范围为(0,1)的值，记为a，即：MFOPS1(1)＝a,a∈(0,1)·········(10)式中，MFOPS1(1)为LRU1的对应于第1个整机MFOP的MFOPS；步骤6.2根据相关系数计算各LRU对应于第1个整机MFOP的MFOPS；第j个LRU对应于第1个整机MFOP的MFOPS的计算公式为： MFOPS j ( 1 ) = MFOPS 1 ( 1 ) C 1 j , j = 1 , 2 , L , n ...... ( 11 ) ]]>式中，C1j为第j个LRU在第一个MFOP内相对于LRU1的相关系数；步骤6.3根据退化过程参数DPP计算各LRU各自更换周期中的MFOPS；对于第j个LRU，其MFOP时长为nj，其第p个整机MFOP的MFOPS计算公式如下：MFOPSj(p)＝MFOPSj(1)gDPP(j)p,j＝1,2,L,n,p＝1,2,L,nj·(12)式中，DPP为第j个LRU的退化过程参数；步骤6.4对含有故障预测能力的LRU的MFOPS进行修正；对于系统的故障预测能力，目前常采用故障预测成功率PFPS作为度量指标；假设在维修修复周期内预测到系统将要发生故障时，立刻采取更换的维修措施以提高MFOPS，推导出增加了故障预测能力后系统的可靠度修正值R'(i·tmf)计算公式如下： R ′ ( i · t m f ) = R ( t m f ) + [ 1 - R ( t m f ) ] · P F P S · R ( t m f ) ( i = 1 ) R ′ ( ( i - 1 ) · t m f ) · [ R ( ( k i - 1 + 1 ) · t m f ) R ( k i - 1 · t m f ) + ( 1 - R ( ( k i - 1 + 1 ) · t m f ) R ( k i - 1 · t m f ) ) · P F P S · R ( t m f ) ] ( i ≥ 2 ) - - - ( 13 ) ]]>其中，ki-1表示前(i-1)个MFOP中已工作周期数；由于实际的已工作周期数在分配时未知，因此将的期望作为估计值代替ki-1；对于所有i≥2，的近似表达式为： k i - 1 ‾ ≈ Σ l = 1 i - 1 [ l · R ( ( i - 1 - l ) · t m f ) · ( 1 - R ( ( i - l ) · t m f ) R ( ( i - 1 - l ) · t m f ) ) · P F P S · R ( l · t m f ) ] + ( i - 1 ) · R ( ( i - 1 ) · t m f ) R ′ ( ( i - 1 ) · t m f ) - - - ( 14 ) ]]>把式(14)代入式(13)取代ki-1，得： R ′ ( i · t m f ) = R ( t m f ) + [ 1 - R ( t m f ) ] · P F P S · R ( t m f ) ( i = 1 ) R ′ ( ( i - 1 ) · t m f ) · [ R ( ( k i - 1 ‾ + 1 ) · t m f ) R ( k i - 1 ‾ · t m f ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王增凯，曾声奎，郭健彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11