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第 4 3卷 第 4期 2 0 1 7年 4月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Au t oma t i on Vo 1 . 4 3 NO . 4 Apr .2 01 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 7 0 4 0 0 4 1 0 5 DO I 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 7 . 0 4 . 0 1 0 王敏 , 武兵 , 王娟. 考虑相关性的提升机制动系统可靠性分析[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 7 , 4 3 4 4 1 4 5 . 考虑相关性的提升机制动系统可靠性分析 王敏 , 武兵 , 王娟。 1 . 太原 理工 大学 机 械工程 学 院 ,山西 太原0 3 0 0 2 4 ; 2 . 合肥天鹅制冷科技有限公司 , 安徽 合肥2 3 0 0 0 0 摘要 以提 升机 制动 系统制 动 力不足 故 障作 为具体 研 究对 象 , 分析 了提 升 机 制动 系统 可 靠度 函数模 型 ; 通过相关性分析得 出制动力不足故障的故障链 , 结合独立故障率和相关系数计算 了考虑相关性的总故障率; 分析 了考虑相关性和不考虑相关性 2种情况下的制动力不足故障间隔时间分布, 线性拟合结果表 明, 考虑相 关性 的制 动 力不足故 障 间隔 时间分布 更符 合威 布 尔分 布模 型 。 实验 结果表 明 , 故 障 率理 论 值 与 实 际值 的误 差 范 围为 1 . 3 3 ~3 . 2 5 , 验证 了可 靠度 函数模 型 的正确 性 。 关键词 提升机 ; 制动 系统;可靠性;相关性 ; 故障率 ; 威布尔分布模型 中 图分 类号 T D5 3 4 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 3 2 8 1 7 2 1 网络出版地址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 7 0 3 2 8 . 1 7 2 1 . 0 1 0 . h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 - 1 0 2 7 ; 修 回日期 2 0 1 7 - 0 2 1 6 ; 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 山西省科技基础条件平台建设计划项 目 2 0 1 5 0 9 1 0 0 7 。 作者简介 王敏 1 9 9 O 一 , 男, 山西朔州人 , 硕士研究生 , 研究方向为机 电系统动态测试与故障诊断 , E ma i l 9 0 5 9 0 8 1 3 7 q q . t o m。 4结语 将 D AC S算法引入 B P神经 网络进行矿用通风 机的故障诊断 , 克服了单点式搜索算法的诸 多缺陷。 实例 分析 结果 表 明 , 由 D AC S算 法 优 化 后 的 B P神 经网络具有较快 的收敛速度和较高准确率 , 对矿用 通 风机 的故 障诊断 具有一 定 实用价 值 。 参考文献 [1 ] [2 ] [3 ] [ 4] [5 ] [6] [7] 汪义鹏 , 张树江 , 阚哲. 矿井 主要通风机远程安 全监测 方案[ J ] . 煤矿安全 , 2 0 1 6 , 4 7 8 1 0 1 1 0 2 . 李曼 , 李勇. 基于全 息谱 的矿 用通 风机故 障诊 断虚拟 仪器[ J ] . 煤炭科学技术 , 2 0 1 0 , 3 8 3 9 3 9 6 . 付华 , 尹丽娜 , 汪琦. 基 于小波和概率神经 网络 的煤矿 主通 风 机 故 障 诊 断 [ J ] . 电 机 与 控 制 应 用 , 2 0 0 8 , 3 5 3 2 1 - 2 4 . 江成玉 , 李春辉. 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W U Bi n g , W ANG J u a n 。 1 . Co l l e g e of M e c ha ni c a l Eng i ne e r i ng,Ta i yu a n U n i ve r s i t y of Te c hno l o gy,Ta i yu a n 0 3 0 02 4,Chi n a; 2. He f e i Swa n Re f r i ge r a t i o n Te c hn ol o gy Co. ,I t d. ,H e f e i 2 3 0 00 0,Chi n a Abs t r a c t Re l i a bi l i t y f u nc t i on mod e l of br a k i ng s y s t e m of ho i s t e r wa s a na l y z e d t a ki ng b r a ki n g f o r c e f a i l u r e a s s p e c i f i c s t u d y o b j e c t .Fa u l t c h a i n o f t h e b r a k i n g f o r c e f a i l u r e wa s o b t a i n e d b y c o r r e l a t i o n a na l ys i s,a nd t ot a l f a i l ur e r a t e c o ns i de r i ng r e l e v a n c e wa s c a l c ul a t e d c omb i n e d wi t h i n de p e n de nt f a i l u r e r a t e a n d c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t .Ti me i n t e r v a l d i s t r i b u t i o n s o f b r a k i n g f o r c e f a i l u r e i n t wo c a s e s o f c o n s i d e r i n g r e l e v a nc e a n d n ot c o ns i de r i ng r e l e v a nc e we r e an a l y z e d,a n d l i ne a r f i t t i n g r e s u l t s s h ow t h a t t h e t i m e i n t e r v a l di s t r i bu t i o n o f br a ki ng f o r c e f a i l ur e c on s i d e r i n g r e l e v a nc e i s mo r e c o ns i s t e nt wi t h W e i bu l l d i s t r i but i on m o d e 1 .Th e e xp e r i me nt a l r e s ul t s s ho w t ha t t he e r r o r r a nge o f t he o r e t i c a l a nd pr a c t i c a l v a l ue s o f f a i l ur e r a t e i s 1. 3 3 ~ 3. 2 5 ,whi c h v e r i f i e s c o r r e c t ne s s o f t he r e l i a b i l i t y f u nc t i o n mod e 1 . Ke y wo r d s h oi s t e r ;b r a ki n g s y s t e m ;r e l i a bi l i t y;c o r r e l a t i o n;f a i l u r e r a t e;W e i b ul l di s t r i bu t i o n m o d e l 0 引言 矿井 提 升机是 集 机械传 动 、 电气 系统 、 液 压 系统 及 润滑 系统 等为一 体 的复 杂机 械 。其 中制 动系统 是 提 升机 最后 也是 最关 键 的一道 安全 保 障 。 目前研 究 的提 升机 制 动 系统 相 关 故 障 ] 一般 只 限于 3种 共 因失效 、 连锁 失 效 和 负相 关 失 效 。其 中共 因失 效 和 连 锁失 效增 加 了子 系 统 的 实 际故 障率 , 而 负相 关 失 效 则 可起 到保 护子 系 统 的 作 用 , 降 低 了 系 统 的故 障 率 。通 过大 量 的数 据 统 计 分 析 发 现 , 机 械设 备 中存 在 另外 一种 相 关 故 障形 式 , 即 相互 干扰 故 障 。设 备 相 互 干扰 的影 响有 时 候 非 常 严 重 , 会 对 系 统 造 成不 可估 量 的破坏 。 制动 系统 主要 由液 压站 和盘 形 制动器 组 成 。为 了分析制动力不足故 障, 将 液压站从制动系统分离 出来 , 作 为一 个 单一 系统 进 行 研 究 。 由提 升 机 自身 运行 特 点可知 , 与制 动 系 统 发 生直 接 关 联 的有 液 压 站 和润 滑系统 , 研 究 其 对 制 动 系统 的影 响可 以更 精 确地 建 立可靠 度 函数模 型 , 分析 故 障发 生规 律 , 从 而 指导检修人员有针对性地检修 。 本 文从 相关 性角 度 出发 , 分析 制动 系统 、 液 压站 及 润滑 系统 的相 关 作 用 , 以提 升 机 制 动 系统 制 动 力 不足故障作为具体研究对象 , 分析其故障链 、 故障率 及 故 障间 隔时 间分 布 , 得 出故 障 累 积 分 布 函数 和可 靠 度 函数 , 并通 过 实验 验 证 了可 靠 度 函 数模 型 的正 确 性 。 1 检 修标 准确 定 确定 检修 标 准可 为可 靠度 函数 模型 的推 导提 供 数 据 支撑 。决 策树 归纳算 法 的关键 思想 是 应用 信息 增 益 的方 法来 帮助 确定 生成 每个 节点 时应 采用 的合 适 属 性 2 。按 照决 策 树 归 纳算 法 思 想 , 结 合 某 煤 矿 KS J预警 系统【 。 的 监测 数据 , 对产 生 的 决策 树 规 则 进行 归纳 , 并 确定 以下 标准 。 制动系统检修标准 闸瓦间隙超过 0 . 5 mm, 视 为故 障 。 液 压站 检修 标准 制 动油压 大 于 2 . 6 MP a , 视 为 故 障 。 润 滑系统 检 修标 准 润 滑 油压 大 于 0 . 1 6 MP a , 相应 的轴瓦及 滚 筒 温度 范 围超 过 3 3 . 7 ~4 1 . 5 6℃ , 视 为故 障 。 2提 升机 制动 系统 可靠 性分 析 2 . 1 可 靠度 函数模 型 故 障累 积分 布 函数 F £ 与 故 障率 h t 之 间 的 关 系 为 F ㈤一 1 一 e x p 一 ㈤d f 1 可靠度函数 R £ 为 R e x p 一 』 d 2 假设子系统的综合故障率与独立故障率之间的 关 系为 h £ 一 [ I f , h f , £ ] 3 式 中 h £ , h 分别 为子 系 统 i 的综 合 故 障率 和 独立故障率 ; 为关 系函数 ; h 为对子系统 i 产 生相 关 干 扰 的系 统 的故 障 率 ; t为 时 间 ; i , 1 , 2, ⋯ 。 2 0 1 7年第 4期 王敏等 考虑相关性的提升机制动 系统可靠性分析 4 3 将 式 3 作 黍 勒 展 开 后 整 理 司得 乩 ∽ 1 0 [ O h jl 。 l hA _a 2 3 h j i a 归 o ”’ 2 a h , 。 h ji ∽ ... ] ∽ 4 令 式 4 方括 号 中的部 分为 o s , 即 一 舞 。 O z aoi 。h ki㈤ 麓『hjit 0h i ㈤ ... ㈤ 式中 为相关系数 , 表示 系统 对 系统 i的作用 程度 ; , k , 一1 , 2 , ⋯ 。 对式 4 处 理后 可得 £ 一 I £ Eo h £ 6 ’ 由上述分析可推导出故障累积分布函数和可靠 度 函数嘲 1 一 e x p 一 J £ d f 7 R 一e x p 一I ht I £ / r 、 J 0 2 . 2故 障链 分析 Eo h £ d t 8 j i 根据 决策 试验 和 评 价 实验 室 D e c i s i o n Ma k i n g Tr i a l a n d E v a l u a t i o n L a b o r a t o r y,DEMATEL 方法 将故障系统之间的联 系归为 5类 ① 单 向相关 , 作 用方向为单向。② 双向相关 , 即作用方向为双向。 ③ 单个系统同时对多个系统有影响。④ 多个系统 同时对单个系统有影响。⑤ 多系统复杂相关 。 以提 升机 制动 系统 制动 力不 足作 为具体 故 障研 究 对象 , 其故 障链如 图 1所示 。其 中 A 表示 制 动 系 统 , B表示 液压 站 , C表示 闸 瓦 间 隙 , D表 示 润 滑 系 统 _ 6 ] 。闸瓦 间隙 C 可 表 征 制 动 系统 故 障 , 因此 , 将 其作 为相 关性 连接 桥梁 。 图 1 提升机制动系统制动力不足故障链 对 2 a内 KS J系统 采 集 的 数 据 进 行 每 E l 取 均 值 、 剔除不合理数据等处理 , 共得到 2 0 0组 检修记 录。其中 A, B, D单元检修数分别为 8 8 , 2 8 , 8 4 , 则 3个 单元 的检修 率分 别为 0 . 4 4 , 0 . 1 4 , 0 . 4 2 。 对 2 a内正 常运 行 的记 录以 2 4 h为单 位进 行分 组[ 7 ] , 即 1 d的 数 据 为 1组 , 总 监 测 数 据 为 2 3 6 5 7 3 0组 , 则总的检修故障率为而2 0 0 一O .27 3 9 7。 A, B , D的独立故障率分别为 hI A 一 0 . 4 4 0 . 27 3 9 70 . 1 20 5 5 h I B 一 0 .1 4 0 .2 7 3 9 7 0 . 03 8 3 5 6 hI D 一 0 . 4 2 0 . 27 3 970 . 11 5 07 采 用检 修统 计 的方法 求取提 升 机制动 系统 及直 接相关 系 统 的 相 关 系 数 l 9 。统 计 可得 , 制 动 油 压 过大 时 ≥ 2 . 6 MP a , 闸 瓦 间 隙超 过 0 . 5 mm 的数 据有 3例 , 表 示 为 B C 3 , 同 理 可 得 D C l 3 , D -- B 4 。 相 关 系 数 为 0 B C 一 熹 , ‰ 1 3 , 0 。 一 刍 , 则 有[ 1 1 1 2 ] 』 B 一 I H 。 B 9 【 h A 一 h I c O s c h B c £ D c D c £ 式 中 h 为液 压站 总故 障率 ; h 为 液压 站 独立 故障率 ; h 。 £ 为润滑系统故 障对液压站影 响的故 障率 ; h 为制动力不足总故障率 ; h 为制动系 统独立 故 障率 ; h B c , D c 分 别 为 液 压 站 、 润 滑 系统 影 响制 动系统 产生 的故 障率 ] 。 将相关系数及各单元的独立故 障率代人式 9 可得 h B 一 0 . 0 3 8 3 5 6 0 . 1 1 5 0 7 0 . 0 4 3 8 3 6 4 h A 一 0 1 2 0 5 5 0 0 3 8 3 5 6 丽1 ,3 O. 1 1 5 0 7 0. 1 4 2 4 7 2 . 3 制 动 力不足 故障 间隔 时 间分 布 通过故障数据的散点图和累积故障函数的散点 图来 判 断制 动 力不 足 故 障 间 隔 时 间 分 布 模 型 。将 7 3 0 d平均分为 N组 , 组数 由式 1 O [ 】 确定 。 N 一 1 3 . 31 g 1 0 式中 为 2 a内发生的制动力不足故障数。 若不 考虑 相关 性 , 则 一 8 8 ; 若 考 虑 相 关 性 , 则 一 1 0 4 。根据 式 1 0 计算 后 , 对结 果 取 整 得 2种 情 况下 的 N 值 均 为 8 。 不考 虑相 关性 和考 虑相 关性 2种情 况下 制 动力 不 足故 障 的分 组统 计数 据见 表 1和表 2 。 发生 制动 力不 足故 障 的概率 密度 观察值 为 厂 一 1 1 7 “1 x t i 式 中 为 每 组 故 障 数 ; A t 为 组 间距 , 由 于 检 修 频 率为1次/ d , 所 以取 △ 为 1 。 4 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 表 1 不 考虑相关 性时的故障分组统计数据 表 2 考虑相关性时 的故障分组统计 数据 以时 间中值 为口 。 横 坐 标 , -厂 为纵 坐 标 绘 制不 考 虑相 关性 和 考虑相 关性 2 种 情 况下 制动 力不 足故 障的概 率 密度 曲线 , 如 图 2所 示 。 O 25 O. 2O 蓄0 .1 5 篓0 .1 0 0 05 瑚 槲 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 时间/ d a 不 考 虑 相 关 性 b 考虑相关性 图 2 制动力不足故 障概率 密度 曲线 当考 虑其 他 系统 对 制 动 系统 的 影 响 时 , 概 率 密 度 曲线 随着 间隔 时间 的延长 呈下 降趋 势 。而作 为 概 率密度函数的积分 函数 , 经验分布 函数 曲线呈外 凸 形态 , 且 没有 拐点 , 所 以初 步判定 提 升机 制动力 不 足 故障间隔时间服从威布尔分 布。假设故 障从 t 一0 时 刻就 开始 , 则 为两参 数威 布 尔分 布 。根 据 式 7 进 行 推导 可得 威布 尔分 布模 型 的故 障累积 分 布 函数 为 广 / 、卢1 F £ 一 1 一e x p l 一 l , t ≥ 0 1 2 L \ “, 一 对 式 1 2 进 行取 对数 变换 得 广 , 1 、 ln 1 In 1 一 fl ln fl ln a 1 3 式 中 口为形 状参 数 ; a为 尺度 参数 。 广 / 1 、 ] 令Y n 1 in 南 l, In £ , B 一 』9 , A 一 -- J l n a , 则式 1 3 可 变 换 为 YA B x。将 表 1与 表 2的数 据分 别按 照上 述 变 换 规 则 进 行 变换 , 并 在 Ma t l a b中拟合 , 可 得到 不考 虑相 关 性 和 考虑 相 关 性 2种情 况 下 的 威 布 尔 概 率 图 纸 We i b u l l P l o t t i n g P a p e r , WP P , 如 图 3所 示 。WP P主 要 用 于 判 断 所 建模 型 与威 布尔 分 布模 型 的拟 合 情 况 , 数 据 拟 合 线 越接 近 直线 , 拟合 效果 越 好 。 a 不 考 虑 相 关 性 X b 考虑相关性 图 3 威布 尔概 率图纸 从 图 3可 以看 出 , 考 虑 相 关 性 的线 性 拟合 性 更 好 , 更 符合威 布 尔分 布 的特点 。 应 用 Ma t l a b线 性拟 合 可得 加 % ∞ 0 O 0 0 0 0 O 0 0 0 2 0 1 7年第 4期 王敏等 考虑相关性的提升机制动 系统可靠性分析 4 5 fJ9 1 . 1 7 2 9 ,口 一 2 8 8 . 0 6 9 1 1 . O 85 1, 口 , 35 3 .o 81 9 一 唧[ 一 “ ] 一p[ 一 丽 ⋯] p[ 一 ” ] l [ 一 丽 ⋯ ] 一 。 一 ⋯ 式中 , 分别为不考虑相关性 和考虑相关性 的形 状参数 ; a , a 分别为不考虑相关性和考 虑相关性 的 尺度参数; F , F 分别为不考虑相关性和考虑 相 关性 的故 障 累积分 布 函数 ; R £ , R £ 分别 为 不 考虑相关性和考虑相关性的可靠度函数 ; , t 分别为不考虑相关性和考虑相关性的故障率函数。 上 述 函数模 型可定 量 呈现提 升机 制动 力不 足这 一 故障的分布特点 , 研究故 障分布特点可作 为参考 来指导提升机的检修 , 甚至为故障预警m 提供理论 依 据 。 3 实验 验证 对提 升 机 制 动 系 统 实 验 平 台进 行 监 测 , 运 用 L a b VI E W 设计采集 界 面, 采集 闸瓦 间 隙、 制 动油 压、 润 滑 油 压 等 数 据 , 并 分 别 将 数 值 0 .5 mm, 2 . 6 MP a , 0 . 1 6 MP a 作 为预 警值 。在 同样 的工 作条 件及时间下, A, B, D三个单元的检修数分别为 7 8 , 2 4 , 8 8 , 经统计计算可知 , 故障率与所建理论模型故 障率的误差范围为 1 . 3 3 9 / 6 ~3 . 2 5 9 / 5 , 验证 了所建模 型 的正确 性 。 4 结语 对 提升机 制 动系统及 对其 有直 接影 响 的液压 站 和润滑系统进行深入分析 , 建立了制动 系统可靠度 函数模型。应用故障链的作用方向建立起相关系数 模型, 并采用检修统计的方式计算 出相关 系数 。分 析得出 , 提升机制动力不足故障间隔分布基本符合 威布 尔分 布模 型 , 考 虑 相 关 性 的 WP P线 性 拟 合 效 果 比不考 虑 相 关 性 的 WP P线 性 拟 合 效 果更 好 , 因 此 , 可将 考虑 相关 性 的 可靠 度 函数 和 故 障 率 函数 作 为提升机工况检修时的参考 。 参 考文献 [1 ] 张英 芝 , 吴 茂 坤 , 申桂 香 , 等. 基 于 D E MAT E L / I S M 的组合 机 床 故 障相 关 性 分 析 E J ] . 工业 工 程 , 2 0 1 4 , 1 7 3 9 2 - 9 6 . 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