введение
Гидравлическая система имеет преимущества большой мощности, малых размеров, легкого веса, быстрого отклика, высокой точности и устойчивости к нагрузке. Часто он лежит в основе управления и передачи энергии во всех видах оборудования и систем. Гидравлическая система имеет высокую частоту отказов. Если вовремя не устранить неисправность, это повлияет на производительность, что приведет к большим экономическим потерям. Поэтому изучение его эффективных методов анализа надежности и диагностики неисправностей часто является ключом к совершенству в промышленных технологиях [1].
Метод анализа дерева отказов (FTA) заключается в установлении взаимосвязи между этими событиями на основе взаимосвязи между прямыми и косвенными причинами отказа и отказа системы, а также для определения причины отказа системы. Различные возможные комбинации для оценки частоты возникновения. системных событий и важность нижнего события аналитического метода.
В начале 1960-х годов Bell Labs впервые применила метод FTA для предсказания случайного отказа системы управления запуском ракет ополчения. С тех пор компания Boeing в США разработала компьютерную программу FTA для улучшения конструкции самолетов. В начале 1970-х годов Массачусетский технологический институт (MIT) провел анализ ядерной безопасности с использованием FTA и анализа дерева событий и пришел к выводу, что ядерная энергия является очень безопасным источником энергии. Публикация этого отчета вызвала большой резонанс в различных областях и способствовала продвижению метода анализа дерева отказов от аэрокосмической и ядерной энергетики до промышленных секторов электроники, химической промышленности и машиностроения [2].
В настоящее время метод FTA применяется во всех сферах народного хозяйства, играет важную роль в повышении надежности и безопасности системы и имеет широкие перспективы развития [3]. FTA стал одним из эффективных методов обеспечения надежности, прогнозирования и анализа безопасности, анализа неисправностей и диагностики гидравлической системы.
1 традиционный FTA
1.1 основные характеристики
Основываясь на булевой алгебре и теории вероятностей, FTA использует" события" для представления вероятностей неисправностей и" логических вентилей" для описания взаимосвязи между неисправностями компонентов. Событие - это описание состояния системы и ее компонентов. Обычно используемые логические ворота и И, ИЛИ, дверь для голосования, запрещенные двери и ворота XOR.
Метод FTA должен решить минимальный набор ограничений при качественном и количественном анализе. В соответствии с комбинацией логических вентилей в дереве отказов системы записывается структурная функция и вычисляется вероятность возникновения главного события путем несвязной обработки для дальнейшего вычисления важности каждого события.
Наборы разрезов (наборы дорог) представляют собой набор некоторых нижних событий в дереве отказов. Верхние события должны происходить (не происходить), когда эти нижние события происходят в одно и то же время (не происходят). Если набор разрезов (набор дорог), содержащийся в нижнем событии, произвольно удаляется из набора разрезов (набор дорог), такой набор разрезов (набор дорог) является минимальным набором разрезов (минимальным набором дорог).
Структурная функция - это логическая функция, которая представляет состояние системы. Если состояние верхнего события системы с использованием переменных состояния, структурная функция является концом функции переменных состояния события. В общем, когда дано дерево отказов, структурная функция может быть написана непосредственно в соответствии с деревом отказов. Однако выражение сложное и длинное. Следовательно, в реальных расчетах структурная функция выражается минимальным набором разрезов или минимальным набором путей.
1.2 FTA в гидравлической системе
Большинство гидравлических систем можно отнести к категории тандемных систем. Деревья отказов часто состоят из логических элементов ИЛИ. Возникновение одного события обычно приводит к первому событию [4]. Но настоящая система не может просто начинаться с повышения надежности каждого гидравлического компонента, что приведет к потере времени и ресурсов. Слабые звенья гидросистемы существенно влияют на надежность системы. Надежность системы зависит от того, правильно ли спрогнозированы расположение слабых звеньев и степень влияния. Метод FTA может помочь выявить режимы отказа системы и выявить слабые звенья системы. Качественный и количественный анализ и расчет вероятности отказа системы и других показателей надежности служат основой для улучшения и оценки надежности гидравлической системы [5].
Например, некоторые признаки неисправности и источники неисправности не соответствуют однозначному соответствию, часто с явлением смещения и перекрытия, и диагностика неисправности является более сложной. Метод FTA идентифицирует все режимы отказа главного события, ища причину главного события и комбинацию причин, которые могут помочь идентифицировать потенциальные неисправности в гидравлической системе, чтобы направлять диагностику неисправностей и улучшать дизайн и обслуживание решение [6].
Традиционный метод FTA имеет следующие недостатки: во-первых, при анализе надежности системы традиционный метод FTA учитывает, что деталь имеет только два состояния работы или отказа, и не может дать точную оценку надежности системы. Во-вторых, в традиционном методе FTA, основанном на булевой алгебре, необходимо точно знать взаимосвязь между вероятностью отказа детали и событием отказа, а значение вероятности детали требует большого количества статистических данных для получения вероятности. стоимость. Неопределенность окружающей среды и неточность данных будут влиять на вероятность появления деталей и рассматривать вероятность появления деталей как точное значение, что вносит большую ошибку в количественный расчет дерева неисправностей. Наконец, когда дерево отказов упрощается, существует большое количество непересекающихся процессов, вычисление очень велико, и иногда трудно получить минимальный набор разрезов дерева отказов.
2 Нечеткие FTA
Гидравлическая система представляет собой сложную нелинейную систему механической, электрической и гидравлической муфт. Формы отказов и механизмы отказов сложны и разнообразны. Точно определить причину отказа и степень отказа сложно [7]. Применение теории нечетких множеств к FTA гидравлической системы не только отражает нечеткость самой вероятности, но также позволяет присвоить вероятность с определенной степенью ошибки, но также могут быть определены сцена и экспериментальные данные с опытом инженеров и техников. в сочетании, вы можете лучше решить неоднозначность и неопределенность вероятности неисправности, уменьшить сложность получения точного значения вероятности неисправности и обладает большей гибкостью и адаптируемостью.
Нечеткий метод FTA скрывает вероятность появления основных событий в дереве отказов, принимает нечеткие числа для замены точных значений вероятности и по-прежнему использует логические элементы И и ИЛИ традиционного дерева отказов, но вводит нечеткий оператор вместо традиционная логическая операция, установка нечеткой вероятности возникновения главного события и его распределения функции принадлежности, а также количественный анализ путем вычисления степени нечеткой важности.
Нечеткие числа - это неопределенности, вызванные концептуальной нечеткостью или влиянием различных нечетких факторов. Нечеткие числа описывают значения вероятности и подчеркивают субъективную роль людей в соглашении о свободной торговле. Существует множество форм нечетких чисел, таких как треугольные нечеткие числа, трапециевидные нечеткие числа, нечеткие числа LR, нормальные нечеткие числа, интервальные нечеткие числа и языковые значения [8]. В инженерной практике гидросистемы при большом количестве статистических данных можно определить точную вероятность наступления донного события; при отсутствии статистических данных, в соответствии с реальной ситуацией с помощью различных нечетких чисел и языковых значений для представления и объединения экспертного опроса для оценки вероятности наступления окончания инцидента [9]. Чтобы облегчить FTA, различные формы вероятности наступления донного события должны быть нормализованы. Поскольку трапецеидальное нечеткое число представляет собой кусочно-линейную функцию принадлежности распределения, алгебраическая операция относительно проста. Преобразование других форм нечетких чисел в трапециевидные нечеткие числа интуитивно понятно и легко [10].
Процесс использования принципа расширения для определения функции принадлежности нечеткой вероятности верхнего события на самом деле является проблемой математического программирования, часто сталкивающейся с различными нечеткими операциями, такими как арифметика четырех нечетких чисел. Для сложных систем размерность структурной функции очень высока, оптимальное решение проблемы программирования обычно связано с математическими проблемами. Затем он будет выдавать нечеткие результаты расчетов, которые являются достоверными и достоверными, т.е. и различные типы вычисления нечеткого пересечения вероятностей функции принадлежности и так далее. По этой причине в [11] был принят метод, основанный на нечетком операторе свертки, который привел к постепенному исчезновению краевой принадлежности выходного нечеткого числа. Пренебрегая маловероятными элементами на краю, можно эффективно компенсировать расширение конечного набора ветвей, то есть" диффузность" сужается. Чтобы решить проблему связи различных типов нечетких вероятностей, Ref. [12] сначала использовали метод разделения степени принадлежности целевой области после целевой области, а затем взвешивали пересечение по расширенному принципу и нечеткое определение оператора. В [13] принята интервальная операция для каждого λ-обрезания нечетких чисел, эквивалентная расширенному принципу. Принимая разные значения λ, можно получить интервал вероятности отказа системы при разных уровнях достоверности.
Из-за традиционных логических вентилей вышеупомянутый нечеткий метод FTA все еще должен выяснить механизм сбоя и найти связь события. На практике механизм отказа и связь событий часто остаются неопределенными. Кроме того, разная степень отказа приведет к разным последствиям, традиционный нечеткий FTA не может описать влияние степени отказа на систему. Для решения этих проблем в литературе [14] была введена нечеткая модель TS в FTA, описана вероятность отказа компонентов как нечеткая вероятность, описана связь между событиями как вентиль TS, а степень отказа описана как нечеткое число, соответственно. в соответствии с «Возможностью тумана нечетко» и степенью отказа Рассчитайте нечеткую вероятность события более высокого уровня. В литературе [15] этот метод TS нечеткой FTA применялся к гидравлической системе и были получены хорошие результаты.
3 Анализ важности
Важность - важный показатель для количественного анализа дерева отказов. Его можно не только использовать для анализа надежности системы, но также можно использовать при проектировании оптимизации системы и системе управления для технического обслуживания и диагностики. Важность описывает вклад в главное событие в случае отказа компонента. В основном существует три типа важности традиционного дерева отказов: структурная важность, важность вероятности и критическая важность. Структурная важность определяется как доля ключевых векторов компонента&# 39 в общем количестве ключевых компонентов в остальных компонентах, отраженная в важности местоположения события в логической структуре дерева отказов, независимо от вероятность наступления основного события. Важность вероятности определяется как частная производная вероятности возникновения верхнего события к вероятности наступления нижнего события, которая отражает степень влияния каждого состояния нижнего события на состояние системы. Критическая важность определяется как отношение скорости изменения вероятности отказа детали к скорости изменения вероятности отказа главного события, вызванного им. Он также отражает влияние вероятности нижнего события на верхнее событие и ненадежность нижнего события.
Традиционный анализ важности дерева отказов основан на предположении о двух состояниях, но реальная система часто проявляется в виде множества режимов отказа и множества уровней отказов. Чтобы соответствовать требованиям надежности систем с несколькими состояниями, в литературе [16] важность традиционных компонентов системы с двумя состояниями расширяется до систем с несколькими состояниями и представлена система с несколькими состояниями, основанная на системном горизонтальном событии или событии состояния. Общее определение структурной важности и вероятности важности и метод ее расчета соответствуют важности компонентов системы с двумя состояниями.
Чтобы выявить влияние состояний компонентов на само состояние и отказ всей системы с несколькими состояниями, в литературе [17], основанной на предположении, что компоненты системы не могут быть отремонтированы, режимы отказов делятся на отказы состояний и отказы перехода состояний, Расширяя традиционный метод анализа степени важности вероятности и критической важности, важность делится поровну на государственную важность и важность передачи.
Чтобы отразить влияние критического состояния и некритического состояния всех компонентов на вероятность отказа всей системы, в Литературе [18] предложена концепция эквивалентной вероятности отказа и метод ее расчета с использованием метода вероятностной декомпозиции. проанализировать все существующие состояния компонентов и систем, используя метод цепей Маркова и теорию вероятностей, чтобы вычислить ожидаемое количество работы системы, а затем получить эквивалентную вероятность отказа.
Чтобы отразить взаимодействие двух компонентов в системе по надежности системы, в литературе [19] предложена концепция совместной важности, которая определяется как соотношение двух компонентов для повышения надежности системы. Важность совместной структуры отражает взаимосвязь между двумя компонентами, когда надежность недопустима. Важность совместной надежности отражает отношения между двумя компонентами, когда надежность действительна. Ссылка [20] расширяет совместную важность двух компонентов до нескольких компонентов и исследует понятие важности условной надежности, когда рабочее состояние компонента&# 39 известно.
Когда один элемент представляет другой режим отказа или недействителен, необходимо рассматривать все соответствующие донные события как комбинацию, чтобы определить важность элемента. Чтобы решить указанную выше проблему, дифференциальная важность предлагается как метод чувствительности первого порядка. Рассматривая взаимодействие между компонентами, в литературе [21] предлагается степень дифференциальной важности второго порядка с использованием совместной важности в качестве дополнительной информации второго порядка.
В [22] используются два метода важности, основанные на Фасселле-Весели, а именно важность компонента и важность сокращения, важность компонента используется для определения наиболее вероятного отказа компонента, а важность сокращения важности отражает то, что комбинация отказа компонентов может вызвать Симптомы сбоев системы: генерируется с учетом самих компонентов и их влияния на систему.
Прежде всего, важность определяется на уровне компонентов, поскольку дерево отказов является базовым уровнем события, а для уровня события двери основные события в различных событиях двери могут повторяться, что делает вероятность отказа каждого события определенной релевантностью. в литературе [23] важность дверного события определяется важностью основного события.
Традиционный метод анализа степени важности дерева отказов основан на вероятностной гипотезе, нечеткость и случайность часто существуют в практических системах, вероятностная гипотеза постепенно заменяется вероятностной гипотезой, и появляется метод нечеткого анализа степени важности. Например, с помощью определения традиционной концепции важности, то есть математического ожидания разницы между нечеткой вероятностью верхнего события и состоянием отказа нижнего события [24]. Разница между средним значением нечеткое событие и средний номер события верхнего события в нормальном состоянии [25]; метод расстояния Хэмминга, который представляет собой разницу между сходством фактического режима отказа и идеального режима отказа [26].
Основываясь на важности традиционного дерева отказов, в литературе [27] предложен алгоритм важности нечеткого дерева отказов TS и определена степень вероятности значимости TS, степень критической важности TS и степень нечеткой важности TS, а также проверена выполнимость этого алгоритма Sex. Этот метод можно рассматривать как простой и надежный, когда частота отказов не определена или неизвестна.
Оптимизация диагностики неисправностей на основе FTA
Знания, необходимые для диагностики гидравлической системы, в некоторой степени зависят от практического опыта специалистов в этой области. Поэтому метод диагностики неисправностей экспертной системы играет важную роль в гидравлической системе. Приобретение знаний признано" узким местом" проблема экспертной системы. Приобретение знаний осуществляется с помощью дерева отказов. Логическая взаимосвязь между каждой неисправностью ясна, а диагностические правила интуитивно понятны, что снижает сложность получения знаний экспертной системой. Верхнее событие в дереве отказов соответствует задаче, которую должна проанализировать и решить экспертная система. Конечный результат - это минимальный набор разрезов. Логическая взаимосвязь дерева отказов сверху вниз соответствует процессу рассуждений экспертной системы. Ветви соответствуют правилам в базе знаний, количество ветвей равно количеству правил, знания в базе знаний берутся из дерева ошибок.
Однако традиционное дерево отказов не способствует компьютерному хранению и поиску, особенно когда гидравлическая система более сложная, обычно используемое хранилище занимает больше места для хранения, процесс поиска сложен, диагноз не может быть быстро сделан, и не способствует обслуживанию системы. Структура хранения двоичного дерева и процесс поиска относительно прост, легко поддается компьютерному выражению и обработке, дерево отказов может быть преобразовано в двоичное дерево для решения вышеуказанных проблем.
