一種液壓伺服作動器的可靠性評估方法與流程

2023-08-04 16:48:01

本發明涉及一種液壓伺服作動器的可靠性評估方法，其重點是基於不確定量化(即QMU)獲得設備可靠性置信係數，屬於可靠性評價領域。
背景技術：
：液壓伺服作動器是是一液壓執行機構，能把來自液壓源的液壓能轉換為機械能，也可根據需要通過產品自帶的位移傳感器或行程開關進行伺服控制，通過對負載施加可控的推、拉等作用力，實現對負載的速度、方向、位移、力的控制。因為其進行伺服控制的優越性，其已被廣泛應用於航空、船舶等行業。但是，國產液壓伺服作動器的可靠性與世界領先產品相比還有較大差距。目前，由於液壓伺服作動器其結構的複雜性、液體流動的非線性等因素，帶來許多不確定性問題，例如參數指標的不確定性、外部幹擾的不確定性、未知的建模錯誤等。在以往對其的可靠性評估中，其不確定性的問題往往被直接忽略，這就使得其評估結果的準確性降低。另外，以往對設備進行可靠性評估最終結果都是以小於1的概率值來表示設備的可靠度，評估過程複雜。通過對國內外現有液壓伺服作動器的可靠性評估的技術文獻檢索發現，還沒有基於QMU的可靠性評估方法。技術實現要素：本發明的目的在於：針對現有可靠性評估方法的不足，提供一種新的液壓伺服作動器的可靠性評估方法，它基於QMU方法，通過量化有關不確定參數值，進而計算獲得部件、系統可靠性的置信係數，以此對其進行可靠性評估。本發明是通過以下技術方案實現的：根據液壓伺服作動器功能以及失效模式，初步篩選出液壓伺服作動器的潛在特徵性能參數以及確定由性能指標要求表徵的最先失效判據；採用AMEsim建立液壓伺服作動器的功能模型，同時確定出重要部件；藉助功能模型對潛在特徵性能參數進行敏感性仿真，選出關鍵性能參數；通過功能模型的仿真，得出性能參數達到失效判據時各重要部件關鍵性能參數的閾值；確定各重要部件關鍵性能參數設計值在生產時的上下邊界不確定分布結果；基於QMU理論，計算出各重要部件的可靠性置信係數；最後，通過抽樣、仿真並基於QMU理論計算出液壓伺服作動器的可靠性置信係數。本發明是一種液壓伺服作動器的可靠性評估方法，其具體步驟如下：步驟一：根據液壓伺服作動器功能以及失效模式，初步篩選出液壓伺服作動器的潛在特徵性能參數；在液壓伺服作動器的多種失效機理中，磨損為主要退化機理，具體表現為滑閥的閥芯閥套間的粘著磨損，對影響滑閥性能的各種參數進行初步篩選，確定潛在特徵性能參數；步驟二：根據液壓伺服作動器功能以及失效模式，獲得液壓伺服作動器由性能指標表徵的最先失效判據；滑閥閥芯閥套磨損造成的退化時，某些性能參數也會退化，找出其中最先開始退化並低於性能要求的參數，將此性能參數α的指標要求定為最先失效判據Y；步驟三：建立液壓伺服作動器的功能模型；採用AMEsim(AMEsim是由法國IMAGINE公司設計的基於鍵合圖的液壓和機械系統的多學科領域的建模仿真及動力學分析平臺，在統一的平臺上，能夠實現多學科包括磁、電、熱、機械、液壓以及氣動等物理領域的系統建模和仿真模擬)來搭建液壓伺服作動器及其相關組件的物理功能模型，用於仿真液壓伺服作動器工作狀態下結構參數與性能之間的關係，其中具有滑閥結構並且滑閥磨損時對液壓伺服作動器性能影響較大的部件定為重要部件；步驟四：藉助液壓伺服作動器的功能模型仿真，對潛在的特徵性能參數進行敏感性仿真，將對性能影響最明顯的潛在特徵性能參數定為重要部件的關鍵性能參數；步驟五：通過功能模型的仿真，求出當性能參數α達到失效判據Y時各重要部件關鍵性能參數的值，即為各重要部件關鍵性能參數的閾值W；步驟六：確定重要部件的關鍵性能參數設計值在生產時的上下邊界不確定分布結果，取上下邊界不確定分布結果服從正態分布[N1(u1,σ12),N2(u2,σ22)]，其中N1(u1,σ12)為生產時重要部件的關鍵性能參數的上邊界正態分布，u1為其正態分布的均值，σ12為其正態分布的方差，N2(u2,σ22)為生產時重要部件的關鍵性能參數的下邊界正態分布，u2為其正態分布的均值，σ22為其正態分布的方差；步驟七：基於QMU(不確定量化)的理論方法，由步驟五所求得重要部件關鍵性能參數的閾值以及有步驟六確定的其生產時的不確定分布結果計算出各重要部件的可靠性置信係數，[CF1,CF2]；其中CF1為重要部件可靠性置信係數的下限，CF2為重要部件可靠性置信係數的上限；步驟八：對步驟六中確定的重要部件的關鍵性能參數設計值在生產時的上下邊界不確定分布結果分別進行蒙特卡洛抽樣，並分別帶入步驟三中的功能模型進行仿真，最後得到各重要部件關鍵性能參數設計值在生產時處於上下邊界情況下，相應的液壓伺服作動器性能參數α的上下邊界不確定分布結果，使用最小二乘法擬合得到的結果服從正態分布[N3(u3,σ32),N4(u4,σ42)]，進而基於QMU理論計算出液壓伺服作動器的可靠性置信係數[CF3,CF4]；其中CF3為液壓伺服作動器可靠性置信係數的下限，CF4為液壓伺服作動器可靠性置信係數的上限；N3(u3,σ32)、N4(u4,σ42)分別為液壓伺服作動器性能參數α在生產誤差兩種極端情況下的正態分布；u3、u4分別為液壓伺服作動器性能參數α在生產誤差兩種極端情況下的正態分布的均值；σ32、σ42分別為液壓伺服作動器性能參數α在生產誤差兩種極端情況下的正態分布的方差。所述步驟三中，應用AMEsim來搭建液壓伺服作動系統及其相關組件的物理功能模型的建模過程如下：(1)在草圖模式下，考慮各部件的功能,並將系統的實際模型按功能分成各個部分,再用模型庫中的實際元件加以表示；元件默認選擇最簡子模型(2)在參數模式下，對每個元件的子模型設置參數；(3)在運行模式下設定相應運行參數，完成仿真。所述步驟七中，計算出重要部件的可靠性置信係數的計算過程如下：對每一個重要部件，依次進行下列計算：其中M1＝(W-u1),U1＝σ12；其中M2＝(W-u2),U2＝σ22M1為生產時重要部件關鍵性能參數的上邊界的裕量；M2為生產時重要部件關鍵性能參數的下邊界的裕量；U1為生產時重要部件關鍵性能參數的上邊界的不確定性量值，U2為生產時重要部件關鍵性能參數的下邊界的不確定性量值；W為重要部件的關鍵性能參數的閾值。所述步驟八中，計算出系統的可靠性置信係數的計算過程如下：其中M3＝(Y-u3),U3＝σ32；其中M4＝(Y-u4),U4＝σ42CF3＝max(CF',CF」)；CF4＝min(CF',CF」)其中，CF'CF」分別為液壓伺服作動器可靠性置信係數的上下限的備選值；M3、M4分別為各重要部件關鍵性能參數設計值在生產時處於上下邊界情況下，相應的液壓伺服作動器性能參數α的上下邊界不確定分布結果的裕量；U3、U4分別為各重要部件關鍵性能參數設計值在生產時處於上下邊界情況下，相應的液壓伺服作動器性能參數α的上下邊界不確定分布結果的不確定量值；Y為由性能參數α的指標要求表示的最先失效判據。本發明與現有技術相比具有以下優點：(1)本發明可以較好的量化參數中的不確定性，提高評估結果的準確度。(2)本發明用置信係數來評估設備的可靠性，可在設備出廠時就進行，便捷有效。(3)液壓伺服作動器使用過程中，可以運用本發明持續對其可靠性進行評估，利於掌握其退化情況。附圖說明圖1是本發明方法流程框圖；圖2是本發明實施例的液壓伺服作動器模型圖；圖3a和圖3b分別是本發明實施例的各重要部件關鍵性能參數設計值在生產時處於上下邊界情況下，相應的液壓伺服作動器系統頻率響應的上下邊界不確定分布結果的正態分布曲線示意圖,圖中符號說明如下：1為電液伺服閥，2為轉換閥，3為溝通閥，4為選擇閥，5為阻尼閥，6為作動筒，7為平板閥，8為電磁閥，9為油路管道。具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。以下實施例是按照如圖1所示的流程進行實施的。實施例中液壓伺服作動器模型圖如圖2所示，它主要由電液伺服閥1、轉換閥2、溝通閥3、選擇閥4、阻尼閥5、作動筒6、平板閥7、電磁閥8以及眾多油路管道9組成。如圖1所示，本發明一種液壓伺服作動器的可靠性評估方法具體實現步驟如下：步驟一：根據液壓伺服作動器功能以及失效模式，可以發現在液壓伺服作動器的多種失效機理中，磨損為其主要退化機理，具體表現為滑閥的閥芯閥套間的粘著磨損。對影響滑閥性能的各種參數進行初步篩選，初步確定四個潛在特徵性能參數：閥芯直徑、閥套內徑、閥芯閥套間隙、閥芯閥套接觸長度。步驟二：一般情況下，液壓伺服作動器性能參數主要有：作動筒活塞最大輸出力，作動筒活塞最大位移量，作動筒活塞移動速率以及系統頻率響應。根據退化過程特徵，當內漏量不大時，經過一定時間的積累，系統頻率響應最先開始退化，也最先低於性能要求。因此在液壓伺服系統中，根據設計指標，把系統頻率響應的標準設計值3dB定為最先失效判據Y。步驟三：建立液壓伺服作動器的功能模型。選擇應用AMEsim來搭建液壓伺服作動系統及其相關組件的物理功能模型，其中滑閥磨損時對系統性能影響較大，選定伺服閥、轉換閥、溝通閥、選擇閥、阻尼閥、作動筒為重要部件。本實施例的液壓伺服作動器模型如圖2所示。其中建模過程如下：(1)在草圖模式下，考慮各重要部件的功能,並將系統的實際模型分為伺服閥、轉換閥、溝通閥、選擇閥、阻尼閥、作動筒，並將這些部件用模型庫中的實際元件加以表示；元件默認選擇最簡子模型(2)參照技術說明書，在參數模式下，對每個元件的子模型設置具體參數；(3)在運行模式下進行相應的運行、仿真。步驟四：藉助液壓伺服作動器的功能模型仿真，對潛在特徵性能參數，即閥芯直徑、閥套內徑、閥芯閥套間隙、閥芯閥套接觸長度進行敏感性分析，將四者設計值代入模型得到結果作為對比標準，再將初始值放大150％，200％，400％分別帶入功能模型進行計算。可以得到閥芯閥套間隙是敏感性最高的參數，因此文選取對液壓伺服作動器性能影響最大的閥芯閥套間隙作為重要部件的關鍵性能參數。步驟五：根據步驟二中的失效判據，當系統頻率響應等於3dB時，部件閥芯閥套間隙的值即為該部件閥芯閥套間隙的閾值。藉助功能模型仿真，得到系統頻率響應等於3dB時，各重要部件閥芯閥套間隙的閾值W，如下表1所示。表1各重要部件閥芯閥套間隙閾值步驟六：確定各重要部件閥芯閥套間隙設計值在生產時的上下邊界不確定分布結果。其中轉換閥、溝通閥、選擇閥和阻尼閥相同，同為[N1(0.00699,8.33×10-3),N2(0.007,8.33×10-3)]，電液伺服閥為[N1(0.000997,8.33×10-3),N2(0.001,8.33×10-3)]，作動筒為[N1(0.00998,8.33×10-3),N2(0.01,8.33×10-3)]。步驟七：由前面所求得的各重要部件閥芯閥套間隙閾值以及其設計值在生產時的不確定分布結果計算出各重要部件的可靠性置信係數,如下表2所示表2各重要部件的可靠性置信係數單元電液伺服閥轉換閥溝通法選擇閥阻尼閥作動筒置信係數[6.33,6.34][8.03,8.05][7.82,7.87][7.79,7.82][8.15,8.17][4.55,4.57]其計算過程如下：對於電液伺服閥剩餘重要部件的計算過程依次類推。步驟八：對各重要部件的閥芯閥套間隙設計值在生產時的上下邊界不確定分布結果分別進行蒙特卡洛抽樣，並帶入功能模型進行仿真，最後各重要部件關鍵性能參數設計值在生產時處於上下邊界情況下，相應的液壓伺服作動器性能參數α的上下邊界不確定分布結果，使用最小二乘法得到的結果服從正態分布，[N3(2.9796,0.0129),N4(2.9817,0.0128)]，如圖3a和3b所示。進而計算出液壓伺服作動器的可靠性置信係數，[1.4297,1.5814]。其計算過程如下：CF3＝1.4297，CF4＝1.5814本發明建立了基於QMU的液壓伺服作動器的可靠性評估方法。利用該方法，可以得到出廠時液壓伺服作動器的可靠性置信係數，此評估方法可以在設備使用期間持續進行，持續有效的對設備可靠性進行評估。本發明中引用字母的物理意義如下表說明：Y失效判據α表徵失效判據的性能參數W閾值U不確定量值u均值σ2方差CF置信係數總之，本發明建立了基於QMU的液壓伺服作動器的可靠性評估方法。利用該方法，可以得到出廠時液壓伺服作動器的可靠性置信係數，此評估方法可以在設備使用期間持續進行，持續有效的對設備可靠性進行評估。本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。提供以上實施例僅僅是為了描述本發明的目的，而並非要限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附權利要求限定。不脫離本發明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發明的範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp