制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析與維修保障策略研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代化制造系統(tǒng)日益朝著大型化、自動(dòng)化、柔性化、高效化和精密化方向發(fā)展,其組成設(shè)備單元的種類(lèi)與數(shù)量迅速增加,結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜,再加上復(fù)雜多變的使用工況與運(yùn)行環(huán)境,使其發(fā)生故障的幾率也會(huì)明顯增加,因此如何保證制造系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性已成為用戶(hù)制造企業(yè)面臨的重大問(wèn)題?，F(xiàn)代化制造系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中多樣化的需求、動(dòng)態(tài)不確定的制造環(huán)境以及異常復(fù)雜的內(nèi)在退化機(jī)理使得傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)可靠性研究方法過(guò)于局限和單薄。針對(duì)現(xiàn)有研究工作中存在的不足之處,本文以制造系

2、統(tǒng)服役階段由各種廣義外在環(huán)境隨機(jī)事件與各組成設(shè)備內(nèi)在退化機(jī)理引起的性能狀態(tài)退化為切入點(diǎn),將脆性理論和多狀態(tài)系統(tǒng)理論引入制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析與維修保障策略的研究中,研究了制造系統(tǒng)脆性效應(yīng)的累積與傳播機(jī)理,建立起基于“R-E”體系的制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析技術(shù)框架與性能狀態(tài)演變的預(yù)測(cè)模型,提出了考慮脆性效應(yīng)的改進(jìn)區(qū)間通用生成函數(shù)可靠性評(píng)估方法,在此基礎(chǔ)上分析并制訂了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)維修策略以保障制造系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,并從維修相關(guān)性的角度以服役階段效

3、益產(chǎn)出最大為目標(biāo)對(duì)該維修策略進(jìn)行優(yōu)化。本文提出的理論方法體系從微觀和宏觀兩個(gè)方面對(duì)制造系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)估,從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)制造系統(tǒng)維修策略進(jìn)行分析,在一定程度上克服了傳統(tǒng)制造系統(tǒng)可靠性分析方法與維修策略在用戶(hù)實(shí)際應(yīng)用中的困難與缺陷,并為制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析與維修策略制訂提供了一條新的思路。本文具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)介紹了制造系統(tǒng)及其運(yùn)行可靠性的相關(guān)理論知識(shí),論述了制造系統(tǒng)可靠性與維修策略的發(fā)展歷程及國(guó)

4、內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,說(shuō)明了本論文的課題來(lái)源、主要研究?jī)?nèi)容及總體結(jié)構(gòu)。針對(duì)制造系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障源多、制造任務(wù)多變、狀態(tài)多變等特點(diǎn),論文將多狀態(tài)可靠性理論、復(fù)雜系統(tǒng)脆性理論以及“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)工程學(xué)引入制造系統(tǒng)服役階段的運(yùn)行過(guò)程中,探討了制造系統(tǒng)多態(tài)性的形成機(jī)理,描述了制造系統(tǒng)故障演化與傳遞機(jī)理,分析了制造系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的廣義外在環(huán)境,并提出了基于“R-E”體系的制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析技術(shù)框架,為制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的評(píng)估與維修保障策略

5、的制訂提供了理論支撐。
　　(2)研究了廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)脆性效應(yīng)的累積與傳播模型。首先引入因素空間理論來(lái)描述廣義外在環(huán)境中動(dòng)態(tài)因素的物理脆性激發(fā)作用,構(gòu)建了制造系統(tǒng)脆性效應(yīng)與各動(dòng)態(tài)外在因素之間的映射模型。然后引入脆性度指標(biāo)來(lái)量化脆性激發(fā)因素直接與間接對(duì)制造系統(tǒng)性能狀態(tài)退化程度的綜合影響,并系統(tǒng)分析了脆性激發(fā)因素風(fēng)險(xiǎn)度與耦合度的計(jì)算流程。最后根據(jù)制造系統(tǒng)物理脆性的激發(fā)與過(guò)程脆性的激發(fā)兩類(lèi)脆性激發(fā)機(jī)制建立起制造系統(tǒng)設(shè)備單元層與制

6、造系統(tǒng)層的脆性效應(yīng)傳播模型,并采用改進(jìn)蟻群算法去搜尋給定制造任務(wù)下的制造系統(tǒng)最大脆性激發(fā)路徑,為制造系統(tǒng)具體故障演化與傳遞機(jī)理的分析提供了一種新的思路。
　　(3)研究了基于脆性效應(yīng)的制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)估方法。首先引入狀態(tài)空間模型,描述了脆性激發(fā)因素作用下制造系統(tǒng)的狀態(tài)演變過(guò)程,建立起制造系統(tǒng)性能狀態(tài)演變的預(yù)測(cè)模型。然后提出一種考慮脆性效應(yīng)的改進(jìn)通用生成函數(shù)法對(duì)制造系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上借鑒區(qū)間分析理論以及仿射算術(shù)的

7、思想對(duì)改進(jìn)通用生成函數(shù)法進(jìn)行區(qū)間擴(kuò)展,對(duì)制造系統(tǒng)區(qū)間運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)估,不僅體現(xiàn)了不同制造任務(wù)下制造系統(tǒng)異質(zhì)性與動(dòng)態(tài)不確定性的存在,同時(shí)也使得運(yùn)行可靠性評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。
　　(4)研究了廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)維修保障策略的選擇算法。首先對(duì)制造系統(tǒng)維修保障及維修策略的基本知識(shí)進(jìn)行了概述。其次針對(duì)廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)及其設(shè)備單元存在的異質(zhì)性以及動(dòng)態(tài)不確定性,給出了制造系統(tǒng)的主要維修決策屬性,并歸納了制造系統(tǒng)最佳維修策略的選擇流

8、程。然后應(yīng)用模糊層次分析主觀賦權(quán)類(lèi)方法和信息熵客觀賦權(quán)類(lèi)方法分別對(duì)制造系統(tǒng)維修策略進(jìn)行排序選擇,并采用模糊Borda法綜合以上兩種方法進(jìn)行綜合提取,有效地克服傳統(tǒng)單一方法計(jì)算過(guò)程存在的主觀性和模糊性問(wèn)題,提高了維修策略排序選擇的準(zhǔn)確性和合理性。最后運(yùn)用該方法得到制造系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備單元——加工中心的最佳維修保障策略應(yīng)為預(yù)測(cè)維修。
　　(5)研究了因素驅(qū)動(dòng)的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)維修策略。首先針對(duì)傳統(tǒng)制造系統(tǒng)維修保障策略研究中未全面考慮動(dòng)態(tài)環(huán)

9、境事件影響制造系統(tǒng)性能狀態(tài)退化的問(wèn)題,并基于制造系統(tǒng)脆性效應(yīng)的理論分析以及性能狀態(tài)演變預(yù)測(cè)模型的建立,分析了廣義外在環(huán)境下制造系統(tǒng)的預(yù)測(cè)維修策略,給出了維修策略的成本效益評(píng)價(jià)模型。然后在給定動(dòng)態(tài)維修決策閾值、有限緩沖區(qū)容量以及維修資源等維修相關(guān)性約束條件下,以服役階段效益產(chǎn)出最大為目標(biāo)建立了基于遺傳算法的制造系統(tǒng)維修策略尋優(yōu)流程。最后以國(guó)內(nèi)某制造企業(yè)的一套制造系統(tǒng)為例,通過(guò)對(duì)比分析證明了本文提出的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)維修策略的可用性與有效性,對(duì)于提