考虑故障相关性的复杂二维保修装备机会维修策略_董恩志.pdf
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1、第 44 卷第 6 期2 0 2 3 年 6 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 6Jun2023DOI:10 12382/bgxb 2022 0101考虑故障相关性的复杂二维保修装备机会维修策略董恩志1,2,程中华1,王荣财1,张孝娜3,张月星4,吴巍屹1,岳帅1(1 陆军工程大学石家庄校区,河北 石家庄 050003;2 河北省机械装备状态监测与评估重点实验室,河北 石家庄 050003;3 陆军研究院 陆军建设发展研究所,北京 100012;494295 部队,山东 济南 250000)摘要:针对保修期内孤立地对各单部件进行维修降低装备可用度、增加装备保修成本的问
2、题,结合复杂装备的特点和二维保修现状,以保修期内的装备可用度为主要定量化分析指标,探索最优的多部件系统机会维修策略。以多部件系统故障相关性分析为基础,结合各单部件预防性维修计划,运用机会维修策略,通过引入机会维修时可靠性阈值,将各单部件预防性维修工作组合优化,建立了多部件系统二维保修可用度模型。算例分析中,运用遗传算法求出某新型装甲突击车动力系统最优机会维修策略。对比分析结果表明:机会维修策略将动力系统可用度提高 10%、保修成本降低 9.3%,充分验证了机会维修策略的有效性,提升了装备维修保障的军事和经济效益;该策略可为二维保修服务下多部件系统机会维修策略的制订提供科学依据与定量化分析方法。
3、关键词:装备保障;复杂装备;故障相关性;二维保修;预防性维修;机会维修中图分类号:E92;F403.8文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)06-1688-16收稿日期:2022-02-21基金项目:国家自然科学基金项目(71871219)Opportunistic Maintenance Strategy for Complex Two dimensional WarrantyEquipment Considering Failure CorrelationDONG Enzhi1,2,CHENG Zhonghua1,WANG ongcai1,ZHANG Xiaona3,ZHA
4、NG Yuexing4,WU Weiyi1,YUE Shuai1(1 Shijiazhuang Campus of Army Engineering University of PLA,Shijiazhuang 050003,Heibei,China;2 Hebei Key Laboratory of Condition Monitoring and Assessment of Mechanical Equipment,Shijiazhuang 050003,Heibei,China;3 Army construction and Development esearch Institute,A
5、rmy Academy,Beijing 100012;4 Unit 94295 of PLA,Jinan 250000,Shandong,China)Abstract:To address the problem that isolated maintenance to individual components during the warrantyperiod reduces equipment availability and increases equipment warranty costs,the optimal opportunisticmaintenance strategy
6、for multi-component systems is explored by combining the characteristics of complexequipment and the current situation of two-dimensional warranty,with the availability of equipment duringthe warranty period as the main quantitative analysis index Based on the failure correlation analysis ofthe mult
7、i-component system,the opportunistic maintenance strategy is applied in combination with thepreventive maintenance plan of each single component,and the two-dimensional warranty availabilitymodel of the multi-component system is established by introducing the reliability threshold at the time ofoppo
8、rtunistic maintenance and optimizing the combined preventive maintenance work of each singlecomponentIn the case analysis,the genetic algorithm is used to find the optimal opportunisticmaintenance strategy for a new armored assault vehicle power system The results of the comparative第 6 期考虑故障相关性的复杂二维
9、保修装备机会维修策略analysis show that the opportunistic maintenance strategy increases the power system availability by 10%and reduces the warranty cost by 9.3%,which fully verifies the effectiveness of the strategy and improvesthe military and economic benefits of equipment maintenance and support This stra
10、tegy can provide ascientific basis and quantitative analysis method for the development of the opportunistic maintenancestrategy for multi-component systems using two-dimensional warranty serviceKeywords:equipment support;complex equipment;failure dependence;two-dimensional warranty;preventive maint
11、enance;opportunistic maintenance0引言保修是指装备列装部队后,借助社会资源、依托承制单位技术力量辅助军方开展的装备维修保障工作1。随着军事变革不断深入,大批结构复杂、技术密集的新型复杂装备列装部队,极大地提高了部队的整体作战能力,同时也对我军的装备保障能力建设提出了更高的要求2。由于新型复杂装备各部件之间存在较为明显的故障相关关系,故障模式更多、故障规律更难把握,因此,当前仅依靠部队自身维修保障力量已难以胜任新型复杂装备的维修保障任务。与此同时,装备承制单位有较为完善的维修设施设备,对新型复杂装备的性能也更为熟悉,因此应探索合理的保修方式将承制单位的技术力量引入
12、新型复杂装备的维修保障中,以弥补部队建制维修保障能力的不足。但在实际运作过程中缺乏科学的保修服务决策方法支持,导致新型复杂装备的保修效果不够理想、军地责任划分不清,造成双方利益冲突较为明显3。新型复杂装备通常由众多的多部件系统组成,保修活动通常针对构成多部件系统的单部件展开。新型复杂装备中,多部件系统的寿命通常受日历时间和行驶里程的共同影响,因此采用二维保修的方式,任一维度的保修期达到预定期限,则保修结束4。如某型高炮有长达 3 a 与 250 000 km 的二维保修期。在二维保修期内,承制单位还会定期开展预防性维修。预防性维修是指在装备故障前通过故障检查、状态检测、维修或更换等一系列方式防
13、止装备功能故障发生,使装备保持在规定状态所进行的全部活动。实践证明,预防性维修能够有效降低装备非预期故障带来的损失,提高装备的可用度5。尽管军地双方都对新型复杂装备的保修工作进行了较为深入的理论研究和实践,但当前在保修服务决策方面还存在一些问题:一是由于组成多部件系统的各部件故障规律不同,因此孤立地对各单部件进行维修会增加预防性维修的频率和成本支出,另一方面,机械地将各部件的预防性维修工作组合起来会造成部件的预防性维修工作提前,浪费装备的使用价值,导致维修过剩;二是当前的维修计划制定通常是基于经验的,不考虑多部件之间的故障相关性,也缺少定量化辅助决策模型的支持,不利于承制单位控制保修成本,装备
14、可用度缺乏保证。基于上述分析,本文拟在多部件系统故障相关性分析的基础上,采用不完美预防性维修策略和二维保修方式,依据预防性维修时部件可靠性阈值确定各单部件的不完美预防性维修间隔期,以部件生命周期内单位时间保修成本最低为目标确定各单部件更换周期;采用机会维修的方式,以多部件系统可用度最大为目标,依据机会维修时部件可靠性阈值将各单部件的预防性维修工作组合起来,形成多部件系统机会维修计划。通过遗传算法求解各部件机会维修时可靠性阈值,最后通过对比分析验证本文所提方法的有效性。1复杂装备保修研究现状分析1.1二维保修研究现状二维保修的特征是保修期包含日历时间与使用强度两个变量,通常可由二维平面上的一块区
15、域表示,保 修 政 策 会 引 起 保 修 区 域 形 状 的 变 化,Wang 等6 详细梳理了二维保修政策及其对应的保修区域形状。根据保修活动开展的时间不同,二维保修又可分为二维初始保修与二维延伸保修。二维初始保修是指新装备列装后,在二维保修期内的规定时间和规定条件下,承制单位为使装备保持、恢复或改善到规定技术状态所进行的全部活动,通常包括修复性维修工作和预防性维修工作7 8。二维初始保修决策通常是以保修成本最低为目标9 10,部分研究还兼顾了保修期内装备可用度11 12。越来越多的研究聚焦于保修政策的制定,通过在制造商和用户之间取得平衡,使制造商和用户都能接受保修政策13。与此同时,由于
16、预防性维修可以防止故障或故障的严重后果,减少故障停机造成的损失,因9861兵工学报第 44 卷此越来越多的研究开始关注预防性维修14。二维延伸保修是指在初始保修期结束后,由承制单位负责开展的后续装备维修保障工作,军方可以决定是否购买延伸保修服务。目前,对二维延伸保修的研究越来越突出用户的异质性,即保修方案是针对不同用户量身定制的15。然而,由于在民用产品领域,延伸保修服务提供商负责延伸保修政策的制定,因此目前的大多数研究都是从延伸保修服务提供商的角度出发,以延伸保修成本最低或利润最大为目标,很少考虑用户对产品可用度的要求16 18。此外,大多数研究对象都为单部件系统,忽略了多部件之间的故障相关
17、性。1.2多部件故障相关性研究现状一直以来,在国内外的研究中,多部件系统中各部件之间的相关性主要有 3 种类型:结构相关性、经济相关性和故障相关性。近年来,一些学者将多部件相关性扩展到 4 种类型:结构相关性、经济相关性、故障相关性和时间相关性。由于故障相关性广泛存在于多部件系统中,因此学者们对其关注较多。故障相关性主要是指在多部件系统中,部件故障的发生会导致系统整体环境的变化,进而影响其他部件的状态,导致故障率的增加19。多部件之间的故障相关性可分为 3 种类型20:I 类是故障相关,即当一个部件发生故障时,它将以一定的概率(p,0p1)导致其他部件发生故障;II 类是故障率相关,即当一个部
18、件发生故障时,会在一定程度上增加其他部件的故障率;III 类与冲击损伤有关,即当系统中的一个部件发生故障时,会对其他部件造成一定程度的随机损伤,当随机损伤累积到一定程度时,会导致部件故障。Sun 等21 引入交互故障概念,建立了部件间故障交互的定量分析模型,给出了基于实验的部件间故障相关系数的推导方法,属于早期的故障相关性研究。Zhang 等22 研究了具有 I 类故障相关性表决系统的定期检查策略,基于马尔可夫更新过程推导了系统的短期和长期维护费用。韩思远23 根据风电机组的故障相关性分析和全概率公式,分别计算了该子系统的固有可靠性和综合可靠性,进一步计算了该子系统的故障率,研究了基于子系统故
19、障率的风电机组最优维修方案。钱倩等24 基于多个部件之间的 II 类故障相关性,研究了具有单向故障相关的多部件系统预防性维护策略,以预防性维修间隔为决策变量,以规定运行时间内的最小维护成本为目标,建立了预防性维修任务成组优化模型。王红等25 使用故障链模型来描述部件之间复杂的故障相关关系,以维护时间最短和成本最低为目标,对部件实施不确定周期的成组维护策略,并使用遗传算法优化维护计划。综上所述可以看出,多部件系统故障相关性的研究仍然局限于一维保修方式,没有考虑二维保修方式对保修成本和维修计划的影响。基于上述分析,本文的研究重点是在二维保修的基础上,考虑多部件之间的故障相关性,进行多部件系统的机会
20、维修决策。1.3机会维修研究现状机会维修是指某一部件的修复性维修或预防性维修给其他部件的预防性维修带来机会,从而将部分预防性维修工作提前进行的维修活动。Berg26 最先在两部件系统的研究中应用机会维修策略。van der Duyn Schouten 等27 提出了适用于两部件串联系统的(n,N)机会维修策略。Zheng 等28 在不考虑各部件故障后维修的条件下,提出多部件系统的机会更换模型。Caldeira Duarte 等29 采用完全维修方式,研究了多部件串联系统的最优预防维修周期。Laggounea 等30 针对多部件连续运转的氢压力机系统,采用蒙特卡洛仿真方法制定了机会维修方案。苏春
21、等31 研究了风力机的机会维修策略,以节省的总机会维修成本最大为目标,采用滚动窗口方法完成风力机维修活动的动态调整,进而得到风力机的最优预防性维修活动安排。薛朝改等32 在单部件预防性维修计划的基础上,以维修成本最低为目标,以机会维修系数与部件 Birnbaum 重要度的比值和系统的可用度满足一定要求为约束条件,建立了多部件系统机会维修决策模型。通过文献综述可以看出,当前研究制定的机会维修方案大多是基于时间维度的,即基于一维保修方式的较多,缺少二维保修方式下多部件系统机会维修决策的研究,更没有研究在进行机会维修决策时考虑多部件之间的故障相关性。2模型描述与假设本文以串联多部件系统为研究对象。令
22、 WB表示系统在日历时间维度的保修期,UB表示系统在行驶里程维度的保修期。部件 i 在二维保修期(WB,UB)内,按照时间间隔 Tk,i开展预防性维修,预防性维修包括不完美预防性维修和预防性更换。在单部件预防性维修计划的基础上,借助机会维修时部件可靠性阈值,将各单部件预防性维修工作组合优化,以提高多部件系统可用度,降低保修期内多部件系统保修成本。0961第 6 期考虑故障相关性的复杂二维保修装备机会维修策略模型假设如下:1)部件初始可靠度为 1,即从全新投入使用。2)部件呈现日历时间和行驶里程两个维度的退化规律。3)维修资源充足,不考虑因维修资源不足造成等待维修的情况。4)部件的主要故障模式只
23、有一种,不考虑多个故障模式的情况。5)使用率可通过历史数据获得,且在初始保修期内同一部队使用率不变,不同部队的使用率服从均匀分布。6)当部件 i 运行到最低可靠度要求时,对部件执行预防性维修,同时考虑对其他部件进行机会维修。预防性维修为不完美维修。当进行第 ni+1 次预防性维修时对其进行更换。7)在预防性维修间隔期内发生故障,对部件 i采取修复性最小维修。不考虑对其他部件进行机会维修。3模型构建3.1可靠度模型建立多部件系统内共包含 V 个部件,采用单变量法中直接构造方法构建单部件二维故障率模型,基于Yun 等33 的构造方法,部件 i 的故障率函数形式为i(t|r)=0i+1ir+2it2
24、+3irt2,1iV(1)式中:t 为日历时间;r 为使用率;0i、1i、2i和 3i均为表达式参数。根据假设可知,初始保修期内同一部队使用率不变,因此 r 与 t 之间的关系为 r=U/t,U 为使用程度,如里程。确定表达式的参数需要通过统计保修期内一段时间的样本故障时间 t 和发生故障时的使用程度 U 来确定 i(t|r)和使用率的分布 Gi(r)的具体表达式。参数的拟合过程为:步骤 1选择 L 个部件,xi代表第 i 个部件在保修期内的故障次数。计算 ri的值,ri=ui,j/ti,j,ti,j和ui,j分别代表第 i 个部件的第 次故障时的使用时间和使用程度,1iL,1xi。步骤 2将
25、所有 ri分成 M 组,第 m 个区间用 hm 1,hm)表示。绘制 ri的概率直方图,通过直方图就可以拟合出使用率的概率密度函数 gi(r)。步骤 3hm是 hm 1,hm)的均值,Im代表所有落入该使用率区间的故障时间集合。当使用率为hm时部件故障率函数 i(t|hm)可以通过故障时间数据拟合,如图 1 所示。步骤 4将所有特定使用率下的故障率曲线在图 1不同使用率下部件故障率函数拟合Fig 1Failure rate function fitting under differentutilization rates同一三维空间中表示出来,通过这些曲线拟合出三维曲面,便可得到二维故障率函数
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