模糊故障树在复杂机械系统故障诊断中的应用研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.77MB 58 页 15积分

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摘要

故障树分析方法是适合分析复杂系统故障的一种有效方法，被广泛运用到各

种复杂系统的故障检测和维修策略中。然而大型复杂机械系统中存在着很多模糊

不确定性的因素，无法直接确定模糊底事件的发生概率，此时仅使用传统的故障

树分析方法很难从定量分析的角度去解决。模糊数学理论和方法的出现有效地解

决了不确定事件的失效概率问题，并且该理论与方法已经被广泛应用于分析和处

理故障现象与原因之间的模糊关系及不确定性问题上来。所以，将故障树分析法

与模糊数学相互结合，对于解决复杂机械系统问题具有重要的理论与实际意义。

本文阐述了传统故障树分析方法和模糊数学理论与方法的一些基本理论知

识，以及模糊故障树分析方法的基本步骤，并详细介绍了模糊综合评判法的使用

步骤。

以鳞板输送机系统中可能出现的故障作为研究对象，建立了以“鳞板输送机失

效”为顶事件的故障树。首先，从定性的角度进行分析，确定各底事件的结构重要

度顺序；然后，运用模糊数学理论的方法解决模糊不确定底事件发生的概率；最

后，从定量的角度进行分析，计算底事件的概率重要度、临界重要度等，并按其

重要度大小进行排序。从计算结果可以看出，导致鳞板输送机失效的主要因素有

固定螺栓松动脱落、异物卡轨及鳞板变形等基本事件，因此平时要加强对这些部

件的维护。

以“震压造型机失效”为顶事件建立了故障树，通过对各底事件结构重要度的计

算，得到了影响顶事件发生的主要底事件有压力不足、管道接错、活塞研伤等；

其次运用模糊数学理论计算不确定模糊底事件的发生概率；最后，运用专家综合

评判与模糊综合评判相结合的方法对对震压造型机压实情况进行了评判，为日常

的维护和保养提供了理论依据。

关键词：鳞板输送机系统故障树分析法模糊故障树分析震压造型机

模糊综合评判

ABSTRACT

Fault tree analysis is an effective method for the analysis of complex system failure,

and it has been widely applied to fault detection and repair strategies in a variety of

complex systems. However, there are a lot of fuzzy and uncertainty factors in a large

complex mechanical systems, the failure probability of the end events can not be

directly determined，only the traditional fault tree analysis method is difficult to solve it

from the quantitative analysis. The appearance of fuzzy mathematical theory and

methods effectively solve the failure probability of the uncertain events, and the theory

and method has been widely used in the fuzzy relation of the analysis and processing

between symptom and cause. Therefore, the fault tree analysis and fuzzy mathematics

combined with each other, has important theoretical and practical significance for

solving the problem of complex mechanical systems.

This article describes the traditional fault tree analysis method and some basic

theoretical knowledge of fuzzy mathematics theory and methods and the basic steps of

fuzzy fault tree analysis method, and details the use of fuzzy comprehensive evaluation

method steps.

To the failure of the slat conveyor system as research object, we build the fault tree

with slat conveyor failure for the top event. Firstly, from the qualitative analysis, we

determine the end of the event structure importance order; then, we solve the probability

of the uncertain and fuzzy end event by fuzzy mathematical theory; finally, from the

quantitative analysis, we calculate the probability importance degree and the critical

importance degree of the end event, and sort according to their degree of importance of

size. It can be seen from the calculation results, the main factors leading to the failure of

the slat conveyor are fixed bolts loose, foreign body rail and slat deformation and so on,

so we should usually strengthen the maintenance of these components.

To shock compression molding machine failure for the top event to establish a fault

tree, by each importance degree of the end event structure calculated, the main end

events affecting the top event are Insufficient pressure, the pipe pick wrong and pistons

injury and so on; Secondly, we calculate the probability of uncertain end events by

fuzzy mathematics theory; finally, the shock compression molding machine compaction

are judged by the combining of experts comprehensive evaluation and fuzzy

comprehensive evaluation method , and provide a theoretical basis for the routine

maintenance and upkeep.

Key word: Slat Conveyor System, Fault Tree Analysis, Fuzzy Fault

Tree Analysis, Shock Compression Molding Machine, Fuzzy

Comprehensive Evaluation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................. 1

1.1 复杂机械系统故障诊断的发展及现状概况 ................................................. 1

1.2 故障树分析法的发展和研究现状综述 ......................................................... 2

1.3 模糊故障树分析法的研究现状 ..................................................................... 3

1.4 课题研究的目标、内容及实施方案 ............................................................. 4

1.4.1 研究目标及意义 ..................................................................................... 4

1.4.2 研究内容 ................................................................................................. 4

1.4.3 实施方案 .................................................................................................. 5

第二章故障树分析法的基本理论 ......................................................................... 6

2.1 故障树分析法的概述 .................................................................................... 6

2.1.1 故障树分析法简介 ................................................................................. 6

2.1.2 常用的故障树术语和符号 ..................................................................... 6

2.1.3 故障树分析法的步骤 ............................................................................. 8

2.2 故障树的定性分析 ........................................................................................ 9

2.2.1 割集和最小割集的基本概念 ................................................................. 9

2.2.2 最小割集的求法 ...................................................................................... 9

2.3 故障树的定量分析 ...................................................................................... 11

2.3.1 顶事件发生的概率 ............................................................................... 11

2.3.2 底事件的重要度 ................................................................................... 12

2.4 应用实例 ...................................................................................................... 12

2.4.1 液氨储罐泄漏的故障分析 ................................................................... 12

2.4.2 液氨储罐泄漏故障树建立 ................................................................... 13

2.4.3 液氨储罐泄漏故障树的定性与定量分析 ........................................... 14

2.4.4 液氨储罐泄漏的预防措施 .................................................................... 16

2.5 本章小结 ...................................................................................................... 16

第三章模糊故障树的分析及模糊综合评判法 ................................................... 17

3.1 复杂机械故障诊断中的模糊性 .................................................................. 17

3.2 模糊集理论的基本知识 .............................................................................. 17

3.2.1 模糊集合及隶属度的概述 ................................................................... 18

3.2.2 模糊集的基本定理 ............................................................................... 18

3.2.3 隶属函数的确定 ................................................................................... 20

3.2.4 L-R 型模糊数介绍 ................................................................................ 21

3.3 故障树分析的线性模糊算子 ...................................................................... 22

3.4 故障树的模糊分析方法 .............................................................................. 23

3.5 模糊综合评判法 .......................................................................................... 23

3.5.1 一级综合评价模型 ............................................................................... 24

3.5.2 多级综合评价模型 ............................................................................... 26

3.6 本章小结 ...................................................................................................... 26

第四章鳞板输送机模糊故障树分析 ................................................................... 27

4.1 鳞板输送机结构及工作原理 ...................................................................... 27

4.2 鳞板输送机故障状态分析 .......................................................................... 27

4.3 鳞板输送机故障树分析 .............................................................................. 29

4.3.1 鳞板输送机失效故障树的建立 ............................................................ 29

4.3.2 故障树的定性分析 ............................................................................... 32

4.3.3 模糊底事件的模糊概率 ....................................................................... 32

4.3.4 故障树的定量分析 ............................................................................... 35

4.4 本章小结 ...................................................................................................... 36

第五章震压造型机的模糊故障树分析及综合评判 ........................................... 37

5.1 震压造型机概述 .......................................................................................... 37

5.2 模糊故障树分析在震压造型机中的应用 .................................................. 38

5.2.1 震压造型机故障分析 ........................................................................... 38

5.2.2 震压造型机故障树的建立 ................................................................... 40

5.2.3 故障树的定性分析 ............................................................................... 42

5.2.4 震压造型机的模糊综合评判 ............................................................... 43

5.3 本章小结 ...................................................................................................... 47

第六章结论与展望 ............................................................................................... 49

6.1 本论文主要结论 .......................................................................................... 49

6.2 工作展望 ...................................................................................................... 49

参考文献 ................................................................................................................. 50

在读期间公开发表的论文 ..................................................................................... 54

致谢 ......................................................................................................................... 54

第一章绪论

1.1 复杂机械系统故障诊断的发展及现状概况

随着科学技术的发展，很多的机械设备变得越来越复杂，自动化水平也越来

越高，机械设备在现代工业生产中发挥的作用和影响也越来越大，于此同时机械

设备的成本也越来越高，机器运行中发生的故障不但会造成重大的经济损失，甚

至还可能会致使人员的伤亡。通过对设备不断的检测以及对故障发展趋势及早进

行诊断，找到故障的原因，从而采取必要措施避免设备的突然损坏，使设备安全

地运转，在现代工业生产中变得相当的重要。

[1]所以开展对机械设备故障诊断技术

的研究具有重要的意义。

1967 年在美宇航局和海军研究所的提倡下，机械故障诊断技术的研究组织成

立了，该组织主要由企业和大学构成，专门研究机械设备的检测、诊断以及预测

等。[1]其次俄亥俄州立大学根据振动的解析，对轴承、齿轮、发动机及一般回转机

械的诊断技术进行了研究。美国机械工程学会相继锅炉、压力容器等静止机械的

检测诊断中心也开展了关于静止机械的故障诊断技术方面的研究，并且制定出一

套规程标准。

[2-3]与此同时少许监测仪器设备公司也研制出了各种检测诊断的仪器，

例如 Atlanta 公司研制出的 M600 旋转机械在线监测装置在现实应用中就取得了很

好的效果。此时日本、英国、德国、瑞典等多个国家的机械设备故障诊断技术研

究工作开展的也比较早，并且他们的研究在某些领域还处于领先水平。然而我国

的机械设备故障诊断技术研究开展的相对较晚一些，但是发展还是比较快的。在

旋转机械故障诊断方面，西安交通大学进行了深入的研究；与此同时，天津大学

的专家学者也开展了对轴承和齿轮状态的相关监测研究；在汽车发动机和汽轮机

状态监测和诊断系统方面，华中理工大学和哈尔滨工业大学也进行了深入的研究；

此外，石油化工系统的研究与红外诊断声学定位系统中的应用也进行了研究；以

及机械部门在一汽、二汽之后，洛阳轴承厂对轴承故障诊断系统也开展了研究；

继太钢、宝钢之后冶金部门中的武钢对离心鼓风机和透平压缩机的状态进行了一

定的监测并进行了故障诊断；中国矿业大学研制出了 KTD 型旋转铁谱仪和计算机

磨屑图像分析系统；在矿用汽车故障诊断方面，北京科技大学开展了较深的研究

和探讨。[3-5]同时，在设备诊断仪器方面也取得了不错的进展，这些都为设备诊断

的开展提供了大量的监测仪器。等等这些可喜的进展，奠定了我国设备状态的监

测和故障诊断技术的应用推广。

尽管复杂机械设备故障诊断技术获得了相当大的进展，但截止到目前，还没

有形成一套相对比较完整的理论体系和一些有效的诊断方法。不少技术大多针对

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摘要：

摘要故障树分析方法是适合分析复杂系统故障的一种有效方法，被广泛运用到各种复杂系统的故障检测和维修策略中。然而大型复杂机械系统中存在着很多模糊不确定性的因素，无法直接确定模糊底事件的发生概率，此时仅使用传统的故障树分析方法很难从定量分析的角度去解决。模糊数学理论和方法的出现有效地解决了不确定事件的失效概率问题，并且该理论与方法已经被广泛应用于分析和处理故障现象与原因之间的模糊关系及不确定性问题上来。所以，将故障树分析法与模糊数学相互结合，对于解决复杂机械系统问题具有重要的理论与实际意义。本文阐述了传统故障树分析方法和模糊数学理论与方法的一些基本理论知识，以及模糊故障树分析方法的基本步骤，并详细介...

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