一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法
【专利摘要】一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法，它有七大步骤：步骤一：设计齿轮泵健康状态评估指标的选取；步骤二：设计齿轮泵健康状态等级的划分；步骤三：设计齿轮泵评估指标隶属度函数的构建；步骤四：设计齿轮泵评估指标状态及状态转移概率的计算；步骤五：设计齿轮泵评估指标率模可靠度的计算；步骤六：设计齿轮泵健康状态评估的率模可靠度计算方法；步骤七：齿轮泵健康状态等级及对策。本发明弥补了利用齿轮泵作业参数进行健康状态评估的理论基础，提供了一种新的齿轮泵健康状态评估方法，为液压泵健康管理提供支持。
【专利说明】一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于率模（profust)可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法，它 与齿轮泵运行状态的评估有关，属于液压泵健康管理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 齿轮泵属于一种液压泵，广泛地应用于各液压系统中。齿轮泵的优势非常多，t匕 如，重量轻、体积小、工作稳定好，同时不易受到液压油的污染。所以，液压机械中通常都使 用齿轮泵。齿轮泵作为液压系统的源动力，一旦出现故障停机，将导致整个液压系统的瘫 痪，在一些作业对象为危险品的系统中影响更大。采用有效的手段进行齿轮泵的健康状态 分析，在出现故障前细化作业状态。对齿轮泵的健康状态评估，可在齿轮泵未出现故障前就 能及时发现潜在故障，实现设备的健康管理，对设备作业安全可靠是非常重要的。
[0003] 目前对于齿轮泵的健康状态研究较多为通过在齿轮泵上加装多个加速度传感器 采集其工作过程中的振动信号，基于小波分析理论或其他理论进行数据分析，从而得出齿 轮泵的健康状态。该方法虽然可以得出齿轮泵的健康状态，但该方法更多的应用于实验室 内对齿轮泵的运行状态进行监测，在实际工作过程中应用有一定的局限性。
[0004] 北航蔡开元教授在20世纪90年代提出了率模可靠性理论，是将经典可靠性理论 中的概率假设和模糊可靠性理论中的模糊状态假设相结合的理论，隶属于模糊可靠性理 论。该理论已经成功应用于ACT验证机，计算机通信网络等不同系统。可较好对设备的多 种状态分析提供理论基础。
[0005] 在模糊可靠性理论中，论域是指研究对象构成的一个不空的集合。在模糊可靠性 理论中，用来表达模糊性概念的集合又称模糊集、模糊子集。普通的集合是指具有某种属性 的对象的全体。这种属性所表达的概念应该是清晰的，界限分明的。因此每个对象对于集合 的隶属关系也是明确的，非此即彼。但在人们的思维中还有着许多模糊的概念，例如年轻、 很大、暖和、傍晚等，这些概念所描述的对象属性不能简单地用"是"或"否"来回答，模糊集 合就是指具有某个模糊概念所描述的属性的对象的全体。由于概念本身不是清晰的、界限 分明的，因而对象对集合的隶属关系也不是明确的、非此即彼的。将论域划分为几个模糊集 合，组成论域的若干模糊子集。因此齿轮泵运行状态空间是指通过专家经验，对齿轮泵的各 指标参数，在其整个生命周期中，设定的不同取值区间所组成的所有模糊状态集合。
[0006] 若对论域（研究的范围）U中的任一元素X，都有一个数A(x)G[0, 1]与之对应， 则称A为U上的模糊集，A(X)称为X对A的隶属度。当X在U中变动时，A(X)就是一个函 数，称为A的隶属函数。隶属度A(X)越接近于1，表示X属于A的程度越高，A(X)越接近于 〇,表示X属于A的程度越低。本发明中齿轮泵隶属度y是对应机械设计手册中给出的齿 轮泵各运行模糊状态参数指标取值区间的隶属度函数计算得到的。
[0007] 原有率模可靠性理论中，系统的状态转移概率矩阵通过专家经验，毁坏性测试等 不同形式事先得到，并且由状态转移概率矩阵求解得到的系统稳态概率也保持不变。这就 造成了率模可靠性理论应用于液压泵健康管理领域的局限性。
[0008] 在这种背景下，针对齿轮泵自身特点，为了使原有率模可靠性理论更加符合齿轮 泵健康管理的工程实践，本发明一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法。该 方法通过选取齿轮泵的作业参数，采用一种带有时间窗口的稳态概率计算方法，进而来计 算齿轮泵的率模可靠度、齿轮泵健康等级和平均模糊故障时间，满足齿轮泵的健康管理的 工程应用需求。
【发明内容】
[0009] 1、目的：本发明的目的是提供一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方 法，它弥补了利用齿轮泵作业参数进行健康状态评估的理论基础，提供了一种新的齿轮泵 健康状态评估方法，为液压泵健康管理提供支持。
[0010] 2、技术方案：本发明一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法，其设 计思想是：通过选取齿轮泵特征参数作为待评估指标，利用率模可靠性理论计算评估指标 的可靠度，结合专家经验赋予的权值，得出齿轮泵的健康度，比对划分出来的健康状态等 级，得出齿轮泵的健康状态。
[0011] 下面结合流程图1中的步骤，具体介绍该设计方法的技术方案。
[0012] 本发明一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法，该方法具体步骤如 下：
[0013] 步骤一：设计齿轮泵健康状态评估指标的选取
[0014] 齿轮泵的健康状态评估指标是依据齿轮泵的工作参数来选取的。在齿轮泵的各个 工作参数中，有一些能够代表齿轮泵当前的工作状态。本发明将这些状态参数选取出来，作 为齿轮泵的健康状态评估指标。这些状态参数包括齿轮泵的压力脉动和齿轮泵的容积效 率。
[0015] 步骤二：设计齿轮泵健康状态等级的划分
[0016] 齿轮泵的率模可靠度RG[0, 1]，将齿轮泵的率模可靠度在区间[0, 1]上进行状态 划分，可以依照需要划分为若干状态{SpS2，…，SJ，每一状态对应相应的率模可靠度R取 值范围为：
[0017]
【权利要求】
1. 一种基于率模可靠性理论的齿轮泵健康状态评估方法，其特征在于：该方法具体步 骤如下： 步骤一：设计齿轮泵健康状态评估指标的选取 齿轮泵的健康状态评估指标是依据齿轮泵的工作参数来选取的，在齿轮泵的各个工作 参数中，有一些能够代表齿轮泵当前的工作状态，将这些状态参数选取出来，作为齿轮泵的 健康状态评估指标，这些状态参数包括齿轮泵的压力脉动和齿轮泵的容积效率； 步骤二：设计齿轮泵健康状态等级的划分 齿轮泵的率模可靠度R e [〇, 1]，将齿轮泵的率模可靠度在区间[〇, 1]上进行状态划 分，依照需要划分为复数个状态饵，S2，…，SJ，每一状态对应相应的率模可靠度R取值范 围为：
步骤三：设计齿轮泵健康状态评估指标隶属度函数的构建 在齿轮泵的各个评估指标中，按照每个评估指标不同的参数要求，同样将其划分为复 数个状态U= {S/，S2'，…，Sn'}，同时构建出相应的隶属度函数i!，每一状态对应的隶属度 取值范围为：
在论域U上定义Fuzzy成功状态为 S = (Si, ii s (Si)，i = 1，2,…，n} Fuzzy故障状态为 F = (Si, ii F(Si), i = 1，2,…，n} 这里U S(Si)和ii J1(Si)为相应的隶属函数,记Ut = Imij, i, j = 1，2,…，n} ,Hiij表示从 状态Si转移到状态Sj的转移，定义4 = !"V,气（wV)A./= 1，2,…，埒
这样Tsf表示从Fuzzy成功到Fuzzy故障的转移； 步骤四：设计齿轮泵评估指标状态及状态转移概率的计算 齿轮泵状态转移概率的计算需要知道齿轮泵评估指标的状态空间{S/，S2'，…，Sn'} 和各采样时刻的健康状态隶属度y (s'i) (S'i = 0，1，2,…）；齿轮泵的指标状态空间 {S/，S2'，…，Sn'}是指根据专家经验来划分的齿轮泵健康状态评估指标的状态集合；健康 状态隶属度U (S' J是通过隶属度函数计算得到的评估指标隶属S/状态的值；本计算方法 是在{S/，S2'，…，Sn'}和i! (S' i)已知的前提下进行的齿轮泵健康状态转移概率的计算； 假设齿轮泵指标状态空间为{s/，S2'，…，Sn'}，S' i e {S/，S2'，…，Sn'}表示齿轮泵在 第i次采样时的运行状态，Pij Q = 1，2,…，n ; j = 1，2,…，n)表示齿轮泵指标状态由状态 S/转移到状态S/的概率，由转移概率Pu组成一个矩阵
称为状态转移概率矩阵； 选择采样时间窗口为Tw = N *T，采样周期为T，在时间窗口 Tw内进行N+1次采样，状态 转移概率矩阵的计算运用马尔科夫理论进行计算；设齿轮泵指标状态由S' = 1，2,…n) 转移到状态S'」(j = 1，2,…n)的次数为mij(i = 1，2,…，n ;j = 1，2,…，n)，则时间窗口 Tw
其他采样时刻指标状态转移概率矩阵同此方法依次求得； 齿轮泵评估指标在一个采样周期T处于状态Si的概率O (t)为： O (t) = O (t〇) Xp(t〇, t) 其中Oatl)为在采样时刻h齿轮泵评估指标处于Si的状态概率，P(^t)为当前周期 内从h到t的状态转移概率； 步骤五：设计齿轮泵评估指标率模可靠度的计算 在齿轮泵健康评估中，齿轮泵评估指标的率模可靠度是进行齿轮泵健康状态评估的基 础，所设计的齿轮泵评估指标的率模可靠度计算方法为
依据上述步骤中求得的各个值即可求得齿轮泵评估指标的率模可靠度； 步骤六：设计齿轮泵健康状态评估的率模可靠度计算方法 齿轮泵各个评估指标的率模可靠度均已求出，由于各个评估指标在齿轮泵的健康状态 评估中重要度不同，依据专家经验赋予各个评估指标权重值Oi，则齿轮泵的率模可靠度 为： R = R1 o i+R2 〇 2+…+Rn o n 由此可得出齿轮泵当前时刻的健康度； 步骤七：齿轮泵健康状态等级及对策 依据步骤二中划分的健康状态等级，即确定齿轮泵当前的健康状态；根据评估出的齿 轮泵的健康状态，则采取相应的维修保养策略对齿轮泵进行维修保养或采取其他的方式进 行处理。
【文档编号】G06F19/00GK104361261SQ201410742591
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】张宏远, 郝爱智, 刘桐, 刘学程, 吴明飞, 王颖辉, 梁延松, 晏国辉, 毕坤鹏, 顾进 申请人:中国人民解放军防化学院