装甲车辆可靠性优化分配技术工程案例分析

1.综合传动装置电液控制系统分析

综合传动装置电液控制系统包含液压供油系统（压力油箱补油和定压系统和液压变速、风扇控制供油系统）、液压变速控制系统、联体泵马达系统、风扇控制系统和电控系统，其功能框图和结构图分别如图3- 26 和图3- 27所示。

图3-26　综合传动装置电液控制系统功能框图

1）系统工作原理分析

综合传动装置电液控制系统主要实现电控换挡和手动应急换挡两种工况不同挡位的速度控制，左、右风扇控制和左、右转向控制，其关键子系统工作原理如下：

（1）液压供油系统工作原理分析。

①压力油箱补油和定压系统工作原理：P1 泵将传动箱油底壳油经过LF1过滤后吸入，油液再经过箱体的内油道经过LF2 过滤后进入压力油箱；LF2 并联有LF2B 旁通阀，当LF2B 在LF2 堵塞使精滤进、出口压差达到0.5 MPa 时打开，短时间内不通过油滤而直接进入压力油箱。

②液压变速、风扇控制供油系统工作原理：P2 泵从压力油箱吸油，P3 泵作为P2 泵的补油，液压油经过LF3 后，进入CV2 单向阀，然后进入换挡操作阀块，为液压变速控制系统提供压力油；LF3 并联有LF3B，LF3B 的功能和LF2B 类似。经LF3 的液压油经PV2 进入LU 液压离合器油缸作为风扇控制系统工作油液，另外，液压风扇控制系统的润滑油液分别来自通过TV1 和TV2节流阀的RV1 定压阀以及压力油箱的出油。

③联体泵马达系统补油工作原理：经P4 泵和LF3 的液压油分别作为联体泵马达开式工作回路液压油和闭式工作回路补油。

图3-27　综合传动装置电液控制系统结构图

（2）风扇控制系统工作原理分析。

以发动机出水温度为输入量，温度传感器感受发动机的出水温度，送入电控盒，经过电控盒进行数据处理，按需要控制的温度节点控制并输出驱动电磁阀的电信号，该信号为电控系统产生，采用闭环控制，以发动机水温为输入量，以风扇转速为输出量和反馈量。再利用该电磁阀中的电磁开关D1、D2，来改变电磁阀输给调速型液力偶合器的充油量，从而改变液力偶合器的输出转速，驱动风扇，实现系统调速。液力偶合器中泵轮与输入轴相连作同步运动，工作油在泵轮叶片的作用下由叶片内侧向外缘流动，该液流进入涡轮，冲击涡轮转动从而带动输出轴转动驱动风扇。

（3）联体泵马达系统工作原理分析。

联系泵马达系统分为开式工作回路和闭式工作回路。开式工作回路主要是转向信号通过方向盘输入，P4 泵供油通过SDV1 手动机械伺服阀进入DLU 斜盘伺服油缸，输出对P5 双向变量泵的控制信号。液压缸和手动伺服阀是一个整体，构成了双输入闭环反馈控制。通过方向盘的转动控制联体泵马达内集成的伺服阀动作，从而使联体泵马达内的液压缸动作而带动变量泵的斜盘偏转，实现变量泵排量的控制。闭式工作回路是变量泵—定量马达容积调节回路，通过变量泵排量的控制，实现定量马达的输出控制。OV1 和OV2 C 溢流阀实现防止系统过载，OV3 溢流阀实现溢流保护作用，RVG 阀组使补油系统循环并带走变量泵和定量马达工作中因功率损失而产生的热量，控制油液的温度。

（4）液压变速控制系统工作原理分析。

液压变速控制系统的工作原理为：由液压变速控制、风扇控制供油系统供油，进入换挡操作阀块为变速操纵油缸提供压力油。在电控换挡工况下，电控系统电信号作为控制信号，操纵油通过DV 电控电磁阀，再经过HV 手动液控阀的原始位置，作为先导控制信号使SV 液控阀进入工作位置，从而使压力油通过SV 液控阀进入EV 缓冲阀，充入工作油缸使其结合。手动应急换挡是利用SDV 手动换挡阀控制手动液控阀让压力油通过，并使其作为先导控制信号使液控阀进入工作位置，从而使压力油通过液控阀进入缓冲阀，充入工作油缸使其结合。不同的工作油缸结合实现不同的速度挡位控制。电控换挡为主要方式，可以实现空挡N，低速挡1L，1、2、3、4 挡，倒1 挡R1 和倒2 挡R2；手动应急换挡是应急方式，可以实现N、1、3 和R1 挡位。各挡位油缸组合见表3-13。

表3-13　各挡位油缸组合

2）系统接口关系与输入、输出边界条件分析

综合传动装置电液控制系统是液压供油系统、液压变速控制系统、联体泵马达系统、风扇控制系统和电控系统有机连接的集成化系统，其中，液压供油系统为液压变速控制系统、联体泵马达系统和风扇控制系统提供工作油液，电控系统为液压变速控制系统和风扇控制系统提供电控制信号。根据系统分析，综合传动装置电液控制系统的输入为泵动力、油底壳油液和操作动作，系统的输出为电控换挡和手动应急换挡两种工况不同挡位的速度控制，左、右风扇控制和左、右转向控制。

3）系统特性确定

根据系统分析和工程实际，综合传动装置电液控制系统是存在备用相关结构、双输入闭环反馈环节、多故障模式单元、多状态稳压单元和有维修相关性的并联冗余结构的多工况多功能可修系统，其特性如下：

（1）备用相关结构：LF2 和LF2B、LF3 和LF3B 为系统的非输入备用结构，LF2B 和LF3B 为带有转换开关的备用单元。

（2）双输入闭环反馈结构：联体泵马达系统中液压缸和手动伺服阀构成一个双输入闭环反馈环节，其中输入路径C 为手动伺服阀阀体和活塞阀块，反馈路径F 为液压缸，转向盘控制信号为输入信号S1，工作油液为输入信号S2。由于S1、S2、C 和F 有1 个单元故障该闭环反馈结构就停工维修，因此，S1、S2、C 和F 存在停工数为1 的停工相关性。

（3）多状态稳压单元：RV1 和RV2 分别为液压变速控制系统和联体泵马达系统的定压阀，假定压力泵为造成液压油压力波动较大的主要原因。

（4）有维修相关性的并联冗余结构：LF1 滤组和P1 泵组易受环境、油液杂质等共同的原因而同时故障，且维修工仅为1 人时，LF1 滤组和P1 泵组为有维修相关性的并联冗余结构。

（5）系统的工况和功能：综合传动装置电液控制系统主要实现电控换挡和手动应急换挡两种工况的速度控制、风扇控制和转向控制。液压变速控制系统在电控换挡工况下实现5 个前进挡和2 个后退挡的控制，在手动应急换挡工况下实现2 个前进挡和1 个后退挡的控制，其中手动液控阀为B 类多工况多功能单元。风扇控制系统实现左、右风扇的调速控制，其中PV2 阀为B 类多工况多功能单元。联体泵马达系统实现左、右转向控制，其中，PVG 阀组和双向马达为A 类多工况多功能单元。

4）系统成功准则确定

根据系统分析，综合传动装置电液控制系统成功准则定义为：系统能够同时保证电控换挡和手动应急换挡不同挡位的速度控制，左、右风扇控制和左、右转向控制。

5）综合传动装置电液控制系统功能的影响因素确定

本书定义综合传动装置电液控制系统速度控制、风扇控制和转向控制功能受工作时间、功能属性和设计水平3 个因素的影响。

6）新、旧型号综合传动装置电液控制系统可靠性指标确定

根据新型号综合传动装置电液控制系统的要求及专家的方案论证，分析其功能、性能及工作特点等因素，确定新型号综合传动装置电液控制系统的可靠性参数和指标如下：（1）可用度为0.95；（2）故障率为0.052 6 h-1。通过旧型号大量使用数据统计，确定旧型号故障率λS 为0.092 5 h-1，变速控制功能故障率λ1 为0.036 3 h-1，风扇控制功能故障率λ2 为0.026 5 h-1，转向控制功能故障率λ3 为0.029 7 h-1。

2.基于GO 法的综合传动装置电液控制系统优化分配模型建立

（1）根据系统分析，综合传动装置电液控制系统功能故障率分配层次结构如图3-28 所示。

图3-28　综合传动装置电液控制系统功能故障率分配层次结构

（2）综合传动装置电液控制系统GO 图模型。

①系统GO 操作符选取。

根据系统分析，综合传动装置电液控制系统单元和逻辑关系所对应的操作符见表3-14。

表3-14　综合传动装置电液控制系统单元和逻辑关系操作符

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②系统GO 图模型建立。

根据系统分析和表3-14，综合传动装置电液控制系统GO 图如图3-29所示，操作符的第1 个数字代表其编号，第2 个数字代表其类型；信号流上的数字代表其编号；信号流129 为综合传动装置电液控制系统的输出。

图3-29　综合传动装置电液控制系统GO 图模型

3.基于GO 法的综合传动装置电液控制系统优化分配问题的描述

1）综合传动装置电液控制系统功能故障率分配问题的描述

（1）组织5 个来自相关领域的专家分别对图3-28 进行评分，对模糊层次分配结果和新、旧系统分配结果的权重评估进行评分。

（2）分别基于模糊层次分配和新、旧系统分配进行综合传动装置电液控制系统功能故障率分配。

（3）根据模糊层次分配结果和新、旧系统分配结果的权重复合分配得到综合传动装置电液控制系统功能故障率。

2）综合传动装置电液控制系统设计单元故障率和维修率优化分配问题的描述

（1）确定约束条件。

①根据工程实际，确定设计单元故障率和维修率的上、下限，如附表3-1和附表3-2 所示；

②利用设计单元所分配的可靠性参数基于GO 法分析得到的新系统各功能故障率与新系统功能故障率复合分配结果构建功能约束条件；

③利用设计单元所分配的可靠性参数基于GO 法分析得到的新系统可用度与新系统可用度复合分配结果构建系统约束条件。

（2）确定目标函数。

①确定设计单元类型。设计型单元和版本型单元分别见附表3- 1 和附表3-2。

②确定设计单元费用函数。由于本案例假定所有设计单元费用函数相关系数均相同，因此附表3-2 列出版本型单元对应故障率的设计费用。

③目标函数为所有满足约束条件的设计单元费用最小。

（3）确定基于GO 法的综合传动装置电液控制系统优化分配问题的数学模型。

式中：CS 和Cu——系统费用和设计单元费用；

和——使用复合分配法所得的变速控制、风扇控制和转向控制的功能故障率；

和——使用设计单元可靠性参数基于GO 运算所得的变速控制、风扇控制和转向控制的功能故障率；

和——变速控制功能经模糊层次分配和新、旧系统分配所得的功能故障率；

和——风扇控制功能经模糊层次分配和新、旧系统分配所得的功能故障率；

和——转向控制功能经模糊层次分配和新、旧系统分配所得的功能故障率；

p1 和p2——在复合分配结果中模糊层次分配和新、旧系统分配所占的比重；

——使用设计单元可靠性参数基于GO 运算所得系统的可用度；

和λu，max——设计单元u 的故障率、故障率下限和故障率上限；

和μu，max——设计单元u 的维修率、维修率下限和维修率上限。

4.基于GO 法的综合传动装置电液控制系统优化分配模型的求解

1）综合传动装置电液控制系统功能故障率的求解

（1）专家评判。

对于综合传动装置电液控制系统功能故障率分配层次结构图，5 位专家采用an 标度进行评分，假设专家权重分别为0.2、0.2、0.3、0.1、0.2，则准则层B 相对于目标层A 的模糊判断矩阵见表3-15，对象层F 相对于准则层B的模糊判断矩阵分别见表3-16 ～表3-18。

表3-15　准则层B 相对于目标层A 的模糊判断矩阵

表3-16　对象层F 相对于准则层B1 的模糊判断矩阵

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表3-17　对象层F 相对于准则层B2 的模糊判断矩阵

表3-18　对象层F 相对于准则层B3 的模糊判断矩阵

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(www.xing528.com)

对于综合传动装置电液控制系统功能故障率复合分配系数p1 和p2 的估计，5 位专家采用三角模糊数进行评分，见表3-19。

表3-19　功能故障率复合分配系数p1 和p2

（2）基于模糊层次分配的系统功能故障率的求解

①构建模糊判断矩阵。

根据表3-15 ～表3-18，可得准则层B 相对于目标层A 的模糊判断矩阵、对象层F 相对于准则层B1 的模糊判断矩阵、对象层F 相对于准则层B2 的模糊判断矩阵、对象层F 相对于准则层B3 的模糊判断矩阵，分别如下：

②计算局部权重。

准则层B 相对于目标层A 的权重：

w =（0.250 0，0.366 7，0.383 3）

对象层F 相对于准则层B1 的权重：

v1 =（0.348 3，0.403 3，0.248 4）

对象层F 相对于准则层B2 的权重：

v2 =（0.403 3，0.256 7，0.340 0）

对象层F 相对于准则层B3 的权重：

v3 =（0.391 7，0.261 6，0.346 7）

③计算综合权重。

对象层F 相对于目标层A 的权重：

W =w ×（v1，v2，v3）T =（0.385 1，0.295 3，0.319 6）

④综合传动装置电液控制系统功能故障率分配。

（3）基于新、旧系统分配的系统功能故障率的求解

由于新、旧型号综合传动装置电液控制系统结构相似、功能相同，因此选择比例组合故障率分配法所得系统各功能故障率为

（4）基于混合分配的系统功能故障率的求解

①计算p1 和p2

根据表3-19，可得p1 和p2 权重，见表3-20。

表3-20　p1 和p2 权重

②计算综合传动装置电液控制系统功能复合故障率。

由于，因此上述综合传动装置电液控制系统功能故障率分配结果合理。

2）综合传动装置电液控制系统设计单元故障率、维修率和系统费用的求解

优化模型为

在优化模型中，设计单元数为85，决策变量数为170，设计单元类型见附表3-1 和附表3-2。

（1）采用本书的改进遗传算法求解。

①设定算法参数。

设定案例所用改进遗传算法编码方式为实数编码，算法相关参数见表3-21。

表3-21　改进遗传算法参数

②执行算法。

根据最优化模型和算法相关参数执行20 次运算，综合传动装置电液控制系统设计单元故障率、维修率和系统费用所对应算法执行20 次的分配结果分别如图3-30 ～图3-32 所示。基于GO 法分析所得系统可用度和各功能故障率结果见表3-22。

图3-30　算法执行20 次设计单元故障率分配结果

图3-31　算法执行20 次设计单元维修率分配结果

图3-32　算法执行20 次系统费用

表3-22　基于GO 法分析所得系统可用度和各功能故障率结果

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（2）采用本书的改进遗传算法求解。

①设定算法参数。

算法相关参数见表3-23。

表3-23　改进蚁群算法参数

②执行算法

根据优化模型和算法相关参数执行运算，综合传动装置电液控制系统费用所对应算法如图3-33 所示，算法收敛于第344 次迭代，费用为586。

图3-33　改进蚁群算法系统费用

5.综合传动装置电液控制系统分配结果

1）本书改进遗传算法的分配结果

根据图3-30 和图3-31 所对应的数据可知，对于85 个设计单元的故障率和维修率，其对应170 个决策参量，对每个决策参量20 次的结果进行比较，偏离平均水平较大的次数定义为漂移次数，各算法执行次数所对应的设计单元故障率漂移次数和维修率偏移次数见表3-24。

表3-24　各算法执行次数所对应设计单元故障率和维修率的漂移次数

由于对优化模型求解20 次的分配结果均满足条件，所以要根据分配结果的漂移次数和工程实际选择最优解。首先，根据表3-24，不考虑总漂移次数较多的第2 次和第20 次，优先选择总漂移次数最少的第10 次、第11 次、第13 次和第17 次。然后，根据工程实际进行选择。本书选择第10 次的分配结果作为最终解，见表3-25。

表3-25　改进遗传算法执行第10 次的分配结果

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2）本书改进蚁群算法的分配结果

根据图3-33 所示数据可知，系统费用收敛于586；对于85 个设计单元的故障率和维修率分配结果见表3-26。

表3-26　改进蚁群算法的分配结果

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6.结果分析

综上所述：

（1）本书改进遗传算法对优化模型求解20 次的分配结果均满足约束条件，且系统最小费用均为586 ～590；另外，本书改进蚁群算法对优化模型求解的分配结果满足约束条件，且系统费用收敛于586。两种算法所得系统费用结果基本一致，说明本书改进遗传算法和改进蚁群算法有效收敛。

（2）本书改进遗传算法和改进蚁群算法所得设计单元的故障率和维修率一致性高，且设计型单元所分配的故障率数量级为10-3 ～10-4。由于设计型单元故障率的上、下限数量级为10-3 ～10-6，在同等费用的前提下，本书方法的分配结果没有出现集中于故障率数量级两个端点的现象；根据工程实际，设计故障率数量级为10-6 的单元对技术工艺、技术条件等要求更为苛刻，甚至难以实现，而本书的分配结果中故障率数量级为10-6 的单元均为版本型。另外，由表3-24 可知，第2 次和第20 次漂移次数大于12，其余次数均小于4，然而相对于决策变量数170 而言，本书改进遗传算法每次算法执行所得分配结果的总漂移次数是很小的。可见，本书优化分配方法具有工程适用性和合理性，本书改进遗传算法和改进蚁群算法具有合理性和较好的性能。

（3）对比本书改进遗传算法和改进蚁群算法的求解过程可知，为了防止陷入局部最优和得到有效收敛解，本书改进遗传需算法执行多次并选择最优解，但其不受收敛算子的影响；而本书改进蚁群算法一次算法执行即可得到有效收敛解，但其受收敛算子直接影响。因此，本书改进算法各有利弊。

（4）由于本书方法所用的GO 图模型直接关联产品的结构、功能和工作原理等，当产品设计更改时，可快速进行模型修改进行指标分配，且可以考虑系统中存在的复杂特性，不仅为产品设计单元可靠性指标分配裕度提供一种有效的手段，而且为复杂多功能可修系统的权衡优化分配提供了一个有效途径。同时，本书方法的分配过程表明其具有较强的工程适用性和操作性。

附表3-1　设计型单元相关参数

附表3-2　版本型单元相关参数

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