考虑随机变阈值的车轮相依竞争失效可靠性建模
RELIABILITY MODELING OF THE WHEEL DEPENDENT COMPETING FAILURES CONSIDERING RANDOM VARIABLE THRESHOLDS
- 机械强度 2025年47卷第11期 页码：150-158
- 作者机构：
1.兰州交通大学 研究院，兰州 730070
2.兰州交通大学 机电技术研究所，兰州 730070
3.湘西民族职业技术学院，湘西 416000
4.中车兰州机车有限公司，兰州 730070
5.中国铁路兰州局集团有限公司 机务部，兰州 730030
- 作者简介：
QI Jinping, E-mail: qijinping@lzjtu.cn
- 基金信息：国家自然科学基金项目(71861021;72361019);甘肃省重点研发项目(23YFGA0050)
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.018
中图分类号： U271.91收稿：2024-03-05，
修回：2024-05-16，
纸质出版：2025-11-15
- 稿件说明：
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齐金平，冯洪，刘晓宇，等. 考虑随机变阈值的车轮相依竞争失效可靠性建模［J］. 机械强度，2025，47（11）：150-158.
QI Jinping，FENG Hong，LIU Xiaoyu，et al. Reliability modeling of the wheel dependent competing failures considering random variable thresholds［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：150-158.
齐金平，冯洪，刘晓宇，等. 考虑随机变阈值的车轮相依竞争失效可靠性建模［J］. 机械强度，2025，47（11）：150-158. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.018.
QI Jinping，FENG Hong，LIU Xiaoyu，et al. Reliability modeling of the wheel dependent competing failures considering random variable thresholds［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：150-158. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.018.
摘要
由于车轮在正常运行中受磨损、冲击等多种因素的耦合作用会产生退化现象，而当前研究则是多考虑单一因素影响，并认为车轮失效的阈值为定值，因而无法准确反映车轮退化规律，为此提出一种考虑变阈值的相依竞争失效模型，分别采用非平稳Gamma过程和极端冲击描述车轮的自然退化和冲击过程，认为冲击导致的自然退化增量与冲击幅值具有相依性；令冲击失效阈值服从正态分布，表征自然退化对冲击失效阈值的随机性影响。基于某型动车组的车轮轮缘实测磨耗数据进行实例计算，并通过蒙特卡洛仿真方法进行对比研究，验证了所提建模方法的可行性和有效性，为车轮维修周期优化提供科学参考。
Abstract
Wheels degraded during normal operation due to the coupling effect of multiple factors such as wear and impact. However
most existing studies only considered the influence of a single factor and regarded the failure threshold as a fixed value
thus failing to accurately reflect the wheel degradation law.For this reason
a dependent competing failure model considering variable thresholds was proposed. The non-stationary Gamma process and extreme shocks were used to describe the natural degradation and shock process of wheels
respectively. It was assumed that the natural degradation increment caused by shocks was dependent on the shock amplitude. The shock failure threshold was set to follow a normal distribution
so as to characterize the random influence of natural degradation on the shock failure threshold. Case calculations were conducted based on the measured wear data of the wheel flange of a certain EMU
and a comparative study is carried out using the Monte Carlo simulation method. The results verify the feasibility and effectiveness of the proposed modeling method
which can provide a reference for the optimization of wheel maintenance cycles.
关键词
Keywords
references
FREITAS M A ， DE TOLEDO M L G ， COLOSIMO E A ， et al . Using degradation data to assess reliability：a case study on train wheel degradation ［J］. Quality and Reliability Engineering International ， 2009 ， 25 （ 5 ）： 607 - 629 .
吕昊 ， 金雄程 ， 林录样 . 基于Copula的车轮Gamma退化过程 ［J］. 东北大学学报（自然科学版） ， 2021 ， 42 （ 4 ）： 544 - 549 .
LÜ Hao ， JIN Xiongcheng ， LIN Luyang . Wheel Gamma degradation process based on Copula function ［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science） ， 2021 ， 42 （ 4 ）： 544 - 549 . （In Chinese）
魏子龙 ， 孙宪夫 ， 杨飞 ， 等 . 车轮多边形激扰下轨道几何检测数据偏差规律及限值研究 ［J］. 振动与冲击 ， 2023 ， 42 （ 7 ）： 207 - 216 .
WEI Zilong ， SUN Xianfu ， YANG Fei ， et al . Deviation laws and limit value of track geometry detection data under excitation of wheel polygon ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2023 ， 42 （ 7 ）： 207 - 216 . （In Chinese）
GIORGIO M ， GUIDA M ， PULCINI G . The transformed Gamma process for degradation phenomena in presence of unexplained forms of unit-to-unit variability ［J］. Quality and Reliability Engineering International ， 2018 ， 34 （ 4 ）： 543 - 562 .
殷泽凯 ， 郭宇 . 基于Jeffreys先验的参数相关退化可靠性评估 ［J］. 机械强度 ， 2024 ， 46 （ 1 ）： 249 - 254 .
YIN Zekai ， GUO Yu . Dependent parameters degradation reliability assessment based on Jeffreys noninformative prior parameters ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 1 ）： 249 - 254 . （In Chinese）
李犟 ， 吴和成 . 基于数据驱动方法的性能退化数据可靠性评估建模 ［J］. 机械强度 ， 2021 ， 43 （ 6 ）： 1341 - 1347 .
LI Jiang ， WU Hecheng . Reliability assessment modeling for performance degradation data based on data-driven method ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2021 ， 43 （ 6 ）： 1341 - 1347 . （In Chinese）
RAFIEE K ， FENG Q M ， COIT D W . Reliability modeling for dependent competing failure processes with changing degradation rate ［J］. IIE Transactions ， 2014 ， 46 （ 5 ）： 483 - 496 .
师海燕 ， 魏淳 ， 温艳清 ， 等 . 不确定理论下竞争失效系统的可靠性分析 ［J］. 北京航空航天大学学报 ， 2021 ， 47 （ 1 ）： 84 - 89 .
SHI Haiyan ， WEI Chun ， WEN Yanqing ， et al . Reliability analysis for systems subject to competing failure processes based on uncertainty theory ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2021 ， 47 （ 1 ）： 84 - 89 . （In Chinese）
LI W J ， HOANG P . Reliability modeling of multi-state degraded systems with multi-competing failures and random shocks ［J］. IEEE Transactions on Reliability ， 2005 ， 54 （ 2 ）： 297 - 303 .
PENG H ， FENG Q M ， COIT D W . Reliability and maintenance modeling for systems subject to multiple dependent competing failure processes ［J］. IIE Transactions ， 2010 ， 43 （ 1 ）： 12 - 22 .
JIANG L ， FENG Q M ， COIT D W . Modeling zoned shock effects on stochastic degradation in dependent failure processes ［J］. IIE Transactions ， 2015 ， 47 （ 5 ）： 460 - 470 .
孙富强 ， 李艳宏 ， 程圆圆 . 考虑有效冲击量级的退化-冲击竞争失效建模 ［J］. 振动、测试与诊断 ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 152 - 158 .
SUN Fuqiang ， LI Yanhong ， CHENG Yuanyuan . Reliability modeling of degradation-shock competing system considering effective shock magnitude ［J］. Journal of Vibration ，Measurement & Diagnosis， 2023 ， 43 （ 1 ）： 152 - 158 . （In Chinese）
常春波 ， 曾建潮 . 极端冲击下系统竞争性失效过程的可靠性建模 ［J］. 系统工程理论与实践 ， 2015 ， 35 （ 5 ）： 1332 - 1338 .
CHANG Chunbo ， ZENG Jianchao . Reliability modeling for dependent competing failure process under extreme shock ［J］. Systems Engineering-Theory & Practice ， 2015 ， 35 （ 5 ）： 1332 - 1338 . （In Chinese）
胡启国 ， 高展 . 考虑区域冲击影响的系统竞争失效可靠性建模 ［J］. 系统仿真学报 ， 2021 ， 33 （ 5 ）： 1070 - 1077 .
HU Qiguo ， GAO Zhan . System reliability modeling in competitive failure considering zoned shock effect ［J］. Journal of System Simulation ， 2021 ， 33 （ 5 ）： 1070 - 1077 . （In Chinese）
JIANG L ， FENG Q M ， COIT D W . Reliability and maintenance modeling for dependent competing failure processes with shifting failure thresholds ［J］. IEEE Transactions on Reliability ， 2012 ， 61 （ 4 ）： 932 - 948 .
王嘉 ， 张云安 ， 韩旭 . 基于互依关系的退化与随机冲击建模研究 ［J］. 机械工程学报 ， 2021 ， 57 （ 2 ）： 230 - 238 .
WANG Jia ， ZHANG Yun’an ， HAN Xu . Research on the degradation process and random shocks modeling based on their interdependency ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2021 ， 57 （ 2 ）： 230 - 238 . （In Chinese）
HAO S H ， YANG J ， MA X B ， et al . Reliability modeling for mutually dependent competing failure processes due to degradation and random shocks ［J］. Applied Mathematical Modelling ， 2017 ， 51 ： 232 - 249 .
USYNIN A ， HINES J W ， URMANOV A . Uncertain failure thresholds in cumulative damage models ［C］// 2008 Annual Reliability and Maintainability Symposium . New York ： IEEE ， 2008 ： 334 - 340 .
夏悦馨 ， 方志耕 . 考虑失效阈值随机性的退化-冲击竞争失效建模 ［J］. 北京航空航天大学学报 ， 2023 ， 49 （ 8 ）： 2079 - 2088 .
XIA Yuexin ， FANG Zhigeng . Degradation-shock competing failure modeling considering randomness of failure threshold ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2023 ， 49 （ 8 ）： 2079 - 2088 . （In Chinese）
王新刚 ， 申强 ， 韩凯忠 ， 等 . 竞争失效下多元退化建模的航空发动机可靠性分析 ［J］. 东北大学学报（自然科学版） ， 2021 ， 42 （ 6 ）： 807 - 813 .
WANG Xingang ， SHEN Qiang ， HAN Kaizhong ， et al . Reliability analysis of aero-engines based on multivariate degradation modeling under competitive failure ［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science） ， 2021 ， 42 （ 6 ）： 807 - 813 . （In Chinese）
杨志远 ， 赵建民 ， 程中华 ， 等 . 基于退化相关性分析的竞争失效系统可靠性模型 ［J］. 兵工学报 ， 2020 ， 41 （ 7 ）： 1423 - 1433 .
YANG Zhiyuan ， ZHAO Jianming ， CHENG Zhonghua ， et al . Reliability model of competing failure system with dependent degradation ［J］. Acta Armamentarii ， 2020 ， 41 （ 7 ）： 1423 - 1433 . （In Chinese）
WANG H W ， XU T X ， MI Q L . Lifetime prediction based on Gamma processes from accelerated degradation data ［J］. Chinese Journal of Aeronautics ， 2015 ， 28 （ 1 ）： 172 - 179 .
BIAN L N ， WANG G J ， LIU P . Reliability analysis for multi-component systems with interdependent competing failure processes ［J］. Applied Mathematical Modelling ， 2021 ， 94 ： 446 - 459 .
王新刚 ， 马瑞敏 ， 黄小凯 ， 等 . 基于性能退化的失效阈值变化速率对产品可靠性的影响 ［J］. 航天器环境工程 ， 2020 ， 37 （ 2 ）： 137 - 142 .
WANG Xingang ， MA Ruimin ， HUANG Xiaokai ， et al . Effect of failure threshold change rate on the anlysis of product reliability based on performance degradation ［J］. Spacecraft Environment Engineering ， 2020 ， 37 （ 2 ）： 137 - 142 . （In Chinese）
GAO H D ， CUI L R ， QIU Q G . Reliability modeling for degradation-shock dependence systems with multiple species of shocks ［J］. Reliability Engineering & System Safety ， 2019 ， 185 ： 133 - 143 .
陈红霞 ， 张俊峰 ， 马爱博 ， 等 . 基于改进贝叶斯的重型数控机床可靠性研究 ［J］. 电子科技大学学报 ， 2023 ， 52 （ 1 ）： 140 - 145 .
CHEN Hongxia ， ZHANG Junfeng ， MA Aibo ， et al . Reliability research of heavy CNC machine tools based on improved Bayesian ［J］. Journal of University of Electronic Science and Technology of China ， 2023 ， 52 （ 1 ）： 140 - 145 . （In Chinese）
郭庆 ， 李印龙 ， 张渝舜 . 基于风扇退化的涡扇发动机寿命衰减双参数评估方法研究 ［J］. 推进技术 ， 2023 ， 44 （ 7 ）： 234 - 242 .
GUO Qing ， LI Yinlong ， ZHANG Yushun . A two-parameter evaluation method of turbofan engine life decay based on fan degradation ［J］. Journal of Propulsion Technology ， 2023 ， 44 （ 7 ）： 234 - 242 . （In Chinese）
刘金山 ， 夏强 . 基于MCMC算法的贝叶斯统计方法 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ， 2016 ： 4 - 24 .
LIU Jinshan ， XIA Qiang . Bayesian statistical method based on MCMC algorithm ［M］. Beijing ： Science Press ， 2016 ： 4 - 24 . （In Chinese）
马佳琳 . 考虑连续退化和随机冲击相依竞争失效的系统可靠性分析 ［D］. 西安 ： 西安理工大学 ， 2022 ： 28 - 30 .
MA Jialin . System reliability analysis considering continuous degradation and random shock dependent competitive failure ［D］. Xi’an ： Xi’an University of Technology ， 2022 ： 28 - 30 . （In Chinese）
WANG Z H ， CAO S H ， LI W B ， et al . Reliability modeling for competing failure processes considering degradation rate variation under cumulative shock ［J］. Quality and Reliability Engineering International ， 2023 ， 39 （ 1 ）： 47 - 66 .
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