基于可靠性的石油機(jī)械系統(tǒng)全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)模型研究

梅軍華 付群利 韓家員 姜有云

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)石油機(jī)械系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，在可靠性設(shè)計(jì)方面，以全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，以設(shè)計(jì)可靠性為指標(biāo)，將各類部件的控制參數(shù)作為一個(gè)整體，以達(dá)到全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。本文分析了基于可靠性的石油機(jī)械系統(tǒng)全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

關(guān)鍵詞：石油機(jī)械系統(tǒng)；可靠性；全壽命；優(yōu)化設(shè)計(jì)；模型

在很早以前，就有學(xué)者提出基于可靠性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想[1]，采用基于可靠性的石油機(jī)械系統(tǒng)全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，不僅可以降低采購(gòu)成本，也可以有效解決當(dāng)前石油機(jī)械系統(tǒng)所面臨的問題，即石油機(jī)械系統(tǒng)具有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)荷載及環(huán)境因素等問題。因此，分析石油機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型具有十分重要的意義。

1.影響可靠度的因素及因素等級(jí)集的構(gòu)建分析

一般石油機(jī)械系統(tǒng)的零部件主要分為有限壽命部件集、耐久壽命部件集等兩部分。針對(duì)有限壽命部件集（SUFL），通常其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)比系統(tǒng)壽命小的多，在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)，不需要對(duì)其進(jìn)行圍堵，若系統(tǒng)零部件出現(xiàn)故障，只需更換即可，而該部件的控制參數(shù)則為設(shè)計(jì)平均失效壽命。然而，對(duì)于耐久壽命部件集，其全壽命設(shè)計(jì)的控制參數(shù)為設(shè)計(jì)可靠度，當(dāng)該部件出現(xiàn)故障時(shí)，則必須及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、維修，并且該類部件的成本及附加值比較高。

2.可靠度決斷集的構(gòu)建分析

2.1 SUFL時(shí)變可靠度。針對(duì)有限壽命零部件可靠度的定義，在t時(shí)刻內(nèi)，其計(jì)算公式為：Rt（t）=P[Z（t）≥0]=P[G（t）-S（t）≥0]，其中，UFL平均失效時(shí)間的定義為： ， 表示為UFL優(yōu)化控制參數(shù)，其是與R（t）一一對(duì)應(yīng)的。SUFL時(shí)變可靠度主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，機(jī)械系統(tǒng)零部件的可靠度將隨著零部件抗力G（t）的急劇衰減而逐漸降低，尤其是零部件的環(huán)境腐蝕，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度衰減和機(jī)械疲勞；第二，零部件上的荷載效應(yīng)將會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。

2.2 SUDL可靠度。對(duì)于耐久壽命部件集，其壽命與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命T是相同的，將設(shè)計(jì)可靠度作為系統(tǒng)全壽命設(shè)計(jì)控制參數(shù)，其公式為：R（L）（T）=P（ΩT）=P[G（T）-S（T）≥0]，其中，ΩT表示在預(yù)定壽命周期T內(nèi)零部件在正常工作狀態(tài)下的隨機(jī)事件，P（ΩT）表示發(fā)生的概率。

3.可靠性指標(biāo)模糊決策的確定分析

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)于可靠度決斷集的構(gòu)建，首先，應(yīng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的成本費(fèi)用進(jìn)行分析，包括：第一，SUFL成本費(fèi)用，從前面敘述可知，當(dāng)系統(tǒng)零部件失效時(shí)，只需對(duì)其進(jìn)行更換，這就要求準(zhǔn)備備用零部件，由于系統(tǒng)中有限壽命部件的成本費(fèi)用屬于單調(diào)遞增函數(shù)，即零部件數(shù)量越多，設(shè)計(jì)壽命周期越長(zhǎng)，則成本費(fèi)用越高；第二，SUDL成本費(fèi)用，耐久壽命零部件的成本費(fèi)用也屬于單調(diào)遞增函數(shù)，其與設(shè)計(jì)壽命周期相關(guān)聯(lián)，由此可知，機(jī)械系統(tǒng)總成本費(fèi)用是有效壽命部件的成本費(fèi)用與耐久壽命零部件的設(shè)計(jì)可靠度向量之和。

其次，針對(duì)系統(tǒng)的損失期望，其計(jì)算公式為：L=L（U）+L（s），其中，L（U）表示零部件失效的損失期望，L（s）表示整個(gè)系統(tǒng)失效所造成的損失。在零部件失效方面，由于有限壽命零部件的成本費(fèi)用較低，若零部件失效，其只需要更換即可，該零部件不會(huì)造成較大的損失，并且失效損失將會(huì)納入到成分費(fèi)用中，因此，零部件的損失期望主要由時(shí)不變SUDL和時(shí)變SUDL損失期望決定，然而，時(shí)不變損失期望主要零部件失效損失和失效概率決定，而時(shí)變的損失期望主要由時(shí)間決定，根據(jù)相關(guān)資料表明，零部件失效的損失期望為零部件的維護(hù)、維修成本費(fèi)用，因此，在優(yōu)化模型設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮零部件失效的損失期望。另一方面，系統(tǒng)失效。若出現(xiàn)系統(tǒng)失效的情況，將會(huì)造成斷電斷水、停工停產(chǎn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致難以達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算這些因素造成的損失，在全壽命周期內(nèi)，系統(tǒng)的損失期望公式為： ，其中，系統(tǒng)可靠度是時(shí)間t的函數(shù)。另外，在計(jì)算損失期望中，也應(yīng)將經(jīng)濟(jì)效益期望計(jì)算機(jī)在損失值中，其主要原因是系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益直接決定了用戶的管理水平。

再者，在損失方面，第一，UDL失效，其主要表現(xiàn)在直接經(jīng)濟(jì)損失及間接損失方面， 在間接損失中，主要包括相關(guān)聯(lián)零部件及附屬結(jié)構(gòu)所造成的損失；第二，系統(tǒng)失效，主要包括停工停產(chǎn)、環(huán)境問題，系統(tǒng)失效及大型機(jī)械系統(tǒng)等失效后所造成的經(jīng)濟(jì)損失，由于石油采集屬于投資資金多、具有危險(xiǎn)性的行業(yè)，在石油機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行中，難免會(huì)出現(xiàn)非正常失效的情況，這就給石油采集造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，正確分析、評(píng)估石油機(jī)械所造成的失效損失值，提高物資供應(yīng)的可靠度水平，這就要求在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮社會(huì)及市場(chǎng)因素所造成的影響，在系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)，其損失值可以表達(dá)為：D（S）（t）=D（S1）（t）+D（S2）（t）+D（S3）（t）+D（S4）（t），其中，D（S1）（t）表示停工停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟(jì)損失，D（S2）（t）表示系統(tǒng)失效后所造成的經(jīng)濟(jì)損失，D（S3）（t）表示大型機(jī)械系統(tǒng)失效后造成的經(jīng)濟(jì)損失，D（S4）（t）表示由環(huán)境問題所造成的經(jīng)濟(jì)損失。由此可知，機(jī)械系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用模型主要是零部件成本費(fèi)用及長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益，其系統(tǒng)優(yōu)化公式為：系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用=成本費(fèi)用+損失期望。

4.結(jié)束語

在系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮零部件的成本費(fèi)用及損失期望值，將設(shè)計(jì)可靠度作為系統(tǒng)零部件控制參數(shù)，充分重視可靠度指標(biāo)與成本費(fèi)用與損失期望的關(guān)系，最終建立基于可靠性的系統(tǒng)全壽命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

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