系統(tǒng)可用性分析方法在瀝青拌和設(shè)備中的應(yīng)用

劉小鵝，樊學(xué)能，田晉躍

(1.江蘇華通動力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002； 2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

系統(tǒng)可用性分析方法在瀝青拌和設(shè)備中的應(yīng)用

劉小鵝1，樊學(xué)能2，田晉躍2

(1.江蘇華通動力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002； 2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對瀝青攪拌設(shè)備使用過程的問題，采用系統(tǒng)可用性分析方法進行分析。介紹了進行可用度權(quán)衡需考慮的問題和詳細步驟，對實際案例進行分析，提出備選方案，比較后獲得最優(yōu)方案。簡要介紹了利用最佳費用曲線模型對可用度與壽命周期費用間的綜合權(quán)衡。最后結(jié)合實際案例，詳細介紹了該方法的分析過程，由此論證了系統(tǒng)可用性方法應(yīng)用到瀝青拌和設(shè)備中的可行性。

系統(tǒng)可用性；瀝青拌和設(shè)備；設(shè)備壽命周期費用；最佳費用曲線

0 引 言

可靠性、維修性和可用性都是對瀝青拌和設(shè)備系統(tǒng)效能的一種度量，三者間存在著相當(dāng)大的權(quán)衡余地。在設(shè)備的使用過程中，應(yīng)對技術(shù)風(fēng)險、壽命周期費用、維修等因素綜合考慮，在可靠性、維修性和可用性三者間求得合理的平衡。

可用度綜合權(quán)衡主要是通過確定可用度要求并落實到系統(tǒng)的可靠性、維修性指標上，使系統(tǒng)達到預(yù)期的優(yōu)化目標。本文采用系統(tǒng)可用性技術(shù)，針對瀝青攪拌設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)對瀝青攪拌設(shè)備可靠性、維修性和可用性的綜合優(yōu)化。

1 可靠性、維修性與可用度權(quán)衡的方法

在可用度權(quán)衡過程中，一般需要考慮3個主要方面的問題[1]。

(1) 故障的后果。故障的影響主要包括對安全性的影響、對工作能力的影響以及對所需負擔(dān)經(jīng)濟因素的影響。如果故障的后果超出了安全性故障允許的范圍，或影響任務(wù)的完成，則方案不可行，需要進一步優(yōu)化。這方面的考慮通常是輸出系統(tǒng)的可靠性與維修性的最低可接受參數(shù)值。

(2) 技術(shù)可行性。分析所選定的有關(guān)參數(shù)在技術(shù)上是否可行，技術(shù)可行性分析構(gòu)成了系統(tǒng)可靠性、維修性參數(shù)的約束之一。

(3) 經(jīng)濟負擔(dān)能力。經(jīng)濟負擔(dān)是工程費用、使用及維持費用或壽命周期費用。一般情況下，用壽命周期費用進行度量。

1.1 可靠性、維修性與可用度權(quán)衡分析的步驟

對設(shè)備進行可靠性、維修性與可用度權(quán)衡分析的步驟如下[2]。

(1) 確定可行域。根據(jù)給定的固有可用度A，在以MTBF(平均故障間隔時間)為橫坐標、MTTR(平均修理時間)為縱坐標的坐標系中，畫出可用度曲線，再根據(jù)技術(shù)可行性以及故障后果等因素確定MTBF和MTTR的上、下限，并在可用度曲線圖中進行標識，從而確定權(quán)衡的可行域。

(2) 擬定備選方案。從不同的角度出發(fā)，提出具有代表性的設(shè)計方案。例如，可靠性設(shè)計可以采用降額使用、余度設(shè)計、高可靠性的部件等，維修性設(shè)計可考慮模塊化設(shè)計、自測試方案等。

(3) 權(quán)衡決策。根據(jù)已經(jīng)確定的可行域和備選方案，確定優(yōu)化準則，選定最佳方案。

1.2 案例分析

設(shè)計要求瀝青拌和設(shè)備的固有可用度為0.99，并且MTTR不大于4 h，MTBF不小于200 h。如圖1所示。

(1) 畫出可用度曲線，可行域如圖1中陰影部分。如果沒有其他限制，凡在陰影區(qū)內(nèi)的方案都能滿足要求，該陰影區(qū)就是權(quán)衡區(qū)，即可行區(qū)。

可以從兩個角度考慮權(quán)衡問題：一是將可用度固定，在該可用度的斜線上兩個允許的端點間選擇MTTR和MTBF的合適組合；二是將可用度提高，這樣可以選擇的范圍逐漸增加，直至擴大到整個陰影區(qū)。

(2) 確定備選方案。提出4種備選方案， 4個備選方案都在可行域內(nèi)，如表1所示。

(3) 權(quán)衡決策。由于4個備選方案都在可行區(qū)內(nèi)，都符合基本的要求，因此必須施加某些其他的約束條件從中擇優(yōu)?，F(xiàn)以費用最低作為約束條件，估算不同方案的費用(包含采購費用、使用及維持費用和壽命周期費用)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)不同方案及費用估算結(jié)果分析，雖然方案4采購費較高，但其使用和維持費用較低，因而壽命周期費用最低，可用度較高，故方案4為理想的選擇。

2 最佳費用曲線模型

在一定的LCC(壽命周期費用)約束下，利用可用度進行綜合權(quán)衡的實質(zhì)是權(quán)衡維修性、可靠性間的關(guān)系問題?？捎枚葯?quán)衡問題與壽命周期費用權(quán)衡問題本是兩類權(quán)衡問題，對兩者進行權(quán)衡分析，可使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€權(quán)衡問題。最佳費用曲線的理論為解決上述問題提供了理論指導(dǎo)[3]。

下面結(jié)合瀝青拌和設(shè)備實例，對如何利用最佳費用曲線模型進行可用度與LCC綜合權(quán)衡予以簡要介紹。

2.1 等費用曲線模型

圖2為建立的等費用曲線模型。建立該曲線模型主要依據(jù)系統(tǒng)的可靠性、維修性和系統(tǒng)壽命周期費用間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

由圖2可知，在當(dāng)前維修性、可靠性的區(qū)間，等費用曲線曲率值較小，可用一直線近似表達。

在同樣數(shù)值的壽命周期費用下，可用度為不同數(shù)值。圖2中作出一條與等費用曲線相交一點的帶箭頭的直線，把原點和交點連接成直線，壽命周期費用沿著箭頭所指方向呈現(xiàn)遞增的趨勢[4]。

2.2 等可用度曲線

在計算固有可用度時，需要參照以下公式

(1)

若A為常數(shù)，則可得

(2)

該曲線上可用度為相同值，壽命周期費用為不同值。自原點作出圖中所示帶箭頭的直線，該直線與等可用度曲線相交于一點，朝向箭頭右側(cè)的交點代表可用度增加。

2.3 最佳費用曲線

在瀝青拌和設(shè)備的使用過程中，需達到兩種特殊要求：某一可用度下，存在最少壽命周期費用；某一壽命周期費用下，存在最大可用度。MTTR和MTBF的最佳組合和最佳費用點的獲取方法為：把上述已求取的等費用曲線與等可用度曲線重疊，找到兩曲線的切點，該切點即為所求點。

圖4為最佳費用曲線模型，該曲線通過將上述切點順次相連獲得，在權(quán)衡中可以將其視為重要依據(jù)。實際設(shè)計工作中利用最佳費用曲線，使設(shè)計點盡可能落到該曲線上[5]。

3 實例分析

實例分析基于臺數(shù)為n的瀝青拌和設(shè)備。已知條件為：設(shè)備目標壽命30 000 h。則可靠性(維修性)獲取費用為

可靠性(維修性)和使用費用的關(guān)系COMC=10×30 000×(0.5MTBF-0.624MTTR0.394+

0.286 4MTBF-0.556 1(-MTTR)0.887 4)

考慮到報廢處置費數(shù)值較小，通常不計入計算內(nèi)容中，故

C=CAC+COMC

在固有可用度A為0.85的情況下，要保證最小壽命周期費用，可采用如下方法求取維修性和可靠性的最佳組合。

(1) 采用2.2所述的方法構(gòu)造固有可用度為0.85時的等可用度模型，如圖5所示。

(2) 根據(jù)維修性和可靠性設(shè)計方案對MTBF、MTTR的要求，參照圖5所示取值范圍，可獲得在該區(qū)間中壽命周期費用和MTBF的曲線模型，如圖6所示。

由圖6可知，MTBF=6.4 h、MTTR=1.13 h即為維修性和可靠性的最佳組合。此時，平均故障間隔時間為6.4 h，平均修理時間為1.13 h，壽命周期費用最小。

同樣，對于確定的LCC，可利用類似方法獲得維修性和可靠性的最佳組合，進而求得最大的固有可用度A。最佳費用曲線可以根據(jù)已知的固有可用度和壽命周期費用求得[6]。

4 結(jié) 語

(1) 對于瀝青攪拌設(shè)備在使用過程中的可用度問題，可以通過確定瀝青攪拌設(shè)備可靠性、維修性和可用性的各項指標來實現(xiàn)綜合優(yōu)化。

( 2) 結(jié)合瀝青攪拌設(shè)備的案例分析，證明提出的可靠性、維修性與可用度權(quán)衡分析方法是有效可行的。

[1] 吳永平.工程機械可靠性[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 李良巧.可靠性工程師手冊[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2012.

[3] 彭 舉.瀝青混合料攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[4] 高志偉.乳化瀝青微表處混合料耐火性研究[J].筑路機械與施工機械化，2014，31(9)：68-71.

[5] 林俊濤，吳小鵬.瀝青路面功能性預(yù)養(yǎng)護材料的養(yǎng)護時機研究[J].中國公路學(xué)報，2014,27(9):19-24.

[6] 劉洪濤，周 峰，董進勇.攪拌設(shè)備瀝青配料誤差分析與修正技術(shù)研究[J].筑路機械與施工機械化，2014，31(1)：99-102.

[責(zé)任編輯:王玉玲]

Application of System Availability Analysis Method to Asphalt Mixing Plant

LIU Xiao-e1, FAN Xue-neng2, TIAN Jin-yue2

(1. Huatong Kinetics Co. Ltd., Zhenjiang 212002,Jiangsu, China； 2. School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In order to deal with problems of asphalt mixing equipment in using process, system availability analysis method was adopted. Problems and detailed procedure that deserve concern while weighing availability were introduced. Alternatives were put forward after analyzing practical case. Finally, the optimal case was chosen by comparison. Comprehensive weighing of availability and life cycle cost was introduced briefly by using the curve models of optimal cost. Analysis procedure of the method was explained in detail by utilizing a practical case in the end, which illustrates the feasibility of system availability analysis method.

system availability; asphalt mixing plant; equipment life cycle cost; optimal cost curve

1000-033X(2015)04-0051-04

2014-11-17

U415.5

B