基于可靠性的石油機械系統全壽命優化設計模型研究

梅軍華 付群利 韓家員 姜有云

摘要：隨著社會經濟的高速發展，對石油機械系統的可靠性提出了更高的要求，在可靠性設計方面，以全壽命優化設計為主導，以設計可靠性為指標，將各類部件的控制參數作為一個整體，以達到全系統優化設計的目的。本文分析了基于可靠性的石油機械系統全壽命優化設計模型。

關鍵詞：石油機械系統；可靠性；全壽命；優化設計；模型

在很早以前，就有學者提出基于可靠性的結構優化設計指導思想[1]，采用基于可靠性的石油機械系統全壽命優化設計模型，不僅可以降低采購成本，也可以有效解決當前石油機械系統所面臨的問題，即石油機械系統具有的結構復雜、動態荷載及環境因素等問題。因此，分析石油機械系統的優化設計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集的構建分析

一般石油機械系統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。針對有限壽命部件集（SUFL），通常其壽命遠遠比系統壽命小的多，在系統壽命周期內，不需要對其進行圍堵，若系統零部件出現故障，只需更換即可，而該部件的控制參數則為設計平均失效壽命。然而，對于耐久壽命部件集，其全壽命設計的控制參數為設計可靠度，當該部件出現故障時，則必須及時對其進行維護、維修，并且該類部件的成本及附加值比較高。

2.可靠度決斷集的構建分析

2.1 SUFL時變可靠度。針對有限壽命零部件可靠度的定義，在t時刻內，其計算公式為：Rt（t）=P[Z（t）≥0]=P[G（t）-S（t）≥0]，其中，UFL平均失效時間的定義為： ， 表示為UFL優化控制參數，其是與R（t）一一對應的。SUFL時變可靠度主要體現在兩個方面：第一，機械系統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，尤其是零部件的環境腐蝕，將會導致機械強度衰減和機械疲勞；第二，零部件上的荷載效應將會隨著時間的變化而變化。

2.2 SUDL可靠度。對于耐久壽命部件集，其壽命與系統的設計壽命T是相同的，將設計可靠度作為系統全壽命設計控制參數，其公式為：R（L）（T）=P（ΩT）=P[G（T）-S（T）≥0]，其中，ΩT表示在預定壽命周期T內零部件在正常工作狀態下的隨機事件，P（ΩT）表示發生的概率。

3.可靠性指標模糊決策的確定分析

在優化設計中，對于可靠度決斷集的構建，首先，應對機械系統的成本費用進行分析，包括：第一，SUFL成本費用，從前面敘述可知，當系統零部件失效時，只需對其進行更換，這就要求準備備用零部件，由于系統中有限壽命部件的成本費用屬于單調遞增函數，即零部件數量越多，設計壽命周期越長，則成本費用越高；第二，SUDL成本費用，耐久壽命零部件的成本費用也屬于單調遞增函數，其與設計壽命周期相關聯，由此可知，機械系統總成本費用是有效壽命部件的成本費用與耐久壽命零部件的設計可靠度向量之和。

其次，針對系統的損失期望，其計算公式為：L=L（U）+L（s），其中，L（U）表示零部件失效的損失期望，L（s）表示整個系統失效所造成的損失。在零部件失效方面，由于有限壽命零部件的成本費用較低，若零部件失效，其只需要更換即可，該零部件不會造成較大的損失，并且失效損失將會納入到成分費用中，因此，零部件的損失期望主要由時不變SUDL和時變SUDL損失期望決定，然而，時不變損失期望主要零部件失效損失和失效概率決定，而時變的損失期望主要由時間決定，根據相關資料表明，零部件失效的損失期望為零部件的維護、維修成本費用，因此，在優化模型設計中，應充分考慮零部件失效的損失期望。另一方面，系統失效。若出現系統失效的情況，將會造成斷電斷水、停工停產等現象，導致難以達到設計的目標，因此，在設計過程中，應準確計算這些因素造成的損失，在全壽命周期內，系統的損失期望公式為： ，其中，系統可靠度是時間t的函數。另外，在計算損失期望中，也應將經濟效益期望計算機在損失值中，其主要原因是系統運行的經濟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，其主要表現在直接經濟損失及間接損失方面， 在間接損失中，主要包括相關聯零部件及附屬結構所造成的損失；第二，系統失效，主要包括停工停產、環境問題，系統失效及大型機械系統等失效后所造成的經濟損失，由于石油采集屬于投資資金多、具有危險性的行業，在石油機械系統運行中，難免會出現非正常失效的情況，這就給石油采集造成嚴重的經濟損失。因此，正確分析、評估石油機械所造成的失效損失值，提高物資供應的可靠度水平，這就要求在設計過程中，應充分考慮社會及市場因素所造成的影響，在系統全壽命周期內，其損失值可以表達為：D（S）（t）=D（S1）（t）+D（S2）（t）+D（S3）（t）+D（S4）（t），其中，D（S1）（t）表示停工停產所造成的經濟損失，D（S2）（t）表示系統失效后所造成的經濟損失，D（S3）（t）表示大型機械系統失效后造成的經濟損失，D（S4）（t）表示由環境問題所造成的經濟損失。由此可知，機械系統全壽命周期費用模型主要是零部件成本費用及長期的經濟效益，其系統優化公式為：系統全壽命周期費用=成本費用+損失期望。

4.結束語

在系統全壽命周期內，在設計過程中應充分考慮零部件的成本費用及損失期望值，將設計可靠度作為系統零部件控制參數，充分重視可靠度指標與成本費用與損失期望的關系，最終建立基于可靠性的系統全壽命周期優化設計模型。

參考文獻：

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