系統可用性分析方法在瀝青拌和設備中的應用

劉小鵝，樊學能，田晉躍

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

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系統可用性分析方法在瀝青拌和設備中的應用

劉小鵝1，樊學能2，田晉躍2

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

針對瀝青攪拌設備使用過程的問題，采用系統可用性分析方法進行分析。介紹了進行可用度權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衡。最后結合實際案例，詳細介紹了該方法的分析過程，由此論證了系統可用性方法應用到瀝青拌和設備中的可行性。

系統可用性；瀝青拌和設備；設備壽命周期費用；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備系統效能的一種度量，三者間存在著相當大的權衡余地。在設備的使用過程中，應對技術風險、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。

可用度綜合權衡主要是通過確定可用度要求并落實到系統的可靠性、維修性指標上，使系統達到預期的優化目標。本文采用系統可用性技術，針對瀝青攪拌設備在使用過程中出現的問題，實現對瀝青攪拌設備可靠性、維修性和可用性的綜合優化。

1 可靠性、維修性與可用度權衡的方法

在可用度權衡過程中，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經濟因素的影響。如果故障的后果超出了安全性故障允許的范圍，或影響任務的完成，則方案不可行，需要進一步優化。這方面的考慮通常是輸出系統的可靠性與維修性的最低可接受參數值。

(2) 技術可行性。分析所選定的有關參數在技術上是否可行，技術可行性分析構成了系統可靠性、維修性參數的約束之一。

(3) 經濟負擔能力。經濟負擔是工程費用、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、維修性與可用度權衡分析的步驟

對設備進行可靠性、維修性與可用度權衡分析的步驟如下[2]。

(1) 確定可行域。根據給定的固有可用度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，再根據技術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，從而確定權衡的可行域。

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

(3) 權衡決策。根據已經確定的可行域和備選方案，確定優化準則，選定最佳方案。

1.2 案例分析

設計要求瀝青拌和設備的固有可用度為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，凡在陰影區內的方案都能滿足要求，該陰影區就是權衡區，即可行區。

可以從兩個角度考慮權衡問題：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。

(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，如表1所示。

(3) 權衡決策。由于4個備選方案都在可行區內，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。現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)，具體數據如表2所示。

根據不同方案及費用估算結果分析，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衡的實質是權衡維修性、可靠性間的關系問題。可用度權衡問題與壽命周期費用權衡問題本是兩類權衡問題，對兩者進行權衡分析，可使其轉變為一個權衡問題。最佳費用曲線的理論為解決上述問題提供了理論指導[3]。

下面結合瀝青拌和設備實例，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系統的可靠性、維修性和系統壽命周期費用間的數學關系。

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

在同樣數值的壽命周期費用下，可用度為不同數值。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，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，朝向箭頭右側的交點代表可用度增加。

2.3 最佳費用曲線

在瀝青拌和設備的使用過程中，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，在權衡中可以將其視為重要依據。實際設計工作中利用最佳費用曲線，使設計點盡可能落到該曲線上[5]。

3 實例分析

實例分析基于臺數為n的瀝青拌和設備。已知條件為：設備目標壽命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值較小，通常不計入計算內容中，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) 根據維修性和可靠性設計方案對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已知的固有可用度和壽命周期費用求得[6]。

4 結 語

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

( 2) 結合瀝青攪拌設備的案例分析，證明提出的可靠性、維修性與可用度權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：中國人民大學出版社，2012.

[3] 彭 舉.瀝青混合料攪拌設備控制系統研究與設計[D].西安：長安大學，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.瀝青路面功能性預養護材料的養護時機研究[J].中國公路學報，2014,27(9):19-24.

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

[責任編輯: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