船用板式換熱器可靠壽命預計方法研究

劉隆波，王首臻

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.第二炮兵研究院，北京100085）

船用板式換熱器可靠壽命預計方法研究

劉隆波1，王首臻2

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.第二炮兵研究院，北京100085）

目的對于新型船用板式換熱器進行可靠壽命預計，考慮到相似產品使用期間會獲得定量的信息，提出一種利用相似產品信息進行產品可靠性預計的方法。方法相似產品的相似度由專家根據經驗分析給出，其后根據繼承因子直接對相似產品的可靠度進行折合。對板式換熱器與相似產品的性能數據進行對比分析，利用模糊數學中貼近度的概念，計算得到兩產品之間的折算系數。結果結合相似產品的實際使用數據，通過對流速、換熱系數和其他相似因素的比較，得到產品對于相似產品的折算系數為0.286，從而進一步確定該板式換熱器折算后的試驗時間，利用無故障定時截尾壽命評估方法對該產品的可靠性進行粗略估計。結論該方法對利用相似產品進行壽命評估提供了一種新思路，從產品的性能特征出發，在一定程度上優化了專家評估相似度的主觀因素。

可靠壽命預計；模糊數學；相似產品；船用板式換熱器

可靠性預計是為了估計產品在給定工作條件下的可靠性而進行的工作，是可靠性分析的一種技術手段，也是裝備研制可靠性大綱中要求的“六性”工作項目之一。其中相似產品法被廣泛用于可靠性預計過程中，但該方法中相似比的估算需要借助專家經驗和生產方對樣機相似性的評估，具有一定的主觀性，缺乏對產品整體情況的客觀評價。因此，客觀地確定兩產品之間的相似比，提高可靠性預計的準確度為目前研究的重點。

文獻[1]針對任務可靠性預計方法中系統各組件之間不可分，提出一種基于系統間相似產品信息的任務可靠性預計方法。該方法綜合考慮各個子系統間的相似比，通過權重平均系數計算得到系統間的相似比。文獻[2—3]利用相似產品信息作為歷史樣本，采用相似系統分析確定歷史樣本和樣本的相似程度，歸納繼承因子。文獻[4]提出利用非平權距離系數法確定繼承因子，該方法在一定程度上克服了專家經驗評估兩產品相似度的主觀性，但該方法沒有將產品的性能特性考慮其中。文獻[5]以兩個局部相同組成部分的相似設備為模型，建立在相關信息情形下的可靠性評估指數模型，利用融合算法，提出一種具有相似產品信息情形下的可靠性評定方法。文獻[6]利用模糊數和相似產品可靠性預計法相結合，提出了一種模糊相似產品和模糊綜合評判相結合的柴油機可靠性預計方法。文獻[7—10]綜合考慮多個繼承因子，確定系統相似比。

目前，對于兩產品間相似比的確定，依舊通過專家的評估確定，該方法缺乏客觀對產品的定量分析。文中在此基礎上，從相似產品的性能特性出發，利用模糊數學貼近度的方法確定兩產品間的折算系數，對相似產品外場試驗時間進行折算。該方法對利用相似產品進行壽命評估提供了一種新思路，從產品的性能特征出發，在一定程度上優化了專家評估相似度的主觀因素。

1 基于模糊貼近度相似產品信息確定折算系數

1.1 可行性分析

對于新研產品而言，其不可能與已有產品完全一致，但在現用產品中，某些產品和新研產品具有較大的相似度。因此專家常選取最相似于新產品的已有產品的資料，根據經驗引入權系數進行調整，從而估算出新產品的可靠性。該過程是模糊的，僅能定性判斷產品的相似程度，不能用精確的數學語言來定量描述兩產品間的相似程度，造成估算結果與實際情況誤差較大。下面利用模糊數學中貼近度的概念，對新研產品和相似產品的模糊相似度進行定量分析。

對于利用相似產品信息進行可靠性預計，首先需要對相似產品進行選取[11—12]。該相似產品需要滿足如下條件：產品的工作環境和使用環境相似，差異程度較小；產品的失效模式相近，失效機理相同，故障模式相似；產品的一致性較好，繼承性明顯，即制造工藝、設計流程的一致性好。

1.2 原則和方法

選取滿足上述條件的相似產品，對于相似產品折算系數的確定中，關鍵問題為選取適當的敏感應力，即引起主要失效模式的應力。折算系數的計算方法如下。

1）產品相似因素分析。通過對結構、功能、設計原理、工作原理、材料組成和工作環境等方面綜合考慮產品的相似因素。

2）從性能指標出發，研究產品的主要失效模式；通過對產品失效機理分析，確定主要敏感應力。

3）計算單位敏感應力值。由于兩產品體積、質量等多相物理條件不同，因此將敏感應力單位化，進行比較分析。

4）對于除去敏感應力外的其他因素，無法通過定量的評估進行比較分析，此時咨詢相關專家的意見，得到產品間的折算系數。

5）綜合分析產品的多個折算系數，從產品的功能和失效機理出發，利用取交集或加權的方法，計算產品的折算系數。

6）將產品的折算系數與歷史產品信息相融合，進行新產品的可靠性評估。

試驗步驟如圖1所示。

1.3 相似產品折算系數的計算

利用相似產品預估新產品的可靠性信息，是基于該產品與歷史產品的多方面相似之處而言的。

圖1 利用相似產品計算折算系數流程Fig.1 Flow chart of conversion coefficient calculation based on similar products

設新產品和歷史產品有多項相似之處，可以選取m個特征因素。從m個方面考慮，若用a1，a2，……，am分別表示特征因素，則針對這m個特征因素，在不確定情況下，新產品與歷史產品分別具有多少程度的這些特征，以及新產品與歷史產品相似程度如何，可以用模糊數學貼近度表示。

通常情況下，各特征元素對于可靠性的影響作用是不同的。令其影響大小的權重為ω1，ω2，…，ωm，則考慮不同影響因素的重要性時，兩者之間的相似性度量為：

顯然，當不考慮屬性權重和屬性重要性相同時，式（1）即為式（2）的特殊情況。

2 板式換熱器可靠性壽命預計

以船用板式換熱器為例，利用文中所提出的基于模糊貼近度相似產品信息方法計算兩種板式換熱器的折算系數。通過對板片材料、板片結構、海水流速、換熱溫差、密封橡膠等進行對比分析，計算得到折算因子。利用歷史產品的實際使用數據，將其轉化為該產品的可靠性外場試驗數據，對其進行壽命評估。

2.1 相似因素分析

船用滑油冷卻器[15—16]在艦船中起著不可替代的作用，其主要功能是通過海水與滑油進行熱交換，將高溫滑油進行冷卻。該產品與船體同壽命，這就要求其必須具有很高的可靠性。該板式換熱器在XXX艦艇上首次使用，作為試驗樣品。在未進行可靠性試驗的情況下，僅能使用相似產品實際應用數據，將相似產品作為對比樣品，在進行相似性分析的基礎上，對試驗時間進行折算，進行可靠性預計。

1）從原理相似性來看，兩種換熱器均采用板片式結構，原理幾乎相同；從設計相似性分析來看，都是依據《板式熱交換器》NB/T 47004—2009設計，都滿足標準要求。

2）從結構、外形相似性分析來看，對比用產品換熱量較高，其質量也較大，表面積沖孔凹槽和波形有區別。

3）從兩產品性能指標對比分析來看，兩者產品在滑油、海水流量、進出口溫差、換熱量等方面具有較大差別，該產品使用環境較對比產品更為嚴酷。

從表1可以看出，青薯9號出苗率均在92%以上，株高在70～73 cm，表明在本試驗條件下對出苗率和株高影響不顯著。單株塊莖重處理B最高，處理A最低。商品薯率處理B最高，處理D最低，而在產量相同的情況下商品薯率越高收益越高。

2.2 常見失效模式和敏感應力

板式換熱器在設計制造及使用過程中經常由于密封結構設計不合理，板片安裝、壓緊操作不當，冷熱介質操作條件（壓力、溫度、流速、成分）不符合要求，檢查、維修、保養不及時等原因發生泄漏、結垢堵塞、應力腐蝕破裂等失效事故。板式換熱器主要有變形失效和腐蝕失效兩種失效模式。變形失效的主要影響因素為板片厚度和流體介質條件。板式換熱器的腐蝕主要是指板片的腐蝕，大多發生在與海水接觸的一側，即冷側。冷側的介質（一般是海水）流速對腐蝕快慢有重大影響[10—12]。通過對產品性能失效分析，確定板式換熱器的主要敏感應力是冷側海水的沖刷和換熱量。

2.3 板式換熱器折算系數的計算

2.3.1 流速比較

通過對兩種參數的對比分析，其中介質流速比較接近，通過對沖刷腐蝕角度分析，確定僅考慮海水側，即冷側即可。對比樣品滑油冷卻器的冷側流速V1=0.4 m/s，試驗樣品滑油冷卻器的冷側流速V2=0.35 m/s，兩種產品冷側流速都在合理的區間內，計算得到折算系數K1=1.14。

2.3.2 換熱系數的比較

從產品的性能參數出發，換熱量為產品性能的關鍵指標，單位海水換熱量系數為：

α=換熱量/冷側流量（3）

利用公式（3）計算得到相似產品的單位海水換熱量系數α1=3.34，該產品的單位海水換熱量系數α2=11.6。由于兩產品質量不同，計算得到質量系數β= 0.97。綜合考慮質量和換熱量的影響，利用式（1），計算得到折算系數為：

2.3.3 其他相似因素折算

根據上述對比分析，分別對原理、結構外形、材料、環境條件等相似性因素進行比較，經咨詢有關專家，綜合分析后得到折算系數為：K3=0.9。利用式（2），得該產品與對相似產品折算系數為：

最后，利用相似產品的數據進行折算，將其實際應用數據7.8萬h近似認為是外場試驗時間，按照上述折算系數，折算后的試驗時間t=22 308 h。

3 船用板式熱交換器可靠壽命預計

考慮到兩產品之間的相似性，利用折算因子對該船用板式冷卻器進行外場試驗時間折算。

由于船用滑油冷卻器屬于機械產品，加速滑油冷卻器的壽命服從威布爾分布[17]，其形狀參數已知。設產品工作時間為t1，t2，…，tn，假設，θ=ηm，（i= 1，2，…，n），則威布爾分布函數可寫為：F（l，θ）=l-e-l/θ，θ＞0，即指數分布的分布函數。也就是說，如果t1，t2，…，tn服從形狀參數為m與特征壽命為η的威布爾分布，經過變量變換后，可用試驗時間為l1，l2，…，ln與平均壽命為θ的指數分布表示。

若n個產品工作了t1，t2，…，tn時間沒有出現故障，則按無故障情形下產品工作時間為l1，l2，…，ln的指數分布來處理，可得到平均壽命θ在1-α置信水平下的單側置信下限為：

由此，根據上述評估模型，外場試驗時間為22 308 h，未發生故障。將試驗數據代入式（4），計算得到產品在置信度為0.9，0.8，0.7時的平均壽命置信下限分別為：9 688，13 861，18 529。

4 結語

文中提出了一種利用相似產品信息進行可靠性預計的方法，從產品的性能特征出發，選取關鍵性能參數。利用模糊數學中的貼近度函數的概念，對折算系數的定量計算，確定兩樣本之間的相似程度。以某船用板式熱交換器為例，通過對板片材料、板片結構、海水流速、換熱溫差、密封橡膠等進行對比分析，利用所提出的方法，計算產品之間的折算系數，并利用相似產品的實際應用數據，將其轉化為樣本的外場試驗數據。應用無故障定時截尾評估方法進行壽命評估，評估結果滿足產品的設計要求。

該方法為利用相似產品信息進行可靠性預計中折算系數的定量計算提供了一種新思路，從產品性能特征出發，在一定程度上優化了專家評估兩產品相似比的主觀因素。該評估方法可擴展到多個相似產品、相似系統間的可靠性評估方面，也依然適用。

[1]卓紅艷.基于相似產品信息的某系統任務可靠性預計方法[J].兵工自動化，2014，33（6）：8—15. ZHUO Hong-yan.Method of Mission Reliability Prediction Based on Similar Product Information[J].Ordnance Industry Automation，2014，33（6）：8—15.

[2]陳忠振，許路鐵，俞衛博，等.彈載光電系統儲存可靠性的相似性分析[J].裝備環境工程，2013，10（6）：136—139. CHEN Zhong-zhen，XU Lu-tie，YU Wei-bo，et al.Similarity Analysis of Storage Reliability of Ammunition-borne Photoelectric System[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（6）：136—139.

[3]楊軍，申麗娟，黃金，等.利用相似產品信息的電子產品可靠性Bayes綜合評估[J].航空學報，2008，29（6）：1150—1153. YANG Jun，SHEN Li-juan，HUANG Jin，et al.Bayes Comprehensive Assessment of Reliability for Electronic Products by Using Test Information of Similar Products[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2008，29（6）：1150—1153.

[4]楊軍，黃金，申麗娟，等.利用相似產品信息的成敗型產品Bayes可靠性評估[J].北京航空航天大學學報，2009（7）：786—788. YANG Jun，HUANG Jin，SHEN Li-juan，et al.Bayes Comprehensive Assessment of Reliability for Binomial Products by Using Test Information of Similar Product[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2009（7）：786—788.

[5]張立波，王宏力，陳聰，等.基于相似電子產品信息的可靠性評估方法[J].航天控制，2012，30（10）：84—87. ZHANG Li-bo，WANG Hong-li，CHEN Cong，et al.The Method of Reliability Assessment for Electronic Products Based on Multiple Similar Samples[J].Aerospace Control，2012，30（10）：84—87.

[6]ZHANG Z，YANG Z.Fuzzy Mathematics Assessment in the Evaluation of Air Quality[C]//2011 International Conference on Multimedia Technology.ICMT，2011：6378—6381.

[7]GUO Z，TIAN J.Discussion about Similarity Measures in Pattern Recognition of Fuzzy Information[C]//2007 International Conference on Computational Intelligence and Security Workshops.CISW，2007：299-303.

[8]方明，李學京，柳京愛.有相似產品信息情形下的可靠性評定方法[J].數學的實踐與認識，2008，38（6）：107—112. FANG Ming，LI Xue-jing，LIU Jing-ai.An Assessment Method of the Reliability for the Similar Equipment Which has Similar Product Information[J].Mathematics in Practice and Theory，2008，38（6）：107—112.

[9]張會奇，陳春良，曹玉坤，等.基于相似系統理論的裝甲車輛發動機使用狀態評價研究[J].裝備環境工程，2013，10（6）：37—40. ZHANG Hui-qi，CHEN Chun-liang，CAO Yu-kun，et al. Evaluation Study on Service Status of Armored Vehicle Engine Based on the Similarity System Theory[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（6）：37—40.

[10]杜麗，張晗亮，黃洪鐘，等.模糊相似產品法與綜合評判法結合的柴油機可靠性預計[J].電子科技大學學報，2010，39（4）：629—633. DU Li，ZHANG Han-liang，HUANG Hong-zhong，et al.Combining Fuzzy Similar Product and Fuzzy Comprehensive Evaluation Method for Reliability Prediction of Diesel Engine[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2010，39（4）：629—633.

[11]郭海寬，趙新文，段孟強，等.基于最小割集的系統可靠性預計[J].四川兵工學報，2014，35（3）：148—152. GUO Hai-kuan，ZHAO Xin-wen，DUAN Meng-qiang，et al. Reliability Prediction Model Based on Minimal Cut Sets[J]. Journal of Sichuan Ordnance，2014，35（3）：148—152.

[12]XU Ying，SHAO Wen-hua.Groundwater Quality Evaluation in Yang Village by Fuzzy Mathematics Method[C]//2010 International Conference on Digital Manufacturing&Automation.ICDMA，2010：790—794.

[13]駱明珠，康銳，劉法旺.電子產品可靠性預計方法綜述[J].電子科技技術，2014，1（2）：246—256. LUO Ming-zhu，KANG Rui，LIU Fa-wang.A Review of Reliability Prediction Methods for Electronic Products[J]. Electronic Science&Technology，2014，1（2）：246—256.

[14]李瑞瑩，康銳，黨煒.機械產品可靠性預計方法的比較與選擇[J].工程機械，2009，40（5）：53—57. LI Rui-ying，KANG Rui，DANG Wei.Comparison and Selection of Reliability Prediction Method for Mechanical Products[J].Construction Machinery and Equipment，2009，40（5）：53—57.

[15]ORONEL C，AMARIS C，VALLES M，et al.Experiments on the Characteristics of Saturated Boiling Heat Transfer in a Plate Heat Exchanger for Ammoniac/Lithiumnitrate and Ammonia/（Lithium Nitrate+Water）[C]//2010 3rd International Conference on Thermal Issues in Emerging Technologies Theory and Applications.THETA，2010：217—225.

[16]YU Liang-jian，ZHANG Yan-feng，ZHOU Jian-xin.Application of Domestic super Large Scale Plate Shell Heat Exchanger in Petrochemical Units[J].Petro Chemical Equipment，2010，39（5）：69—72.

[17]LI B，LIU J，LIU D.Reliability Analysis on Zero-failure Data of Missile Power System[C]//2011 2nd International Conference on Artificial Intelligence，Management Science&Electronic Commerce.AIMSEC，2011：5722—5725.

Study on the Technology of Reliable Life Prediction of Ship Plate Heat Exchanger

LIU Long-bo1，WANG Shou-zhen2
（1.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China；2.Academe of Second Artillerist，Beijing 100085，China）

Objective For the reliable life prediction of a new-type plate heat exchanger of ship,this paper presented a prediction method of product reliability using similar product information,taking into account the quantitative information obtained during use of similar products.Methods The similarity ratio was given by the experts based on their experience,and then the reliability of similar products was directly converted using inheritance factor.The performance data of the plate heat exchanger and similar products were comparatively analyzed,and the conversion coefficient between the two products was calculated using the concept of fuzzy closeness.Results In combination with the actual using data of similar products,through the comparison of heat transfer coefficient,velocity change and other factors,the similar product conversion coefficient was finally determined to be 0.286.The experimental time of the plate heat exchanger after conversion was further determined,and the reliability of this product was roughly estimated using the trouble-free truncated life evaluation method.Conclusion This method offered a new method for life estimation using similar products,and optimized the expert assessment in part on the similarity of the subjective factor from theview of product performance features.

reliable life prediction；fuzzy mathematic；similar product；plate heat exchanger of ship

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.025

TJ05

：A

1672－9242（2016）02－0139-05

2015-10-13；

2016-11-15

Received：2015-10-13；Revised：2016-11-15

劉隆波（1982—），男，江西人，博士，工程師，主要研究方向為系統工程以及裝備可靠性等。

Biography：LIU Long-bo（1982—），Male，form Jiangxi，Ph.D.，Engineer，Research focus：systems engineering&equipment reliability.