中国石化物资供应采购注重的是深化与供应商的合作, 降低供应链交易成本, 提供供应链效率, 建立互惠共赢的市场秩序。建立全新的绿色总成本概念, 实行全生命周期成本最低采购。改变传统采购追求一次性采购价格最低、忽视采购质量、节能环保等重要因素的问题, 变为不仅仅关注当期采购价格, 还要关注后期能耗、环保、使用维护、处置等全生命周期成本, 追求绿色总成本最低, 实现经济效益、社会效益的最大化。如何实现其生命的有周期内总成本最低成为迫切需要研究的问题。将土木工程结构全寿命周期费用最小的优化思想贯穿到石油机械全寿命优化设计中成为解决科学理性采购效方法。
1924年, Forsel提出基于可靠度结构优化设计的思想, 将优化问题归结为费用最小的问题;Frangopol和Maute研究基于可靠度的优化设计方法在土建工程和航空航天领域的应用情况, 认为由于维修、日常保养等问题造成的费用在全寿命周期费用中占有非常重要的地位。刘建等根据航天器寿命期的各个阶段, 建立各阶段的费用估算模型, 并提出相对应的求解方法。张鹏等认为在不同情况下应采用不同的可靠度指标作为控制机械结构失效的参数, 建立机械产品全寿命价值期望的可靠性优化模型。
在机械系统中, 特别是大型机械结构系统中, 由于主要机械设备的造价很高、体积庞大, 很少设置有备用设备, 因而大型机械结构系统的主要设备多半形成串联系统。但是有时为了保证系统的可靠度水平、维修性水平等, 或为了检修的需要, 将某些子系统设置成具有冗余结构的候选表决系统。
设由n个零部件组成的系统, 系统能够正常运转的前提条件是至少有k个零部件正常运转, 则这种系统称之为k n表决系统, 或称之为n中取k表决系统。在电力系统、多根钢索拧成的钢缆、多个发动机的飞机、以及石油钻机井架等都存在着k n表决系统。图1所示为典型的k n表决系统原理框图。
例如, 在石油钻机井架设备中, 某一单元为一超静定铰接桁架 (如图2所示) , 其中1, 2, 9, 10四个构件中, 任何一个构件失效均会导致结构整体失效, 称之为必要构件;而3, 4, 5, 6, 7, 8六个构件中却有1个冗余构件, 相当于6个构件中只要有5个构件正常工作, 结构即可正常工作。如果这六个构件中的任何2个发生失效, 结构就会失效。即该结构就是5 6表决系统。
讨论k n表决系统中的3种特殊情况:
(1) 当k=1时, 1 n系统等价与n个零部件的并联系统。
(2) 当k=n时, n n系统等价于n个零部件的串联系统。
(3) 当k=m+1, n=2m+1时, (m+1) / (2m+1) 系统称之为多数表决系统。
k N表决系统的失效状态共有CNN﹣k+1+CNN﹣k+2+···+CNN种组合。其中, 集合CNj (j=k, k+1⋯N) 表示N个单元中j个单元失效的组合。
(1) 列出N个单元中N k+1个单元失效的CNN﹣k+1种组合。
(2) 对上式进行含 (Ωi⋃Ωˉi) (i=1⋯N) 逐项补元法处理, 使上式的每一项均含有所有的单元, 每一项均是所有单元各种状态的集合。
(3) 对进行逐项补元法处理后的各项, 进行简化归并运算 (集合间的运算) 。
(4) 归并后的各项即为k N表决系统所有的各种失效状态的组合, 总共有CNN k+1+CNN k+2+···+CNN项。由于这些系统的各状态是互不相容的, 因此该k N表决系统的失效概率等于各系统失效状态的概率之和。
(5) 利用概率乘法公式有:, 反复进行上述方法展开, 这样就可以得到k N表决系统的失效概率。它是N个单元“失效” (Ωˉi) 状态的组合。即每一项都是各项组成单元的串联安全概率。
k N表决系统的各种安全状态, 共有CNk+CNk+1+···+CNN种组合。分别用集合CNj (j=k, k+1⋯N) 表示N个单元中j个单元正常的组合。
(1) 列出N个单元中k个单元正常的CNk种组合。
(2) 对上式进行含逐项补元法处理, 使上式的每一项均含有所有的单元, 每一项均是所有单元各种状态的集合。
(3) 对进行逐项补元法处理后的各项, 进行简化归并运算 (集合间的运算) 。
(4) 归并后的各项即为k N表决系统所有的各种安全状态的组合, 总共有CNk+CNk+1+···+CNN项。由于这些系统的各状态是互不相容的, 因此该k N表决系统的安全概率等于各系统安全状态的概率之和。
(5) 利用概率乘法公式有:, 反复进行上述方法展开, 这样就可以得到k N表决系统的安全概率。它是N个单元“安全” (Ωi) 状态的组合。即每一项都是各项组成单元的串联安全概率。
当系统由n个相同的零部件 (或单元) 组成, 零部件的可靠度水平为R (t) , 那么k/ N表决系统的可靠度为:
机械系统全寿命期费用大致包括以下2个方面:直接费用和间接费用。直接费用主要包括:研发费用、初始投资 (包括成本费用、设计费用、安装调试费用等) 、维护维修费用以及不可用度费 (废品损失、短期边际损失等) 。间接费用主要包括由于机械结构失效引发的失效损失费用。选取与控制参数有关的费用:成本费用、维护维修费用以及失效损失期望。
其中, W表示机械系统全寿命优化设计最终费用, C表示生产该机械系统所发生生的成本费用, M表示全寿命期由于维护维修所产生的费用, L表示由于机械系统失效所引起的间接损失期望。
建立机械系统成本费用C、维护维修费用M、失效损失期望L的关系式, 构造机械系统全寿命周期费用优化模型为:
根据式 (4) 的优化模型以及表决系统的失效概率, 建立表决系统系统全寿命优化设计的基本模型为:
其中, θi (L) 为机械系统中有限寿命零部件的设计平均失效寿命, θ (L) =∫0∞R (t) dt;R (S) (t) 为表决工程的系统的可靠度。
为了保证表决系统具有一定的可靠度水平, 或失效概率不能大于某一特定值。在分析此类问题时, 将目标函数中的损失期望去掉, 只保留表决系统的总造价以及维修费用, 即以最小造价实现机械工程表决系统的安全水准。基于总可靠度限制的表决系统全寿命优化设计模型为:
将投资和总可靠度约束条件下的全寿命周期费用模型通过罚函数法将其转化为无约束问题, 建立无约束目标函数, 然后采用全局优化的方法求解机械系统中各个零部件的最优可靠度水平。
某机械系统为2/3表决系统, 其中, 各个机械单元在不同的可靠度设计条件下的最小造价如表1所示。所有机械单元在全寿命期内的变化趋势服从指数分布, 即R (t) =Re-0.1t, 其中R表示机械单元的设计可靠度, 机械系统服役10年。
采用微粒群算法求解总可靠度限制下表决系统全寿命优化模型, 设定总可靠度水平不低于0.85, 求解结果见表2。
从表2可以看出, 总系统达到0.85, 各个机械单元的可靠度水平均小于00..8855, 说明表决系统具有较高的可靠度水平, 全寿命周期费用338.83万元相对来说也较小。从图3中可以微粒群循环到12次即可达到最优解, 收敛速度较快。
(1) 物资供应工作追求总成本最低、性价比为优, 真正体现科学理性采购的理念, 将全寿命周期管理的理念引入到石油机械系统优化设计中, 合理确定采购价格, 节约采购资金, 控制和降低采购成本。
(2) 针对表决系统, 在考虑机械单元 (或零部件) 失效相关性的前提下, 求解了表决系统的失效概率和可靠度水平, 建立了基于总可靠度限制的表决系统全寿命优化设计模型。
摘要：总成本最低、性价比最优是现代物资采购第三个阶段, 是科学理性采购的具体体现。大型石油机械系统一般为表决系统, 选取成本费用、维护维修费用以及失效损失期望作为全寿命优化设计最终费用, 建立基于总可靠度限制的表决系统全寿命优化设计模型。
关键词：可靠度,表决系统,失效概率,全寿命
[1] Zhang Peng, Wang Guangyuan, Lu Dagang, Reliability Analysis of Engineering Structures and Systems with Inter-mediate State before Failure, The Proceeding of International Conference on Engineering and Technological Sciences 2000, Beijing:Architecture Industry Press of China, 2000.10.
[2] J.O.Royset, A.D er Kiuerghian, E.Polak.Reliability-based Optimal Structural Design by the Decoupling Approach.Reliability Engineering and System Safety.2001, 73:213~221
[3] 刘建.航天型号寿命周期费用估算及报价系统研究与实现[D].国防科技技术大学, 2004.
[4] 张鹏, 同时考虑中介状态和失效相关时复杂抗震工程系统可靠性研究展望, 四川大学学报 (工程科学版) , 2003, 35 (6) :15-19.
[5] 张鹏, 盖峰, 姜如华.机械产品全寿命期价值期望的可靠性优化模型.四川大学学报 (工程科学版) .2001, 33 (5) :55-58.
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