CN117407993B - 超深水打桩锤系统可靠性优化方法 - Google Patents

超深水打桩锤系统可靠性优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开超深水打桩锤系统可靠性优化方法，属于电数字数据处理中的机械参量或变量的设计技术领域，用于给打桩锤系统进行可靠性分析，包括对超深水打桩锤系统的机械系统、动力系统、液压系统、气压系统和电控系统进行功能分析和功能模块划分，将五个系统看作五个一级子系统，明确各一级子系统的重要参数，将各一级子系统进一步划分二级子系统；对二级子系统进行危害度分析，对超深水打桩锤一级子系统、二级子系统、二级子系统的故障模式的可靠性指标进行分配，获得超深水打桩锤系统的最优可靠性分配方案。本发明结合一级系统、二级系统的各项参数，考虑故障模式，得到最优的可靠性分配方案。

Description

超深水打桩锤系统可靠性优化方法
技术领域
本发明公开超深水打桩锤系统可靠性优化方法，属于电数字数据处理中的机械参量或变量的设计技术领域。
背景技术
超深水打桩锤系统长期工作在高压、高腐蚀的恶劣海洋环境中，在深海打桩作业中产生的巨大反作用力要求打桩锤有极高的可靠性。但国内外对超深水打桩锤系统的可靠性研究停留在少数几个易损零部件或液压控制系统等较为片面的研究层面，尚无系统的可靠性研究，并且国内在产品设计、加工工艺、控制系统等关键技术方面的研究相对比较落后，缺乏可借鉴的成功经验。鉴于国内在超深水打桩锤系统领域研究的种种不足，为早日实现超深水打桩锤系统的国产化，确保以极高的可靠性投入深海作业，有必要开展对超深水打桩锤系统的可靠性研究。
发明内容
本发明的目的在于提供超深水打桩锤系统可靠性优化方法，以解决现有技术中，打桩锤系统可靠性分析难的问题。
超深水打桩锤系统可靠性优化方法，包括：
S1.对超深水打桩锤系统的机械系统、动力系统、液压系统、气压系统和电控系统进行功能分析和功能模块划分，将五个系统看作五个一级子系统，明确各一级子系统的重要参数；
各一级子系统的重要参数包括复杂程度、重要程度和可靠度的设计要求，故障模式及对超深水打桩锤系统影响的严重程度，各一级子系统之间的串并联关系；
S2.将各一级子系统进一步划分二级子系统，二级子系统是组成一级子系统的零件或部件，明确各二级子系统的重要参数；
各二级子系统的重要参数包括复杂程度、重要程度和可靠度的设计要求，某一严酷度下的危害度、某一故障模式的发生概率和危害度，各二级子系统之间的串并联关系；
S3.对二级子系统进行危害度分析；
S4.建立一级子系统可靠性分配模型，对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配；
S5.建立二级子系统可靠性分配模型，对超深水打桩锤二级子系统可靠性指标进行分配；
S6.建立二级子系统的故障模式可靠性分配模型，对超深水打桩锤二级子系统故障模式可靠性指标进行分配；
S7.获得超深水打桩锤系统的最优可靠性分配方案。
S3包括使用改进的危害度定量分析法对二级子系统进行危害度分析，零件危害度Cp的计算公式为：
；
式中，Cp为零件危害度，k为零件故障模式的总数，λp为第i个故障模式的零件各故障模式的发生率，αi为零件第i个故障模式的发生率与零件所有故障模式发生率之和的百分比，βi为零件第i个故障模式导致系统故障的条件概率，0≤βi≤1，si为零件第i个故障模式的严酷度，t为零件的平均工作时间。
S4包括使用改进的AGREE可靠性分配法对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配：
；
式中，为第j个子系统的修正重要度，m为第j个子系统的零件数，k为第v个零件的故障模式数，n为整体系统的零件数，Cpv为第v个零件的危害度；/>为第j个子系统的危害度，/>为整体系统的危害度。
S5包括使用基于FMECA的可靠性分配方法对超深水打桩锤二级子系统可靠性指标进行分配：
；
式中，Pjv为第j个子系统的第v个零部件的可靠性指标，Pj为第j个子系统的规定可靠性分配指标，ωj为经归一化处理后的第j个子系统各零部件相对该子系统的权重，ωjv为经归一化处理后的第j个子系统第v个零部件相对该子系统的权重，为第m个零件的危害度。
S6包括以预计值的分配法对零件的各基本故障模式进行可靠性分配，零件的各基本故障模式均为串联关系，且仅在规定故障概率小于预计故障概率时才对零件进行可靠性分配，可靠度分配公式：
；
式中，qip为第i个各故障模式的不可靠度分配值，qiy为第i个故障模式的发生率预计值，qsq为零件规定的故障率值，qsy为零件的故障率预计值，Rip为第i个故障模式的可靠度分配值，qip为第i个各故障模式的不可靠度分配值。
S7包括根据二级子系统危害度分析结果、一级子系统可靠性指标分配结果、二级子系统可靠性指标分配结果、二级子系统故障模式可靠性指标分配结果，选择各个结果中的最优值，形成最优可靠性分配方案。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明结合一级系统、二级系统的各项参数，考虑故障模式，得到最优的可靠性分配方案。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
超深水打桩锤系统可靠性优化方法，包括：
S1.对超深水打桩锤系统的机械系统、动力系统、液压系统、气压系统和电控系统进行功能分析和功能模块划分，将五个系统看作五个一级子系统，明确各一级子系统的重要参数；
各一级子系统的重要参数包括复杂程度、重要程度和可靠度的设计要求，故障模式及对超深水打桩锤系统影响的严重程度，各一级子系统之间的串并联关系；
S2.将各一级子系统进一步划分二级子系统，二级子系统是组成一级子系统的零件或部件，明确各二级子系统的重要参数；
各二级子系统的重要参数包括复杂程度、重要程度和可靠度的设计要求，某一严酷度下的危害度、某一故障模式的发生概率和危害度，各二级子系统之间的串并联关系；
S3.对二级子系统进行危害度分析；
S4.建立一级子系统可靠性分配模型，对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配；
S5.建立二级子系统可靠性分配模型，对超深水打桩锤二级子系统可靠性指标进行分配；
S6.建立二级子系统的故障模式可靠性分配模型，对超深水打桩锤二级子系统故障模式可靠性指标进行分配；
S7.获得超深水打桩锤系统的最优可靠性分配方案。
S3包括使用改进的危害度定量分析法对二级子系统进行危害度分析，零件危害度Cp的计算公式为：
；
式中，Cp为零件危害度，k为零件故障模式的总数，λp为第i个故障模式的零件各故障模式的发生率，αi为零件第i个故障模式的发生率与零件所有故障模式发生率之和的百分比，βi为零件第i个故障模式导致系统故障的条件概率，0≤βi≤1，si为零件第i个故障模式的严酷度，t为零件的平均工作时间。
S4包括使用改进的AGREE可靠性分配法对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配：
；
式中，为第j个子系统的修正重要度，m为第j个子系统的零件数，k为第v个零件的故障模式数，n为整体系统的零件数，Cpv为第v个零件的危害度；/>为第j个子系统的危害度，/>为整体系统的危害度。
S5包括使用基于FMECA的可靠性分配方法对超深水打桩锤二级子系统可靠性指标进行分配：
；
式中，Pjv为第j个子系统的第v个零部件的可靠性指标，Pj为第j个子系统的规定可靠性分配指标，ωj为经归一化处理后的第j个子系统各零部件相对该子系统的权重，ωjv为经归一化处理后的第j个子系统第v个零部件相对该子系统的权重，为第m个零件的危害度。
S6包括以预计值的分配法对零件的各基本故障模式进行可靠性分配，零件的各基本故障模式均为串联关系，且仅在规定故障概率小于预计故障概率时才对零件进行可靠性分配，可靠度分配公式：
；
式中，qip为第i个各故障模式的不可靠度分配值，qiy为第i个故障模式的发生率预计值，qsq为零件规定的故障率值，qsy为零件的故障率预计值，Rip为第i个故障模式的可靠度分配值，qip为第i个各故障模式的不可靠度分配值。
S7包括根据二级子系统危害度分析结果、一级子系统可靠性指标分配结果、二级子系统可靠性指标分配结果、二级子系统故障模式可靠性指标分配结果，选择各个结果中的最优值，形成最优可靠性分配方案。
实施例中，对二级子系统进行危害度分析时，常用的危害性分析方法包括定性危害性矩阵图法和定量危害性矩阵图法、风险优先数法、成本优先数法以及模糊风险优先数法等。它们有各自的特点和适用范围，在对打桩锤零部件进行故障危害性分析时，需要对它们作出调整和改进。传统的危害性定量分析是针对故障模式危害度Cm与产品危害度Cr进行分析：
；
式中，n为零件在某种严酷度下的故障模式总数；Cr为零件在某种严酷度下的危害度；Cmi为零件第i个故障模式的危害度；λp为零件各故障模式的发生率，10-6·h-1；αi为零件第i个故障模式的发生率与零件所有故障模式发生率之和的百分比；βi为零件第i个故障模式导致系统故障的条件概率，0≤βi≤1，假设任一零件的故障模式发生都会导致系统故障，因此βi值均取1；t为零件的平均工作时间，h。
传统的危害性分析最终得到的是零件在指定严酷度级别下的危害度，该分析结果不能对零件危害度进行综合评价，不能为零件的可靠性研究带来指导意义，为解决上述问题，将零件故障模式的严酷度引入分析，提出了一种改进的危害度定量分析法。改进的危害度定量分析法将分析目标从零件在某种严酷度下的危害度改为零件的危害度，以便针对危害度较大的零件进行重点预防并提出改进措施，从而提高整体系统的安全性能。
结合超深水打桩锤系统零件及其故障模式的可靠性数据（部分零部件的故障模式发生率参考通用可靠性数据），以超深水打桩锤机械系统为例，求解机械系统零件危害度，如表1所示。
表1 机械系统零件危害度
；
表1中，Si和Cp都是通过值的大小进行评价的指标，没有单位，通过取值进行评价判断。
对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配时，AGREE分配法为：
；
式中，Ci为第i个子系统的复杂程度；Wi为第i个子系统的重要程度；RS (t)为系统的可靠性设计指标；Ri (t)为分配后第i个子系统的可靠度。
其中，第i个子系统的重要程度Wi和复杂程度Ci的定义：
；
式中，Ni为第i个子系统故障后引起上级系统发生故障的次数；ri为第i个子系统发生故障的次数；ni为第i个子系统的主要零件数量；N为整个系统的主要零件数量。
传统AGREE可靠性分配法将子系统的重要程度定义为子系统故障后引起系统发生故障的次数与子系统故障发生故障的次数之比，因此各子系统的重要程度均为1，失去了对比意义。而在实际工程中，子系统的重要程度需要考虑故障率、故障风险程度、平均工作时间等多重因素，为使AGREE方法的分配结果更具有参考性，基于零件的危害性分析对子系统的重要度进行修正，提出一种改进的AGREE可靠性分配法。
传统AGREE可靠性分配法将系统初步设计的可靠性设计指标分配给各子系统，改进AGREE可靠性分配法对系统进行可靠性分配并进行对比分析，AGREE分配法各基本参数如表2所示。
表2 AGREE分配法参数
;
表2中，复杂度、危害度、两个重要度都是通过值的大小进行评价的指标，没有单位，通过取值进行评价判断。
改进与传统的AGREE可靠性分配法的可靠性分配结果如表3所示。
表3 子系统可靠性分配结果
；
表3中，可靠度是通过值的大小进行评价的指标，没有单位，通过取值进行评价判断。
结合超深水打桩锤系统危害性分析，得各零部件的可靠性分配结果，如表4所示。
表4 零部件可靠性分配结果
；
表4中，Cpv、ωjv和可靠度是通过值的大小进行评价的指标，没有单位，通过取值进行评价判断，各零件的故障率预计值如表5所示。
表5 零件故障率预计值
；
以表4中零件被分配的可靠性指标设定为可靠性设计指标，与表5中零件的故障率预计值进行比较，并对零件的各基本故障模式进行可靠性分配，分配结果如表6所示。
表6 故障模式可靠性分配结果
。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.超深水打桩锤系统可靠性优化方法，其特征在于，包括：
S1.对超深水打桩锤系统的机械系统、动力系统、液压系统、气压系统和电控系统进行功能分析和功能模块划分，将五个系统看作五个一级子系统，明确各一级子系统的重要参数；
各一级子系统的重要参数包括复杂程度、重要程度和可靠度的设计要求，故障模式及对超深水打桩锤系统影响的严重程度，各一级子系统之间的串并联关系；
S2.将各一级子系统进一步划分二级子系统，二级子系统是组成一级子系统的零件或部件，明确各二级子系统的重要参数；
各二级子系统的重要参数包括复杂程度、重要程度和可靠度的设计要求，某一严酷度下的危害度、某一故障模式的发生概率和危害度，各二级子系统之间的串并联关系；
S3.对二级子系统进行危害度分析；
S4.建立一级子系统可靠性分配模型，对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配；
S5.建立二级子系统可靠性分配模型，对超深水打桩锤二级子系统可靠性指标进行分配；
S6.建立二级子系统的故障模式可靠性分配模型，对超深水打桩锤二级子系统故障模式可靠性指标进行分配；
S7.获得超深水打桩锤系统的最优可靠性分配方案；
S3包括使用改进的危害度定量分析法对二级子系统进行危害度分析，零件危害度Cp的计算公式为：
；
式中，Cp为零件危害度，k为零件故障模式的总数，λp为第i个故障模式的零件各故障模式的发生率，αi为零件第i个故障模式的发生率与零件所有故障模式发生率之和的百分比，βi为零件第i个故障模式导致系统故障的条件概率，0≤βi≤1，si为零件第i个故障模式的严酷度，t为零件的平均工作时间；
S4包括使用改进的AGREE可靠性分配法对超深水打桩锤一级子系统可靠性指标进行分配：
；
式中，为第j个子系统的修正重要度，m为第j个子系统的零件数，k为第v个零件的故障模式数，n为整体系统的零件数，Cpv为第v个零件的危害度；/>为第j个子系统的危害度，/>为整体系统的危害度；
S5包括使用基于FMECA的可靠性分配方法对超深水打桩锤二级子系统可靠性指标进行分配：
；
式中，Pjv为第j个子系统的第v个零部件的可靠性指标，Pj为第j个子系统的规定可靠性分配指标，ωj为经归一化处理后的第j个子系统各零部件相对该子系统的权重，ωjv为经归一化处理后的第j个子系统第v个零部件相对该子系统的权重，为第m个零件的危害度；
S6包括以预计值的分配法对零件的各基本故障模式进行可靠性分配，零件的各基本故障模式均为串联关系，且仅在规定故障概率小于预计故障概率时才对零件进行可靠性分配，可靠度分配公式：
；
式中，qip为第i个各故障模式的不可靠度分配值，qiy为第i个故障模式的发生率预计值，qsq为零件规定的故障率值，qsy为零件的故障率预计值，Rip为第i个故障模式的可靠度分配值，qip为第i个各故障模式的不可靠度分配值。
2.根据权利要求1所述的超深水打桩锤系统可靠性优化方法，其特征在于，S7包括根据二级子系统危害度分析结果、一级子系统可靠性指标分配结果、二级子系统可靠性指标分配结果、二级子系统故障模式可靠性指标分配结果，选择各个结果中的最优值，形成最优可靠性分配方案。
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