系统可用性分析方法在沥青拌和设备中的应用

刘小鹅，樊学能，田晋跃

(1.江苏华通动力重工有限公司，江苏 镇江 212002； 2.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



系统可用性分析方法在沥青拌和设备中的应用

刘小鹅1，樊学能2，田晋跃2

(1.江苏华通动力重工有限公司，江苏 镇江 212002； 2.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

针对沥青搅拌设备使用过程的问题，采用系统可用性分析方法进行分析。介绍了进行可用度权衡需考虑的问题和详细步骤，对实际案例进行分析，提出备选方案，比较后获得最优方案。简要介绍了利用最佳费用曲线模型对可用度与寿命周期费用间的综合权衡。最后结合实际案例，详细介绍了该方法的分析过程，由此论证了系统可用性方法应用到沥青拌和设备中的可行性。

系统可用性；沥青拌和设备；设备寿命周期费用；最佳费用曲线

0 引 言

可靠性、维修性和可用性都是对沥青拌和设备系统效能的一种度量，三者间存在着相当大的权衡余地。在设备的使用过程中，应对技术风险、寿命周期费用、维修等因素综合考虑，在可靠性、维修性和可用性三者间求得合理的平衡。

可用度综合权衡主要是通过确定可用度要求并落实到系统的可靠性、维修性指标上，使系统达到预期的优化目标。本文采用系统可用性技术，针对沥青搅拌设备在使用过程中出现的问题，实现对沥青搅拌设备可靠性、维修性和可用性的综合优化。

1 可靠性、维修性与可用度权衡的方法

在可用度权衡过程中，一般需要考虑3个主要方面的问题[1]。

(1) 故障的后果。故障的影响主要包括对安全性的影响、对工作能力的影响以及对所需负担经济因素的影响。如果故障的后果超出了安全性故障允许的范围，或影响任务的完成，则方案不可行，需要进一步优化。这方面的考虑通常是输出系统的可靠性与维修性的最低可接受参数值。

(2) 技术可行性。分析所选定的有关参数在技术上是否可行，技术可行性分析构成了系统可靠性、维修性参数的约束之一。

(3) 经济负担能力。经济负担是工程费用、使用及维持费用或寿命周期费用。一般情况下，用寿命周期费用进行度量。

1.1 可靠性、维修性与可用度权衡分析的步骤

对设备进行可靠性、维修性与可用度权衡分析的步骤如下[2]。

(1) 确定可行域。根据给定的固有可用度A，在以MTBF(平均故障间隔时间)为横坐标、MTTR(平均修理时间)为纵坐标的坐标系中，画出可用度曲线，再根据技术可行性以及故障后果等因素确定MTBF和MTTR的上、下限，并在可用度曲线图中进行标识，从而确定权衡的可行域。

(2) 拟定备选方案。从不同的角度出发，提出具有代表性的设计方案。例如，可靠性设计可以采用降额使用、余度设计、高可靠性的部件等，维修性设计可考虑模块化设计、自测试方案等。

(3) 权衡决策。根据已经确定的可行域和备选方案，确定优化准则，选定最佳方案。

1.2 案例分析

设计要求沥青拌和设备的固有可用度为0.99，并且MTTR不大于4 h，MTBF不小于200 h。如图1所示。

(1) 画出可用度曲线，可行域如图1中阴影部分。如果没有其他限制，凡在阴影区内的方案都能满足要求，该阴影区就是权衡区，即可行区。

可以从两个角度考虑权衡问题：一是将可用度固定，在该可用度的斜线上两个允许的端点间选择MTTR和MTBF的合适组合；二是将可用度提高，这样可以选择的范围逐渐增加，直至扩大到整个阴影区。

(2) 确定备选方案。提出4种备选方案， 4个备选方案都在可行域内，如表1所示。

(3) 权衡决策。由于4个备选方案都在可行区内，都符合基本的要求，因此必须施加某些其他的约束条件从中择优。现以费用最低作为约束条件，估算不同方案的费用(包含采购费用、使用及维持费用和寿命周期费用)，具体数据如表2所示。

根据不同方案及费用估算结果分析，虽然方案4采购费较高，但其使用和维持费用较低，因而寿命周期费用最低，可用度较高，故方案4为理想的选择。

2 最佳费用曲线模型

在一定的LCC(寿命周期费用)约束下，利用可用度进行综合权衡的实质是权衡维修性、可靠性间的关系问题。可用度权衡问题与寿命周期费用权衡问题本是两类权衡问题，对两者进行权衡分析，可使其转变为一个权衡问题。最佳费用曲线的理论为解决上述问题提供了理论指导[3]。

下面结合沥青拌和设备实例，对如何利用最佳费用曲线模型进行可用度与LCC综合权衡予以简要介绍。

2.1 等费用曲线模型

图2为建立的等费用曲线模型。建立该曲线模型主要依据系统的可靠性、维修性和系统寿命周期费用间的数学关系。

由图2可知，在当前维修性、可靠性的区间，等费用曲线曲率值较小，可用一直线近似表达。

在同样数值的寿命周期费用下，可用度为不同数值。图2中作出一条与等费用曲线相交一点的带箭头的直线，把原点和交点连接成直线，寿命周期费用沿着箭头所指方向呈现递增的趋势[4]。

2.2 等可用度曲线

在计算固有可用度时，需要参照以下公式

(1)

若A为常数，则可得

(2)

该曲线上可用度为相同值，寿命周期费用为不同值。自原点作出图中所示带箭头的直线，该直线与等可用度曲线相交于一点，朝向箭头右侧的交点代表可用度增加。

2.3 最佳费用曲线

在沥青拌和设备的使用过程中，需达到两种特殊要求：某一可用度下，存在最少寿命周期费用；某一寿命周期费用下，存在最大可用度。MTTR和MTBF的最佳组合和最佳费用点的获取方法为：把上述已求取的等费用曲线与等可用度曲线重叠，找到两曲线的切点，该切点即为所求点。

图4为最佳费用曲线模型，该曲线通过将上述切点顺次相连获得，在权衡中可以将其视为重要依据。实际设计工作中利用最佳费用曲线，使设计点尽可能落到该曲线上[5]。

3 实例分析

实例分析基于台数为n的沥青拌和设备。已知条件为：设备目标寿命30 000 h。则可靠性(维修性)获取费用为

可靠性(维修性)和使用费用的关系COMC=10×30 000×(0.5MTBF-0.624MTTR0.394+

0.286 4MTBF-0.556 1(-MTTR)0.887 4)

考虑到报废处置费数值较小，通常不计入计算内容中，故

C=CAC+COMC

在固有可用度A为0.85的情况下，要保证最小寿命周期费用，可采用如下方法求取维修性和可靠性的最佳组合。

(1) 采用2.2所述的方法构造固有可用度为0.85时的等可用度模型，如图5所示。

(2) 根据维修性和可靠性设计方案对MTBF、MTTR的要求，参照图5所示取值范围，可获得在该区间中寿命周期费用和MTBF的曲线模型，如图6所示。

由图6可知，MTBF=6.4 h、MTTR=1.13 h即为维修性和可靠性的最佳组合。此时，平均故障间隔时间为6.4 h，平均修理时间为1.13 h，寿命周期费用最小。

同样，对于确定的LCC，可利用类似方法获得维修性和可靠性的最佳组合，进而求得最大的固有可用度A。最佳费用曲线可以根据已知的固有可用度和寿命周期费用求得[6]。

4 结 语

(1) 对于沥青搅拌设备在使用过程中的可用度问题，可以通过确定沥青搅拌设备可靠性、维修性和可用性的各项指标来实现综合优化。

( 2) 结合沥青搅拌设备的案例分析，证明提出的可靠性、维修性与可用度权衡分析方法是有效可行的。

[1] 吴永平.工程机械可靠性[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 李良巧.可靠性工程师手册[M].北京：中国人民大学出版社，2012.

[3] 彭 举.沥青混合料搅拌设备控制系统研究与设计[D].西安：长安大学，2009.

[4] 高志伟.乳化沥青微表处混合料耐火性研究[J].筑路机械与施工机械化，2014，31(9)：68-71.

[5] 林俊涛，吴小鹏.沥青路面功能性预养护材料的养护时机研究[J].中国公路学报，2014,27(9):19-24.

[6] 刘洪涛，周 峰，董进勇.搅拌设备沥青配料误差分析与修正技术研究[J].筑路机械与施工机械化，2014，31(1)：99-102.

[责任编辑: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