核电站换料设备的可靠性预计

□ 钱 翊

上海第一机床厂有限公司 上海 201308

1 研究背景

衡量一款产品质量好坏的指标有两类:一类是技术指标,用以反映产品完成规定功能的能力,如功能指标、性能指标等;另一类是可靠性指标,用以反映产品在一定时间内、一定条件下无故障地执行规定功能的能力,如平均失效时间(MTTF)、平均修复时间(MTTR)、平均故障间隔时间(MTBF)等。只有具有良好技术性能又经久耐用的产品,才是质量好的产品。可见,可靠性是产品的一个重要指标[1-3]。

为保证产品正常运行,降低产品维护成本,避免安全事故发生,在产品的研发初期就应进行可靠性预计工作,提高产品的可靠性。笔者以某核电站换料设备为例,介绍核电站换料设备在研发过程中进行的可靠性预计。

2 可靠性预计概述

可靠性预计指根据设备的组成、结构特点、载荷和工作环境等因素,利用以往的工程经验、故障率数据,以及当前的技术水平,主要以元器件、零部件的失效率作为依据,预计设备实际可能达到的可靠度[4]。

可靠性预计是设备研发过程中的重要一环,通过设备的可靠性预计,可以发现影响设备可靠性的主要因素,找出设备设计中的薄弱环节,然后采取相应措施,提高设备的可靠性水平。

可靠性预计可以评价设备的可靠性水平是否满足设计要求,为确定设备可靠性试验方案和维护保养费用估算提供依据,同时也为制订设备维修计划,进行安全性、测试性和保障性分析提供信息。

3 可靠性预计分类

可靠性预计分为基本可靠性预计和任务可靠性预计[5],如图1所示。在工程项目中,一般以设备的任务可靠性指标来评价设备的可靠性水平。

图1 可靠性预计分类

基本可靠性预计用以估计设备及其零部件故障所引起的维修及保障要求,预计时对设备所有零件进行失效率计算,然后预计出设备的可靠性水平。任务可靠性预计用以度量设备在执行任务过程中完成规定功能的概率,预计时对影响设备任务完成的所有零件进行失效率计算,然后预计出设备的任务可靠性水平。

4 可靠性预计步骤

设备可靠性预计的一般步骤如图2所示,分为设备定义、建立可靠性模型、选择可靠性预计方法、确定可靠性指标、计算可靠性、得出可靠性预计结论、反馈设计[6]等步骤。

设备定义指定义设备的功能、任务、结构组成、接口、工作条件、性能参数等。建立可靠性模型包括任务可靠性模型和基本可靠性模型。选择可靠性预计方法指根据设备的状态和拥有的信息量,选择适当的可靠性预计方法。可靠性预计指按照已选择的可靠性预计方法进行预计。得出可靠性预计结论后,需要分析薄弱环节,并将结论反馈到设计过程中,针对薄弱环节进行改进。

图2 可靠性预计一般步骤

5 设备定义

5.1 设备功能

核电站换料设备的主要功能是定期更换堆芯燃料组件,兼具一回路隔离密封、生物及热屏蔽功能,设备工作时间2 100 h。

5.2 设备组成

换料设备由减速器、包壳、传动链、屏蔽座、长杆、支座、存放架、滑轨和电气控制组件组成。

5.3 工作原理

换料设备由电气控制组件进行控制,由驱动电机+减速器+传动链的形式带动存放架和支座在滑轨上移动。存放架可以存放核燃料组件。换料设备在指定位置与堆内、堆外其它设备配合,共同完成换料工作。

5.4 故障判据

换料设备不能按照规定的要求完成换料任务即为故障。

5.5 可靠性指标要求

换料设备执行换料任务的可靠性指标为MTBF不短于1 000 h。

6 可靠性建模

可靠性建模包括建立可靠性框图和相应的数学模型两部分[7]。根据不同的模型用途,可靠性模型分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。

基本可靠性模型用于基本可靠性预计,是一个全串联模型,构成设备的所有零件都应包括在模型内。

任务可靠性模型用于任务可靠性预计,一般是一个复杂的组合模型,所有影响该任务的零件都应包括在模型内。

换料设备在执行换料任务时,所有部件都参与任务,而且不存在冗余备份,因此,换料设备的基本可靠性模型和任务可靠性模型相同,且都是串联模型。组成设备的所有部件中任意一个部件故障,都会导致设备发生故障。换料设备基本可靠性框图和任务可靠性框图如图3所示。

图3 换料设备基本可靠性框图和任务可靠性框图

换料设备基本可靠性数学模型和任务可靠性数学模型也相同,为:

(1)

式中:RS(t)为换料设备的可靠性指标;Ri(t)为换料设备第i个部件的可靠性指标。

7 可靠性预计方法选择

设备在进行可靠性预计时,主要分为电子产品的可靠性预计和非电子产品的可靠性预计。电子产品的可靠性预计方法主要有相似预计法、元器件计数法、应力分析法[8]。非电子产品的可靠性预计方法主要有相似产品类比论证法、评分预计法、故障率预计法、数据手册法、应力强度干涉法[9]。

7.1 机械零件预计方法

换料设备中机械零件的预计方法按优先次序依次为数据手册法、相似产品类比论证法、评分预计法。

7.1.1 数据手册法

数据手册法分为修正因数法和零部件计数法。

修正因数法根据经验建立零部件故障率与影响故障模式的主要设计、使用参数之间的函数关系,计算新零部件的故障率。使用这一方法进行预计时,根据换料设备工作条件确定机械零件的各种相关参数,利用NSWC—2009《机械设备可靠性预计程序手册》中的故障率计算公式,预计出零件的失效率,再应用设备可靠性模型,预计设备的可靠性。

零部件计数法通过统计得到不同环境条件下不同零部件的故障率数据,再通过NSWC—2009《机械设备可靠性预计程序手册》、NPRD—1991《非电子零部件可靠性数据》中的失效率数据,应用设备的可靠性模型,预计设备的可靠性。

7.1.2 相似产品类比论证法

相似产品类比论证法将零部件和已知可靠性的类似国内外产品进行比较,通过分析二者在组成、结构、设计水平、制造工艺、原材料与使用环境等方面的差异,简单地估计零部件可能达到的可靠性水平,预计的精度取决于历史数据的质量及现有产品和新产品的相似度。

采用相似产品类比论证法预计时,优先选用NSWC—2009《机械设备可靠性预计程序手册》中的基本失效率。NSWC—2009《机械设备可靠性预计程序手册》中没有相似部件的情况下,采用NPRD—1991《非电子零部件可靠性数据》中的失效率,或者机械可靠性设计手册中的失效率。

7.1.3 评分预计法

在可靠性数据非常缺乏的情况下,数据手册法和相似产品类比论证法都无法运用,此时可由经验丰富的设计人员或专家对影响可靠性的集中因素进行评分,以设备中某个已知可靠性数据的零件为基准,分析组成结构、设计水平、制造工艺水平、原材料、零部件水平、使用环境等方面的差异,由专家评分给出修正因数,从而计算出零部件的故障率水平。

评分预计法表达式为:

(2)

Ci=wi/w*

(3)

λi=λ*Ci

(4)

式中:Ci为第i个零件的评分因数;wi为第i个零件的评分;w*为失效率为λ*的零件的评分;λi为第i个零件的失效率;rij为第i个零件、第j个因素的评分。

评分预计法得到的预计结果受人为影响较大,在使用此方法进行预计时,可增加评分专家的人数,保证评分的客观性,提高预计的准确性。

评分预计法针对零部件的复杂度、技术水平、工作时间和环境条件进行打分[10],评分范围为1～10分,评分越高,说明可靠性越差。复杂度指根据零部件的数量、结构形式、组装难易程度来评分,最简单的评1分,最复杂的评10分。技术水平指根据零部件目前技术水平的成熟度来评分,技术水平最低的评10分,技术水平最高的评1分。工作时间指根据零部件工作时间的长短来评分,设备工作时,零部件一直工作的评10分,工作时间最短的评1分。环境条件指根据零部件所处的工作环境来评定,设备工作过程中会经受极其恶劣和严酷环境的评10分,环境条件最好的评1分。

7.2 电子元器件预计方法

目前我国军品行业对于国产电子元器件一般采用GJB/Z 299C《电子设备可靠性预计手册》中规定的模型进行可靠性预计,对于进口电子元器件一般采用MIL-HDBK-217PLUS《电子设备可靠性预计手册》中规定的模型进行可靠性预计。民用企业一般采用Bellcore可靠性预计手册中规定的模型进行可靠性预计。对换料设备中电子元器件进行可靠性预计时,通过查找GJB/Z 299C、MIL-HDBK-217PLUS和Bellcore等手册,确定元器件的质量因数、环境因数、通用故障率,再利用元器件应力分析法的故障率计算公式,预计出元器件的失效率。

7.3 计算机软件辅助

在进行设备可靠性预计时,推荐采用计算机软件辅助进行可靠性预计,可提高工作效率,节省人力。

现在普遍使用的计算机软件是Relex。Relex支持八种可靠性分配方法,并提供传统的可靠性预计方法,集成符合可靠性预计发展需要的最新可靠性预计标准PRISM、电子元器件数据库、NPRD与EPRD数据库,具有任务剖面可靠性预计及非工作状态可靠性预计等功能,能够快速精确地计算失效率、MTBF、可靠度和可用度。

8 计算可靠性

换料设备的基本可靠性预计结果见表1,任务可靠性预计结果见表2。

表1 换料设备基本可靠性预计结果

表2 换料设备换料任务可靠性预计结果

9 可靠性预计结果

9.1 指标验证

一般而言,设备的可靠性预计值至少需要大于指标要求的1.25倍,否则应寻找设计中的可靠性薄弱环节,并进行改进设计,提高设备的可靠性水平。

根据表2换料设备任务可靠性预计结果,设备的任务可靠性MTBF预计值为15 179.5 h,任务可靠性定量要求为MTBF长于1 000 h,因此换料设备的任务可靠性预计结果满足设计要求。

9.2 可靠度

可靠度R(t)[11]是设备在规定的条件下,在规定时间区间内完成规定功能的概率,随设备运行时间的变化而变化,为:

(5)

式中:λ为失效率,根据预计结果得到;t为任务时间;tM为MTBF。

换料设备的换料任务时间为2 100 h,则各部件的可靠度计算为:减速器0.932 93、包壳0.999 85、传动链0.988 26、屏蔽座0.984 6、长杆0.995 54、支座0.979 62、存放架0.989 95、滑轨0.993 92、电气控制组件0.999 83。

根据换料设备的任务可靠性数学模型,其任务可靠度RS(t)为0.870 81。

需要注意的是,对于执行多个任务的设备,需要根据不同的任务剖面,预计各自的任务可靠度,然后将各任务剖面的任务可靠度进行综合,再预计出总的任务可靠度。总的任务可靠度RS为

(6)

式中:αi为第i个任务剖面的加权因数;Ri为第i个任务剖面的任务可靠度;m为任务剖面的数量。

加权因数αi为:

αi=ni/n

(7)

式中:ni为第i个任务剖面在寿命期间的任务次数;n为寿命期间的任务总次数。

第i个任务剖面在寿命期间的任务次数为:

ni=Tci/ti

(8)

式中:T为系统在寿命期间的总任务时间;ci为寿命期间中第i个任务剖面的任务时间占系统总任务时间的比例;ti为第i个任务剖面的任务时间。

因此,有:

(9)

10 结束语

自动化机械设备研发过程中的可靠性预计方法一般为数据手册法、相似产品类比论证法、评分预计法及应力分析法,其中,机械零部件可靠性预计时优先使用数据手册法,然后是相似产品类比论证法和评分预计法。

为确保核电站换料设备可靠性预计的准确性,预计时应尽可能分解到单个零件,避免遗漏,且用于可靠性预计的失效率或其它数据需从手册、标准或统计数据中获得,如果是采购的标准件,其可靠性数据可从供货商处得到。