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(yù)計(jì)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(jìn)行可靠壽命預(yù)計(jì)，考慮到相似產(chǎn)品使用期間會獲得定量的信息，提出一種利用相似產(chǎn)品信息進(jìn)行產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)的方法。方法相似產(chǎn)品的相似度由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析給出，其后根據(jù)繼承因子直接對相似產(chǎn)品的可靠度進(jìn)行折合。對板式換熱器與相似產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，利用模糊數(shù)學(xué)中貼近度的概念，計(jì)算得到兩產(chǎn)品之間的折算系數(shù)。結(jié)果結(jié)合相似產(chǎn)品的實(shí)際使用數(shù)據(jù)，通過對流速、換熱系數(shù)和其他相似因素的比較，得到產(chǎn)品對于相似產(chǎn)品的折算系數(shù)為0.286，從而進(jìn)一步確定該板式換熱器折算后的試驗(yàn)時(shí)間，利用無故障定時(shí)截尾壽命評估方法對該產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行粗略估計(jì)。結(jié)論該方法對利用相似產(chǎn)品進(jìn)行壽命評估提供了一種新思路，從產(chǎn)品的性能特征出發(fā)，在一定程度上優(yōu)化了專家評估相似度的主觀因素。

可靠壽命預(yù)計(jì)；模糊數(shù)學(xué)；相似產(chǎn)品；船用板式換熱器

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

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

目前，對于兩產(chǎn)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(chǎn)品的定量分析。文中在此基礎(chǔ)上，從相似產(chǎn)品的性能特性出發(fā)，利用模糊數(shù)學(xué)貼近度的方法確定兩產(chǎn)品間的折算系數(shù)，對相似產(chǎn)品外場試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行折算。該方法對利用相似產(chǎn)品進(jìn)行壽命評估提供了一種新思路，從產(chǎn)品的性能特征出發(fā)，在一定程度上優(yōu)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(chǎn)品信息確定折算系數(shù)

1.1 可行性分析

對于新研產(chǎn)品而言，其不可能與已有產(chǎn)品完全一致，但在現(xiàn)用產(chǎn)品中，某些產(chǎn)品和新研產(chǎn)品具有較大的相似度。因此專家常選取最相似于新產(chǎn)品的已有產(chǎn)品的資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)引入權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而估算出新產(chǎn)品的可靠性。該過程是模糊的，僅能定性判斷產(chǎn)品的相似程度，不能用精確的數(shù)學(xué)語言來定量描述兩產(chǎn)品間的相似程度，造成估算結(jié)果與實(shí)際情況誤差較大。下面利用模糊數(shù)學(xué)中貼近度的概念，對新研產(chǎn)品和相似產(chǎn)品的模糊相似度進(jìn)行定量分析。

對于利用相似產(chǎn)品信息進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，首先需要對相似產(chǎn)品進(jìn)行選取[11—12]。該相似產(chǎn)品需要滿足如下條件：產(chǎn)品的工作環(huán)境和使用環(huán)境相似，差異程度較?。划a(chǎn)品的失效模式相近，失效機(jī)理相同，故障模式相似；產(chǎn)品的一致性較好，繼承性明顯，即制造工藝、設(shè)計(jì)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(chǎn)品，對于相似產(chǎn)品折算系數(shù)的確定中，關(guān)鍵問題為選取適當(dāng)?shù)拿舾袘?yīng)力，即引起主要失效模式的應(yīng)力。折算系數(shù)的計(jì)算方法如下。

1）產(chǎn)品相似因素分析。通過對結(jié)構(gòu)、功能、設(shè)計(jì)原理、工作原理、材料組成和工作環(huán)境等方面綜合考慮產(chǎn)品的相似因素。

2）從性能指標(biāo)出發(fā)，研究產(chǎn)品的主要失效模式；通過對產(chǎn)品失效機(jī)理分析，確定主要敏感應(yīng)力。

3）計(jì)算單位敏感應(yīng)力值。由于兩產(chǎn)品體積、質(zhì)量等多相物理?xiàng)l件不同，因此將敏感應(yīng)力單位化，進(jìn)行比較分析。

4）對于除去敏感應(yīng)力外的其他因素，無法通過定量的評估進(jìn)行比較分析，此時(shí)咨詢相關(guān)專家的意見，得到產(chǎn)品間的折算系數(shù)。

5）綜合分析產(chǎn)品的多個(gè)折算系數(shù)，從產(chǎn)品的功能和失效機(jī)理出發(fā)，利用取交集或加權(quán)的方法，計(jì)算產(chǎn)品的折算系數(shù)。

6）將產(chǎn)品的折算系數(shù)與歷史產(chǎn)品信息相融合，進(jìn)行新產(chǎn)品的可靠性評估。

試驗(yàn)步驟如圖1所示。

1.3 相似產(chǎn)品折算系數(shù)的計(jì)算

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

圖1 利用相似產(chǎn)品計(jì)算折算系數(shù)流程Fig.1 Flow chart of conversion coefficient calculation based on similar products

設(shè)新產(chǎn)品和歷史產(chǎn)品有多項(xiàng)相似之處，可以選取m個(gè)特征因素。從m個(gè)方面考慮，若用a1，a2，……，am分別表示特征因素，則針對這m個(gè)特征因素，在不確定情況下，新產(chǎn)品與歷史產(chǎn)品分別具有多少程度的這些特征，以及新產(chǎn)品與歷史產(chǎn)品相似程度如何，可以用模糊數(shù)學(xué)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(quán)重為ω1，ω2，…，ωm，則考慮不同影響因素的重要性時(shí)，兩者之間的相似性度量為：

顯然，當(dāng)不考慮屬性權(quán)重和屬性重要性相同時(shí)，式（1）即為式（2）的特殊情況。

2 板式換熱器可靠性壽命預(yù)計(jì)

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(chǎn)品信息方法計(jì)算兩種板式換熱器的折算系數(shù)。通過對板片材料、板片結(jié)構(gòu)、海水流速、換熱溫差、密封橡膠等進(jìn)行對比分析，計(jì)算得到折算因子。利用歷史產(chǎn)品的實(shí)際使用數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為該產(chǎn)品的可靠性外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)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(jìn)行熱交換，將高溫滑油進(jìn)行冷卻。該產(chǎn)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(yàn)樣品。在未進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的情況下，僅能使用相似產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，將相似產(chǎn)品作為對比樣品，在進(jìn)行相似性分析的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行折算，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

1）從原理相似性來看，兩種換熱器均采用板片式結(jié)構(gòu)，原理幾乎相同；從設(shè)計(jì)相似性分析來看，都是依據(jù)《板式熱交換器》NB/T 47004—2009設(shè)計(jì)，都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）從結(jié)構(gòu)、外形相似性分析來看，對比用產(chǎn)品換熱量較高，其質(zhì)量也較大，表面積沖孔凹槽和波形有區(qū)別。

3）從兩產(chǎn)品性能指標(biāo)對比分析來看，兩者產(chǎn)品在滑油、海水流量、進(jìn)出口溫差、換熱量等方面具有較大差別，該產(chǎn)品使用環(huán)境較對比產(chǎn)品更為嚴(yán)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(yàn)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(chǎn)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(yīng)力

板式換熱器在設(shè)計(jì)制造及使用過程中經(jīng)常由于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，板片安裝、壓緊操作不當(dāng)，冷熱介質(zhì)操作條件（壓力、溫度、流速、成分）不符合要求，檢查、維修、保養(yǎng)不及時(shí)等原因發(fā)生泄漏、結(jié)垢堵塞、應(yīng)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(zhì)條件。板式換熱器的腐蝕主要是指板片的腐蝕，大多發(fā)生在與海水接觸的一側(cè)，即冷側(cè)。冷側(cè)的介質(zhì)（一般是海水）流速對腐蝕快慢有重大影響[10—12]。通過對產(chǎn)品性能失效分析，確定板式換熱器的主要敏感應(yīng)力是冷側(cè)海水的沖刷和換熱量。

2.3 板式換熱器折算系數(shù)的計(jì)算

2.3.1 流速比較

通過對兩種參數(shù)的對比分析，其中介質(zhì)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(cè)，即冷側(cè)即可。對比樣品滑油冷卻器的冷側(cè)流速V1=0.4 m/s，試驗(yàn)樣品滑油冷卻器的冷側(cè)流速V2=0.35 m/s，兩種產(chǎn)品冷側(cè)流速都在合理的區(qū)間內(nèi)，計(jì)算得到折算系數(shù)K1=1.14。

2.3.2 換熱系數(shù)的比較

從產(chǎn)品的性能參數(shù)出發(fā)，換熱量為產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo)，單位海水換熱量系數(shù)為：

α=換熱量/冷側(cè)流量（3）

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

2.3.3 其他相似因素折算

根據(jù)上述對比分析，分別對原理、結(jié)構(gòu)外形、材料、環(huán)境條件等相似性因素進(jìn)行比較，經(jīng)咨詢有關(guān)專家，綜合分析后得到折算系數(shù)為：K3=0.9。利用式（2），得該產(chǎn)品與對相似產(chǎn)品折算系數(shù)為：

最后，利用相似產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行折算，將其實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)7.8萬h近似認(rèn)為是外場試驗(yàn)時(shí)間，按照上述折算系數(shù)，折算后的試驗(yàn)時(shí)間t=22 308 h。

3 船用板式熱交換器可靠壽命預(yù)計(jì)

考慮到兩產(chǎn)品之間的相似性，利用折算因子對該船用板式冷卻器進(jìn)行外場試驗(yàn)時(shí)間折算。

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

若n個(gè)產(chǎn)品工作了t1，t2，…，tn時(shí)間沒有出現(xiàn)故障，則按無故障情形下產(chǎn)品工作時(shí)間為l1，l2，…，ln的指數(shù)分布來處理，可得到平均壽命θ在1-α置信水平下的單側(cè)置信下限為：

由此，根據(jù)上述評估模型，外場試驗(yàn)時(shí)間為22 308 h，未發(fā)生故障。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（4），計(jì)算得到產(chǎn)品在置信度為0.9，0.8，0.7時(shí)的平均壽命置信下限分別為：9 688，13 861，18 529。

4 結(jié)語

文中提出了一種利用相似產(chǎn)品信息進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)的方法，從產(chǎn)品的性能特征出發(fā)，選取關(guān)鍵性能參數(shù)。利用模糊數(shù)學(xué)中的貼近度函數(shù)的概念，對折算系數(shù)的定量計(jì)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(jié)構(gòu)、海水流速、換熱溫差、密封橡膠等進(jìn)行對比分析，利用所提出的方法，計(jì)算產(chǎn)品之間的折算系數(shù)，并利用相似產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為樣本的外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)用無故障定時(shí)截尾評估方法進(jìn)行壽命評估，評估結(jié)果滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

該方法為利用相似產(chǎn)品信息進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)中折算系數(shù)的定量計(jì)算提供了一種新思路，從產(chǎn)品性能特征出發(fā)，在一定程度上優(yōu)化了專家評估兩產(chǎn)品相似比的主觀因素。該評估方法可擴(kuò)展到多個(gè)相似產(chǎn)品、相似系統(tǒng)間的可靠性評估方面，也依然適用。

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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?yàn)橄到y(tǒng)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.