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计及可靠性的水泵试验台优化设计

2015/2/9 12:27:48
文章来源:网络

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计及可靠性的水泵试验台优化设计任晓力吕海涛(华北水利水电学院河北省邯郸市056021模型,进而求出组成试验台的各主要单元的最优解,并通过实例验证其正确性。

  当被设计的微机控制水泵试验台(以下简称试验台)精度等级确定之后,如何处置试验台所能达到的测试精度、可靠性和投资造价这三个相互制约的主要因素之间的关系,就成为需要认真对待的问题。在以往试验台的优化设计中,着重考虑的是如何使试验台在达到一定的测试精度时投资造价最低,或者如何在投资一定的条件下使试验台的测试精度最高,至于在使用寿命期内试验台可靠运行的程度如何,则往往被淡化或者被忽略了。

  1试验台的精度和可靠性1 .1试验台的精度试验台的精度是由随机误差和系统误差决定的,而且主要取决于系统误差(通常,随机误差≤±0.21 ),取决于试验台的流量变送器、压力变送器、功率变送器等主要测试仪表的精度等级。根据文献 ,把试验台各测试仪表的精度x~n)作为设计变量,则试验台的精度Y为:式中[ Y]试验台精度的允许值第i种仪表的精度对试验台精度的影响系数,其中A =1(流量变送器), A(压力变送器),A =1(采用扭矩仪测功时)或A 3.077 9(采用损耗分析法测功时)常数由仪表的产品样本和试验台的设计要求确定。

  1 .2试验台的可靠性通常,试验台的可靠性由可靠度来量度。可靠度是时间的函数,用概率来表示。根据文献、 ,通过对试验台进行功能分析、功能评价、功能整理,以及绘制其功能系统图和可靠性逻辑图,可以确定试验台的可靠度R d,按下式计算:式中R第i种仪表、设备的可靠度。

  根据文献 ,按照相对失效概率用代数法分配可靠度,则组成试验台的各仪表、设备的允许可靠度[ R ]可按下式计算(允许可靠度的值是必须满足的下限值):式中F′第i种仪表、设备的预计失效概率。

  2计及可靠性的试验台优化设计数学模型2 .1试验台精度与价格和可靠度的关系式在进行试验台设计时,通过市场查询和实地考察,可获得组成试验台的各测试仪表和设备的精度、相应价格及可靠度等参数的一系列值。显然,相对于第i种仪表或设备,上述各参数的每组数值均为离散值。为了建立试验台优化设计的数学模型,现将仪表精度、价格、可靠度等参数值的符号对应地列于合成精度与价格、精度与可靠度的连续函数关系,即:式中(x分别为第i种仪表或设备考虑了精度因素的价格和可靠度。

  第i种仪表(设备)的精度第i种仪表(设备)的价格(万元台)第i种仪表(设备)的可靠度按照试验台的精度等级,在保证满足精度要求的前提下,试验台的可靠度为:试验台的总投资为:式中D第i种仪表或设备所需数量。

  2 .2试验台优化设计数学模型的建立根据价值工程理论,价值工程法的逻辑方式为:价值=功能成本由公式(8)可知,功能越强、成本越低,则价值越大,价值最大者为最优。笔者用试验台精度和可靠度表征其功能,用主要仪表的投资作为成本(其他设备的投资令为定值),显然,试验台多种设计方案中价值最大者将是该试验台的最优设计方案。

  据此建立的试验台优化设计的数学模型为:上式表达了一个多元有约束的非线性规划问题。一般将其转化为一系列无约束问题求解。由于在可行域内易确定初始点,因此本文采用了SUMT内点障碍函数法来求最优解。

  为了将有约束问题转化成无约束,可构造以下目标函数:式中μ惩罚因子,μ惩罚函数。

  利用计算机技术对试验台优化设计的数学模型编程,其计算主程序框图如图1所示。

  3举例某水泵厂兴建B级微机控制潜水电泵试验台,参数的测量年内水比重最大误差为±0.244 随机误差为±0.21 ,压力变送器放在恒温(20℃)的房间内选用的次要仪表清单列于3 .1目标函数的确定根据公式(4),表3中三种仪表的价格函数:名称精度电压互感器温度计电流互感器频率计±1个字电压变送器秒表电阻仪转速数字显示仪±1个字附加电阻名称精度价格(万元台)可靠度需用台数流量变送器压力变送器功率变送器根据公式(5),表3中三种仪表的可靠度函数为:若三种仪表允许投资[φ] =3万元,根据公式(7),三种仪表的总投资:计及可靠性的水泵试验台优化设计任晓力吕海涛B级试验台的精度允许值[ Y] =±2 .8,根据公式(1),该试验台的预测精度则若试验台要求的可靠度值下限为0 .9,按照相对失效概率用代数法分配到流量变送器、压力变送器、功率变送器的可靠度值分别为0.998 5.则三种主要仪表的总允许可靠度值为:根据公式(6),该试验台三种主要仪表的总可靠度值:该试验台计及可靠性进行优化设计时,其目标函数和约束方程为:3 .2计算结果利用编写的程序上机计算求得最优解。现将计算结果列于表4.

  根据计算结果,参考市场供应情况(见表3),该水泵厂兴建微机控制潜水电泵试验台时,可选用精度为±0 .5的流量变送器、精度为±0.2的压力变送器、精度为±0.2的功率变送器。由此经计算可知:该试验台的实际总精度为±0.87三种仪表的实际总投资为3万元三种仪表的实际总可靠值为0 .996 0,完全符合要求。

  仪表名称精度(±)可靠度流量变送器压力变送器功率变送器注:①试验台的精度为±0.91②三种仪表的总可靠度为0.995 8③三种仪表的总投资为2.85万元。

  4结论本文采用的计及可靠性求最优解的方法虽不是唯一的方法,但所建立的水泵试验台优化设计的数学模型,经实例验算是正确、可靠的,它对今后水泵测试技术的发展应起到一定的指导作用。

  对水泵试验台进行优化设计时,除应计及其可靠度外,还应考虑诸如环境影响等因素,并应采取相应的维修技术措施,以保证试验台在寿命期内的可靠运行。

  建议仪表及设备制造厂家,在加强产品质量管理外,还应重视对产品可靠性的考核,并应将考核的结果标注在产品说明书中。

  1王玉昆,任晓力。水泵试验与试验装置设计。北京:中国水利水电出2牟致忠。可靠性设计。北京:机械工业出版社, 1993 3任晓力,微机控制水泵试验台可靠性的研究。中国农村水利水电,[作者简介]任晓力,女, 52岁,副教授吕海涛,男, 37岁,讲师(本文编辑:胡成胜)?信息?

  中国灌排信息网互联网网站www .irrigate.com.cn主办:水利部农村水利司中国灌排国家委员会中国水利学会农田水利专业委员会这里是灌溉排水行业的信息中心,我们的目的是帮助传统企业进入电子商务(Ebusiness)时代,以提高企业生产效率。欢迎访问以下栏目:新闻信息行业概况主要刊物政策研究灌区与节水行业标准农建动态企业数据库专家介绍广告业务关于我们自由讨论区《中国农村水利水电》杂志欢迎提供新闻线索欢迎提供原创稿件欢迎有关厂商单位合作建设欢迎应聘栏目主持人我们将不断完善,您的建议是对我们的最好支持计及可靠性的水泵试验台优化设计任晓力吕海涛

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