李媛媛， 伊梟劍， 鄧春龍， 張繼忠， 趙玲玲， 張冬梅

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津　300400；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 北京　100081；3. 中國(guó)北方車輛研究所， 北京　100072)

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基于GO法的車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)可靠性分析

李媛媛1， 伊梟劍2，3， 鄧春龍1， 張繼忠1， 趙玲玲1， 張冬梅1

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津300400；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 北京100081；3. 中國(guó)北方車輛研究所， 北京100072)

以車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)為例，分別采用GO法直接算法、修正算法和精確算法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)可用度計(jì)算，并且基于GO法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析。通過(guò)與故障樹(shù)、蒙特卡洛仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了GO法對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)可靠性分析的正確性和適用性。

增壓系統(tǒng)； GO法； 可靠性分析； 仿真

增壓系統(tǒng)可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，因此其在車用發(fā)動(dòng)機(jī)中起著關(guān)鍵作用，同時(shí)它的可靠性也受到了極大的關(guān)注。采用目前常用的FTA和FMEA等可靠性分析法不易對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行全面、快捷和準(zhǔn)確的可靠性分析，而GO法更適用于存在時(shí)序性和多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性分析。GO法(GO methodology[1])是一種以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)概率分析方法，EPRI公司從GO法理論和模型、GO法和故障樹(shù)法的比較、GO法的操作符類型和功能等方面詳細(xì)地介紹了GO法[2-7]，GO法也逐步應(yīng)用于交通運(yùn)輸、供水系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、軍工系統(tǒng)、核工業(yè)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域[8-9]。伊梟劍、董海平等提出了多失效模式的可修系統(tǒng)GO法可靠性分析方法[10]，并考慮了冗余結(jié)構(gòu)維修相關(guān)性和系統(tǒng)多故障模式單元利用GO法對(duì)車輛綜合傳動(dòng)裝置的液壓供油系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，將GO法成功運(yùn)用于車輛的動(dòng)力系統(tǒng)中[11-12]，但到目前為止，仍未發(fā)現(xiàn)對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)及其增壓系統(tǒng)利用GO法進(jìn)行可靠性分析的相關(guān)文獻(xiàn)。本研究以車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別采用GO法直接算法、修正算法和精確算法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)可用度計(jì)算，并且基于GO法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析。通過(guò)與故障樹(shù)、蒙特卡洛仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了GO法對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的可靠性分析的正確性和適用性。

1　GO法的基本原理

GO法是一種以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)可靠性分析方法，它是將系統(tǒng)的原理圖、流程圖或工程結(jié)構(gòu)圖按一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成GO圖模型，然后根據(jù)GO圖模型進(jìn)行GO法運(yùn)算得到系統(tǒng)的狀態(tài)概率。GO法分析主要是建立GO圖模型和進(jìn)行GO運(yùn)算，而GO圖模型和GO運(yùn)算的兩大要素是GO操作符和信號(hào)流。

1.1GO操作符與信號(hào)流

GO操作符分為功能操作符和邏輯操作符，它們是用來(lái)表示系統(tǒng)單元的功能和單元輸入、輸出間的邏輯關(guān)系；操作符類型、數(shù)據(jù)和運(yùn)算規(guī)則是GO操作符的三大屬性，現(xiàn)有GO法定義了17種標(biāo)準(zhǔn)操作符[13]。信號(hào)流表示系統(tǒng)單元、單元輸入和輸出之間的聯(lián)系，狀態(tài)值和狀態(tài)概率是信號(hào)流的兩大屬性。GO圖模型是由信號(hào)流將GO操作符連接而成的。

本研究使用類型1、類型5、類型6和類型10操作符(見(jiàn)圖1)，其定量計(jì)算公式見(jiàn)式(1)、式(2)、式(3)和式(4)。

類型1操作符定量計(jì)算公式：

PR(1)=PS(1)PC(1)。

(1)

類型5操作符定量計(jì)算公式：

PR(1)=PC(1)。

(2)

類型6操作符定量計(jì)算公式：

PR(1)=PS1(1)PS2(1)PC(1)。

(3)

類型10操作符定量計(jì)算公式：

(4)

式中：PR(1)為操作符輸出信號(hào)的成功概率，PS(1)為操作符輸入信號(hào)的成功概率，PC(1)為操作符自身的成功概率，PS1(1)為操作符輸入信號(hào)S1的成功概率，PS2(1)為操作符輸入信號(hào)S2的成功概率，PSi(1)為操作符輸入信號(hào)Si的成功概率。

圖1　操作符類型

1.2GO運(yùn)算和分析流程

GO法的定量和定性分析均基于GO運(yùn)算。GO運(yùn)算有狀態(tài)組合法和概率公式算法，概率公式算法包括直接算法、有共有信號(hào)的修正算法和有共有信號(hào)的精確算法。通過(guò)GO運(yùn)算，可以得到系統(tǒng)輸出的狀態(tài)概率和系統(tǒng)各狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的割集。最后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)系統(tǒng)可靠性作出評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，提高系統(tǒng)可靠性。

一般可修系統(tǒng)GO法可靠性分析具體流程見(jiàn)圖2。

圖2　一般可修系統(tǒng)GO法可靠性分析流程

2　車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)GO法可靠性分析

為了便于分析系統(tǒng)的可靠性特征，作如下假設(shè):(1)系統(tǒng)部分導(dǎo)管、接口的可用度為1；(2)不考慮部件之間的停工相關(guān)性；(3)假設(shè)空氣能夠成功輸入的概率為0.999 998，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣輸入的成功概率為1；(4)假設(shè)設(shè)備僅進(jìn)行基層級(jí)維修，修理工作主要是換件修理，修理時(shí)間一般不大于2 h[14]。

2.1車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)分析

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)由渦輪增壓器、中冷器、排氣旁通閥等其他附件組成(見(jiàn)圖3)，其工作原理為排氣管接在渦輪殼上，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定壓力和流速的高溫廢氣經(jīng)渦輪殼按一定的方向沖擊渦輪，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)，廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪轉(zhuǎn)速也越高，做完功的廢氣最后排入大氣。與渦輪軸同軸的壓氣機(jī)葉輪也以相同的轉(zhuǎn)速將經(jīng)過(guò)空氣濾清器的空氣吸入壓氣機(jī)殼進(jìn)入進(jìn)氣歧管。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得足夠高的增壓壓力以提高低速大負(fù)荷時(shí)的扭矩，就必須使低轉(zhuǎn)速下最大扭矩工況點(diǎn)匹配在壓氣機(jī)的高效率區(qū)，但是這樣會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速大負(fù)荷時(shí)增壓壓力過(guò)高，造成增壓器超速、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力過(guò)高，因此，在廢氣渦輪增壓器上進(jìn)入渦輪前的排氣管上安裝排氣旁通閥裝置，通過(guò)對(duì)旁通閥彈簧預(yù)緊力的調(diào)整，使增壓器轉(zhuǎn)速、增壓壓力和最高燃燒壓力都能控制在一定的范圍內(nèi)。另外，為了進(jìn)一步發(fā)掘廢氣渦輪增壓提高功率的潛力并避免爆燃，在增壓器壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管之間安裝中冷器。

綜上所述，車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的成功準(zhǔn)則為能夠正常提供預(yù)設(shè)壓力的氣體。

圖3　渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2建立GO圖

根據(jù)增壓系統(tǒng)分析，空氣輸入和發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣輸入作為系統(tǒng)輸入單元選用類型5操作符；壓氣機(jī)正常輸出經(jīng)過(guò)空氣濾清器后的空氣，需要轉(zhuǎn)子軸帶動(dòng)作用，因此選用類型6操作符；其余元件均為兩狀態(tài)單元，即正常狀態(tài)和故障狀態(tài)，因此選用類型1操作符；進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣旁通閥、排氣歧管和排氣旁通閥均正常工作才能滿足各工況要求，因此選用類型10操作符表示進(jìn)氣歧管輸出和進(jìn)氣旁通閥輸出、排氣歧管輸出和排氣旁通閥輸出之間的邏輯關(guān)系。根據(jù)相關(guān)工程手冊(cè)或工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得到各部件所對(duì)應(yīng)操作符的可靠性參數(shù)(見(jiàn)表1)。

根據(jù)增壓系統(tǒng)分析，將操作符用信號(hào)流連接可得增壓系統(tǒng)GO圖(見(jiàn)圖4)。圖4中GO操作符內(nèi)前一數(shù)字是操作符類型號(hào)，后一數(shù)字是操作符編號(hào)，信號(hào)流上的數(shù)字是信號(hào)流編號(hào)。信號(hào)流S14為系統(tǒng)的輸出。

圖4　廢氣渦輪增壓器系統(tǒng)GO圖

編號(hào)部件名稱操作符類型故障率λ/h-1維修率μ/h-11空氣輸入52空氣濾清器10．0020533壓氣機(jī)60．0003114發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣輸入55排氣歧管10．0001546旁通閥控制裝置10．0002917排氣旁通閥10．0002238，14與門109渦輪10．00025210轉(zhuǎn)子軸10．00050311中冷系統(tǒng)10．000751．812進(jìn)氣歧管10．00015413進(jìn)氣旁通閥10．000223

2.3數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行系統(tǒng)GO法運(yùn)算前，根據(jù)式(5)、式(6)求出表1中元件不同時(shí)刻的可用度和穩(wěn)態(tài)可用度，計(jì)算結(jié)果列于表2。

(5)

(6)

表2　不同時(shí)刻元件可用度

2.4增壓系統(tǒng)GO法定量運(yùn)算

本研究選擇精確算法[15]進(jìn)行系統(tǒng)GO運(yùn)算，圖4中的共有信號(hào)為信號(hào)流S4與S11，共有4種組合，經(jīng)過(guò)多次GO運(yùn)算之后對(duì)各次運(yùn)算所得結(jié)果進(jìn)行概率加權(quán)即可求得系統(tǒng)成功概率的精確值，從而避免了繁瑣的公式推導(dǎo)，大大提高了計(jì)算效率。以t=5 h為例，具體分析結(jié)果見(jiàn)表3。同理，不同時(shí)刻增壓系統(tǒng)成功概率精確值見(jiàn)表4。

表3　不同共有信號(hào)組合GO運(yùn)算及系統(tǒng)成功概率

2.5增壓系統(tǒng)GO法定性分析

GO法定性分析方法基于GO運(yùn)算，當(dāng)分析1階最小割集時(shí)，只要假設(shè)除邏輯操作符以外的M個(gè)操作符中任一操作符的成功概率為零，在其他操作符狀態(tài)概率不變的情況下進(jìn)行GO運(yùn)算，如果系統(tǒng)成功概率為零，則該操作符的故障狀態(tài)即為系統(tǒng)的1個(gè)1階最小割集；同理，在1階割集以外任取M個(gè)操作符中的2個(gè)操作符在類似假設(shè)的情況下進(jìn)行GO運(yùn)算，可得所有2階最小割集。依此類推，可得到系統(tǒng)的各階最小割集[13]。增壓系統(tǒng)的GO法定性分析結(jié)果為系統(tǒng)中各元件均為1階最小割集。因?yàn)橛貌紶柎鷶?shù)計(jì)算由不完全獨(dú)立的最小割集組成的系統(tǒng)故障概率是極其復(fù)雜的，然而最小割集發(fā)生概率極低，因此在工程上可假設(shè)最小割集彼此獨(dú)立，即系統(tǒng)故障概率的上限值為所有最小割集的概率之和。不同時(shí)刻GO法定性分析的定量值見(jiàn)表5。

表4　不同時(shí)刻增壓系統(tǒng)成功概率精確值

表5　不同時(shí)刻增壓系統(tǒng)定性分析定量值

3　結(jié)果比較分析

1) 采用GO法的直接算法[13]和有共有信號(hào)的修正算法[16]進(jìn)行GO運(yùn)算，得到的增壓系統(tǒng)成功概率見(jiàn)表6。

2) 上述GO定性分析只分析到元件層次，該分析結(jié)果可采用故障樹(shù)法來(lái)驗(yàn)證。采用故障樹(shù)法[17]對(duì)增壓系統(tǒng)所得定性分析最小割集與GO法完全一致，定性分析的定量結(jié)果見(jiàn)表6。

3) 對(duì)于GO法定量分析結(jié)果，可采用蒙特卡洛仿真方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證?；诿商乜宸抡鎇18]以表2各元件可用度為參考值產(chǎn)生各元件成功概率的隨機(jī)數(shù)，并以元件→系統(tǒng)的邏輯關(guān)系建立仿真模型，模擬100萬(wàn)次得到增壓系統(tǒng)成功概率(見(jiàn)表6)。

表6中A1，A2，A3，A4，A5和A6分別為有共有信號(hào)精確算法、直接算法、有共有信號(hào)修正算法、GO法定性分析定量值、FTA和Monte Carlo仿真結(jié)果。

表6　幾種不同計(jì)算方法所得系統(tǒng)狀態(tài)概率

從表6可以看出：(1)直接算法結(jié)果和修正算法結(jié)果小于精確算法結(jié)果，表明系統(tǒng)若存在共有信號(hào)，不對(duì)共有信號(hào)進(jìn)行修正會(huì)造成較大的誤差；(2)由于GO法和故障樹(shù)法定性分析結(jié)果可作為系統(tǒng)成功概率保守估計(jì)值，而只有GO法精確算法結(jié)果大于GO法和故障樹(shù)法定性分析結(jié)果，表明當(dāng)GO圖模型中存在共有信號(hào)，若不對(duì)共有信號(hào)進(jìn)行精確處理甚至?xí)斐慑e(cuò)誤的結(jié)果，另外也表明GO法精確算法對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的正確性；(3)精確算法結(jié)果與蒙特卡洛仿真結(jié)果最為接近，表明GO法在增壓系統(tǒng)可靠性分析中的可用性；(4)采用本文GO法定性分析方法對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行定性分析所得的最小割集與FTA完全一致，說(shuō)明GO法定性分析方法的正確性與適用性。

4　結(jié)束語(yǔ)

采用了GO法直接算法、有共有信號(hào)的修正算法和有共有信號(hào)的精確算法對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)GO法定量可靠性分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)若存在共有信號(hào)，應(yīng)選用GO法的精確算法，否則會(huì)造成很大的誤差甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)果；采用GO法定性分析方法快速求出增壓系統(tǒng)的全部最小割集，可為系統(tǒng)的故障診斷與改進(jìn)提供依據(jù)；通過(guò)與故障樹(shù)法和蒙特卡洛仿真方法所得結(jié)果進(jìn)行比較，表明GO法對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的可用性與正確性，還表明GO法在系統(tǒng)建模、定性分析和定量算法等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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[5]Chu B B.GO Methodology:GO User’s Manual[M].EPRI NP-3123,V01.4.[S.l.]:Electric Power Research Institute,1983.

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[編輯：姜曉博]

LI Yuanyuan1, YI Xiaojian2,3， DENG Chunlong1, ZHANG Jizhong1,ZHAO Lingling1, ZHANG Dongmei1

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin300400, China;2. School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing100081， China；3. China North Vehicle Research Institute, Beijing100072, China)

Taking the vehicle engine turbocharging system as an example, the calculation of dynamic availability was conducted by direct algorithm, correction algorithm and exact algorithm of GO method. Compared with the FTA and Monte Carlo Simulation results, the accuracy and applicability of GO method to the reliability analysis of turbocharging system for vehicle engine were verified.

turbocharging system; GO method; reliability analysis; simulation

2016-03-16；

2016-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金NSAF聯(lián)合基金(U1530135)

李媛媛(1986—)，女，助理研究員，主要研究方向?yàn)檐囉冒l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)情報(bào)研究；lyy96moon@163.com。

伊梟劍(1987—)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)可靠性工程和優(yōu)化設(shè)計(jì)；yixiaojianbit@sina.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.008

TK402

B

1001-2222(2016)05-0038-05