مقاله طراحی بر مبنای قابلیت اطمینان در فاز طراحی برای دستگاه های حفاری

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله با استفاده از پایه و اساس کارهای گذشته، به توسعه روشی جدید جهت ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم های الکترومکانیکی که در فاز طراحی بوده و اطلاعاتی محدودی در مورد خرابی اجزا مختلف آنها وجود دارد، پرداخته شده است.

در روش ارائه شده پس از شناسایی اجزا سیستم از نقطهنظر قابلیت اطمینان و جمعآوری دادههای خرابی آنها ، از روش بلوک دیاگرامهای قابلیت اطمینان برای مدلسازی سیستمها جهت تحلیل قابلیت اطمینان استفاده شده است. محاسبات مربوط به قابلیت اطمینان و قابلیت دسترسی برای سیستم بعد از شبیه سازی آن با استفاده از روش مونت کارلو، انجام گرفته است. از کاربردهای این روش میتوان به ارزیابی قابلیت اطمینان سیستمهای پیچیدهای که در فاز طراحی مهندسی معکوس قرار دارند، اشاره کرد.

مقدمه

قابلیت اطمینان عبارت است از توانایی یک آیتم - محصول، سیستم و ... - برای کار کردن تحت شرایط معین شده، برای یک دوره زمانی یا تعداد دفعات مشخص شده 

قابلیت اطمینان به توصیف ویژگی-های خرابی اجزا سیستم با استفاده از تحلیل دادههای خرابی مشاهده شده و کاربرد روشهای آماری مناسب می پردازد

قابلیت اطمینان هم از نقطه نظر مهندسی و هم به عنوان یک مفهوم احتمالاتی مورد توجه قرار میگیرد. بنابراین، مهندسی قابلیت اطمینان به طراحی و تحلیل وضعیت اجزا در عمر سرویسدهی آنها و همچنین کنترل مودهای خرابی بالقوه میپردازد.

جهان رقابتی امروزی و افزایش تقاضای مشتریان برای محصولاتی با قابلیت اطمینان بالا، بحثهای قابلیت اطمینان را به یکی از چالشهای مهم تبدیل کرده است. اگر تحلیل قابلیت اطمینان در فاز طراحی اولیه اعمال شود، تاثیر آن در فرآیند طراحی و تولید محصول، بیشتر خواهد بود. تحلیل قابلیت اطمینان در فاز طراحی اولیه موجب قابل اطمینانتر و کم هزینهتر شدن یک ساختار خواهد شد؛ ساختاری که در فاز مفهومی قابل اطمینان باشد، از ساختاری که در فاز مفهومی قابل اطمینان نیست اما در فازهای بعدی طراحی بهبود خواهد یافت، کم هزینهتر خواهد بود.

در سالهای اخیر، طراحی سیستمها بر مبنای قابلیت اطمینان بصورت طراحی مفهومی، مورد توجه بیشتر طراحان تجهیزات صنعتی قرار گرفته است.

آوانتور1 و همکارانش [3] با اعمال تحلیل قابلیت اطمینان در فاز طراحی مفهومی، به مقایسه تاثیر تحلیل قابلیت اطمینان یک سیستم در فاز طراحی با حالتی که این تحلیل پس از ساخت، بر روی سیستم اعمال شود، پرداختهاند.

الخیر 2 و همکارانش [4] با مقایسه روش طراحی بر مبنای قابلیت اطمینان با روش طراحی کلاسیک، به توسعه مدلی جهت تعیین قابلیت اطمینان دستگاههای شخمزنی پرداختهاند. در همین راستا، هالوران3 و همکارانش [5] یک سیستم توان الکتریکی را به عنوان مطاله موردی برای بررسی روش پیشبینی قابلیت اطمینان برای طراحی اولیه4 مورد بررسی قرار دادهاند.

با توجه به مطالب ارائه شده، مشخص میگردد که در اکثر تحقیقات گذشته از دادههای تجربی برای تحلیل قابلیت اطمینان استفاده شده است. همچنین در بیشتر پژوهشهای انجام گرفته، یک قسمت خاصی از یک سیستم، مانند قسمت الکتریکی و یا مکانیکی سیستم مورد بررسی قرار گرفته و حالت ترکیبی آنها کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است.

مواد و روشها

در این تحقیق و در جهت پوشش دادن به ضعفهای روشهای قبلی، یک روش جدید برای ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم های الکترومکانیکی که در فاز طراحی بوده و اطلاعاتی محدودی در مورد خرابی اجزا مختلف آنها وجود دارد، ارائه شده است. روش توسعه داده شده شامل هشت مرحله میباشد که در فلوچارت شکل 1 آمده است.

شکل :1 فلوچارت ارائه شده برای ارزیابی قاابلیت اطمینان سیستم

در این روش ابتدا اجزای تشکیل دهنده سیستم و همچنین، نحوهی ارتباط آنها با یکدیگر، از نقطهنظر قابلیت اطمینان، شناسایی شده است. در گام بعدی به جمعآوری و تعیین دادههای خرابی و تعمیرات قطعات موجود در سیستم با استفاده از بانکهای دادههای خرابی ، همچون [6] OREDA، [7] MIL-HDBK-217F و [8] NPRD -95، پرداخته شده است. همانگونه که گفته شد، سیستمهای مورد مطالعه در این روش، سیستمهایی هستند که در فاز طراحی بوده و به دلایل گوناگون دادهی میدانی و تجربی در مورد خرابی و تعمیر اجزا آن در دسترس نیست. پس بهترین راه برای جمعآوری دادههای خرابی، استفاده از این همین بانکهای دادههای خرابی میباشد؛ البته در حالتی که اطلاعات عمومی برای برخی از قطعات خاص در دسترس نبوده، از تخمینهای کارشناسی5 و نظرات افراد خبره بهره گرفته شدهاست.

با توجه به اینکه ممکن است در انتخاب دادهها خطایی رخ دهد، برای نتایج بدست آمده یک عدم قطعیت در نظر گرفته شدهاست. اطلاعات جمعآوری شده شامل مقادیر متوسط زمان بین خرابیها و نیز دادههای مربوط به مدت زمان لازم برای تعمیر قطعات تشکیل دهنده سیستم میباشد. همچنین با استفاده از روشهای بهترین برازش، مناسبترین توزیعها برای مدلسازی قابلیت اطمینان قطعات انتخاب شدهاست. روشهای مختلفی برای مدلسازی سیستمها در تحلیل قابلیت اطمینان وجود دارد که این پژوهش از روش بلوکهای دیاگرامی قابلیت اطمینان6 استفاده شدهاست.

در گام بعدی و با استفاده از روش مونت کارلو7، سیستم شبیه سازی شدهاست. کلیه شبیهسازیها و محاسبات برای دو توزیع نمایی8 و وایبل9، انجام گرفته است. دلیل انتخاب این دو توزیع، توانایی آنها مدلسازی قابلیت اطمینان قطعات در فازهای مختلف طول عمر بالاخص دوره فرسودگی میباشد. در مراحل بعدی، قابلیت اطمینان و قابلیت دسترسی کل سیستم محاسبه شده است؛ علاوه بر محاسبه این پارامترها، اهمیت اجزا مختلف از نقطه نظر قابلیت اطمینان و نیز تخصیص قابلیت اطمینان، برای ارائه پیشنهاداتی جهت بهینهسازی قابلیت اطمینان مورد بررسی قرار گرفته است. لازم به ذکر میباشد که در این پروژه، برای سیستم مورد مطالعه، خرابی حتی یک قطعه - مثلا یک لامپ نشانگر - به منزله توقف عملیات و از کار افتادن کل سیستم در نظر گرفته شده است.

روش شبیه سازی مونت کارلو روش شبیه سازی مونت کارلو یک روش نمونه گیری است که می-تواند برای حل مسائل پیچیده با رفتار تصادفی مورد استفاده قرار گیرد. دو دسته ورودی برای این شبیه سازی لازم است. دسته اول ورودیها شامل توزیع خرابی یا تعمیرات، و پارامترهای آنها و... است. دسته دوم شامل منطق سیستم است یا به عبارت دیگر، نحوه ارتباط اجزا و قطعات با یکدیگر میباشد .[9] شکل 2 روند شبیه سازی مونت کارلو را نشان میدهد.

شکل :2 روند شبیه سازی مونت کارلو

بکارگیری روش ارائه شده برای یک مطالعه موردی و نتایج آن

یک دستگاه حفاری افقی که در فاز طراحی مهندسی معکوس قرار دارد، به عنوان مطالعه موردی جهت اعمال روش ارائه شده برای ارزیابی قابلیت اطمینان، مورد استفاده قرار گرفته است. بعد از مطالعه سیستم و استخراج دادههای خرابی و تعمیرات مربوطه از بانکهای دادههای خرابی، از دو توزیع نمایی و وایبل برای مدلسازی سیستم استفاده شده است. دلیل استفاده از این دو توزیع، توانایی آنها برای مدلسازی قابلیت اطمینان قطعات در فازهای مختلف طول عمر است که در انتها و با مقایسه نتایج بدست آمده، زمانهای کارکردی مناسب برای هریک از این توزیعها مشخص شده است.

سیستم با استفاده از روش بلوک دیاگرام قابلیت اطمینان مدلسازی شده است. شکل 3 مدلسازی این سیستم را نشان میدهد که در نرم افزار ReliaSoft Blocksim8 تولید شده است. هریک از بلوکهای این شکل شامل چندین زیرسیستم است.

شکل :3 تقسیمبندی اصلی برای مدلسازی دستگاه حفاری

نتایج بعد از شبیه سازی سیستم به بررسی و تحلیل نتایج بدست آمده برای هریک از پارامترهای قابلیت اطمینان پرداخته شده است.

قابلیت اطمینان همانطور که گفته شد، کلیه محاسبات برای هر دو توزیع خرابی نمایی و وایبل انجام گرفته است. نتایج حاصل برای مقادیر قابلیت اطمینان سیستم مورد مطالعه در زمانهای مختلف و برای توزیعهای نمایی و وایبل در شکل 4 و 5 آمده است. نتایج نشان میدهد که مقدار قابلیت اطمینان سیستم برای توزیع نمایی، در زمانهای پایین-تر، نسبت به توزیع وایبل کمتر میباشد. علت این امر مقدار انتخاب شده برای پارامتر توزیع وایبل میباشد که برای مدلسازی سیستم در دورهی فرسودگی، باتوجه به نظرات کارشناسی، مقدار 2 انتخاب شده است.

شکل :4 نمودار قابلیت اطمینان دستگاه حفاری با توزیعهای خرابی نمایی

مقادیر نرخ خرابی بدست آمده از توزیع وایبل برای زمانهای پایین، خوشبینانه بوده و مقادیر نرخ خرابی بدست آمده از توزیع نمایی، معقولتر به نظر میرسد. پس با انتخاب توزیع نمایی برای زمانهای پایین و توزیع وایبل برای زمانهای بالاتر، میتوان سیستم را آنگونه در نظر گرفت که رفتار منحنی وان حمامی10 را در زمانهای مختلف از خود نشان دهد.

شکل :5 نمودار قابلیت اطمینان دستگاه حفاری با توزیعهای خرابی وایبل

اهمیت قابلیت اطمینان ارزیابی قابلیت اطیمنان کل سیستم وابسته به تمامی اجزا سیستم است. از طرف دیگر، بیشترین تاثیر و اهمیت برای قابلیت اطمینان کل سیستم در ساختارهای سری، مربوط به اجزایی با کمترین قابلیت اطمینان است. به طوریکه تغییرات کوچک در آن مؤلفه، سبب تغییرات زیادی در قابلیت اطمینان کل سیستم میشود، درحالیکه تغییرات در قابلیت اطمینان اجزا دیگر از چنین تاثیری برخوردار نیست.

بیشترین قابلیت اطمینان محاسبه شده در زمانهای مختلف برای توزیع نمایی و وایبل، مربوط به کابین است. در حالیکه کمترین قابلیت اطمینان محاسبه شده برای توزیع نمایی مربوط به سیستم هیدرولیک و برای توزیع وایبل، مربوط به سیستم موتور است. بنابراین در یک بازه زمانی مشخص، تعداد بیشتری خرابی در این زیرسیستمها، نسبت به سایر زیرسیستمها رخ میدهد. بدین ترتیب این زیرسیستمهای مهمترین زیرسیستمها از نقطهنظر احتمال رخداد خرابی، برای توزیعهای نمایی و وایبل خواهند بود که با افزایش کیفیت قطعات و نیز فعالیتهای نگهداری و تعمیر مناسب، میتوان قابلیت اطمینان و کارایی سیستم را بهبود بخشید.

تخصیص قابلیت اطمینان :

تخصیص قابلیت اطمینان به معنی دستیابی به قابلیت اطمینان هدف در مدت زمان معین است که براساس قابلیت اطمینان هدف، قابلیت اطمینان مورد نیاز برای هریک از زیرمجموعههای سیستم مشخص میشود.

در این پروژه مقدار قابلیت اطمینان هدف برای دستگاه حفاری، با مطالعه سیستمهای مشابه و استفاده از نظرات کارشناسانه، برای توزیع خرابی وایبل در مدت زمان 2000 ساعت - معادل 1/25 سال کاری برای دستگاه حفاری - ، %95 در نظر گرفته شدهاست. لازم به ذکر است که در تعیین این مقدار قابلیت اطمینان - %95 - ، سطح اطمینان %95 در نظر گرفته شده است.