重庆大学硕士课程论文

重庆大学硕士课程论文 供水管网的可靠性分析与研究 姓名孙明月 学号20101702049 指导教师王圃教授 学科专业市政工程 重庆大学城市建设与环境工程学院 二o 一一年六月 浅析给水管网可靠性 摘 要给水管网是城市给水系统的重要组成部分，其可靠运行对整个给水系统 充分发挥经济效益和社会效益起着举足轻重的作用。通过比较、分析影响管网可 靠性的两个主要因素，机械故障和水力故障，建立一种新型的综合模型，即将城 市给水管网机械故障和水力故障相结合，来综合评价城市给水管网系统的可靠 性。以此提高城市给水系统的经济可靠性。 关键词给水管网，可靠性分析，机械故障，水力故障 1. 概述 给水管网是给水系统的重要组成部分，其可靠运行对整个给水系统充分发挥 经济效益和社会效益起着举足轻重的作用。在这一复杂系统中，机械故障和水力 条件变化是影响城市给水管网可靠性的两个主要因素。机械故障指管网中部分部 件发生损坏而引起的故障，如泵的损坏、爆管等；水力故障指取水点处无法满足 要求的水量和水压，一般有两种情况引起第一，设计阶段对城市需水量预测不 准，第二，由于管网的老化及锈蚀引起管网横断面过水能力的下降。 由于给水管网远较给水系统中其他部分复杂，并且受多方面因素影响如， 部件的相互影响，如蓄水池、水泵等；单个部件可靠性；需求空间、时间差异等。 因此该可靠性分析一直进展缓慢。已有的给水管网可靠性研究多建立在部件机械 故障基础之上，结合给水管网水力功能的考虑却较少。目前，在给水管网系统设 计中，可靠性的考虑一般限于采用定性的原则表示，对其具体的可靠性定义及如 何定量的评价、量测等仍没有统一的概念，一般可采用概率方法，通过引入概率 来说明某一偶然性事件对系统供水情况的影响，分析中，根据选择的评价标准不 同，可以采用不同的指标，以反映中断供水或供水不足的程度、持续时间、发生 频率、用户受影响的程度等。 2. 给水管网可靠性分析的理论基础 2.1可靠性的基本概念 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可 靠性以及包含于这个概念中的各单项性质及其数值指标都具有概率的特征，并且 可以由定义看出，可靠性与规定的时间、规定的条件和规定的功能密切相关。 规定的条件包括运输条件、储存条件和使用时的环境条件。 规定的时间时间是可靠性的质量特征，它泛指一般的时间概念。 规定的功能规定的功能与失效密切相关，规定的功能是根据使用要求与生产能 力，由技术标准规定的。 2.2可靠性的特征量 给水管网系统组件的可靠性特征量包括狭义可靠性特征量、维修性特征量和 可用性特征量。 1 狭义可靠性特征量 1. 可靠度和不可靠度 可靠度R。产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。 就概率分布而言，它又叫可靠度分布函数，是累积分布函数，它表示在规定的使 用条件下和规定的时间内，无故障地发挥规定功能而工作的产品占全部工作产品 的百分率。设叫为试验组件总数，ANf是时刻f到i也时间间隔内产生的失 效组件数，则 N。N。 不可靠度尸。又名组件累积失效概率，是与组件可靠度R。相对应的可 靠性指标。它是指组件在一定的环境与使用条件下，在规定的时间f内发生故障 的概率。显然有 Ft lim F lim 竺fcl 8NqT8 N 式中，尸。为组件试验至时刻f时的累积失效频率或累积故障频率。同一时 间区间内，组件的故障概率尸。与其无故障工作概率R。之和等于lo 2. 故障概率密度函数/ 故障概率密度函数/0设也为试验组件总数，AN。是时刻f到t M时 间间隔内产生的失效组件数，定义 为组件在时间区间［t,t t］内的平均失效密度，它表示组件在这段时间间隔 内平均单位时间的失效频率。于是在时间t内的累积失效频率尸。又可表示为 n-1 业g z0 式中，表示将时间f划分为〃个区间。当Nq*，时，平均失效密 度/（，）就变成了瞬时失效（故障）密度/（）, 1 ANt 1 dN fit lim I * A/ No dt 组件累积失效频率F。）也就被变成为组件累积失效概率尸。） 项）眄项）J7（泗 00 于是组件可靠度R）可被表示成 7（0 l-F（r） l-f；/（ 3.故障率 故障率分为瞬时故障率人。）和平均故障率人。 瞬时故障率2（）元件在f时刻以前正常工作，f时刻后单位时间发生故障 的条件概率密度，可用下式表示 平均故障率人在规定的条件下和规定的时间内，产品的故障总数与寿命单 位总数之比，即单位时间内组件故障的平均数。人和平均故障间隔时间互为倒数。 当组件的故障率为指数分布时，2（0 2 常数。 R）、F（f）、f（t）. f。）是可靠性的四个基本函数，只要知道其中特征量 中的一个，求得其余三个特征量。它们直接的相互关系见表2-1。 可靠性特征量中四个基本函数之间的关系表2-1 基本函数 /0 /W RQ 1-0 1 Jo出 exp -Jo* 印） 5 1-exp -Jo 2。力 /0 dRf dt dFt dt 2/ex dt k 7 1 dFt 1-Fr dt 仙） （2）维修性特征量 维修性是指在规定的条件下使用的可修复元件，在规定的时间内，按规定的 程 序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。这里，规定的 条件是指维修三要素元件维修的难易程度（可维修性）；维修人员的技术水平; 维修设施和组织管理水平（备用件、工具等的准备情况）。元件的维修性可采用维 修度、修复率和平均修复时间等指标加以衡量。 1. 修复率■，） 组件修复率是与故障率人（，）相对应的组件可靠性指标，它是指故障组 件在规定的维修条件下，在时刻f时单位时间内能恢复正常工作状态的概率。 2. 平均修复时间MTTR 设皿）为可修复组件在规定的时间、规定的条件下完成修复的概率。贝V MTTR 「No （t）dt 「“0 - 3. 维修度肱⑺ 维修度肱（。是反映组件维修难易程度的可靠性指标。它是指故障组件在规 定的条件下实施维修时，在规定的时间f内完成维修的概率，或者是指当，0时, 处于完全故障状态的组件在f时刻前经维修后有百分之几恢复到正常工作的累积 概率。一般维修度肱（，）服从指数分布，则 肱0）1戒 （3）可用性特征量 可用度A（r）对于恢复性组件除了可靠性而外，还必须考虑维修性。可用 度A正是综合非恢复性组件可靠度R与恢复性组件维修度驱的广义可靠性尺 度。可用度可分为三种形式，即瞬时可用度、平均可用度和稳态可用度，不同情 况下使用不同的尺度。组件的瞬时可用度是指组件在一定的环境、使用和维修的 条件下，在任意时刻正常工作的概率，而平均可用度是指某一时间间隔上而的 平均值。由于