舰船锚机液压系统可靠性分析.pdf

2 0 1 0年 1 O月 第3 8卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Oc t ．2 O1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 3 9 舰船锚机液压 系统可靠性分析 郑文杰 ，林 少芬 集关大学轮机工程学院，福建厦 门 3 6 1 0 2 1 摘要在考虑轮机维护的前提下 ，以舰船锚机能正常工作为目标，采用成功导向 G O理论，建立某型锚机的可靠 性模型，并引用经验数据计算锚机的稳态可靠性参数 ，分析其可靠性和可修复性，为其维护管理提供参考。 关键词舰船；锚机；液压系统；可修复；可靠性 中图分类号 U 6 6 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 91 3 5 3 Re l i a b i l i t y Ana l y s i s o f S hi p Anc ho r Hy dr a u l i c S y s t e m Z HENG We n i i e．L I N S h a o n M a ri n e E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f J i me i U n i v e r s i t y ，X i a m e n F u j i a n 3 6 1 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e g o a l o r i e n t e d me t h o d w a s i n t r o d u c e d i n t o t h e s y s t e m o f a n c h o r ’ S r e l i a b i l i t y a n a l y s i s t a k i n g t h e r e p a i r a b l e c o mp ne n t a s p r e e x i s t i ng ．A r e l i a b i l i t y mo d e l wa s bu i l t a c c o r d i ng t o wor k i ng p r i n c i p l e o f t h e a nc h o r ． Th e e q ui v a l e n t r e l i a bi l i t y p a r a me t e r s we r e d e t e r mi n e d a n d t h e s t e a d y s t a t e s y s t e m r e l i a bi l i t y pa r a me t e r s we r e o bt a i n e d． I t pr o v i d e s r e f e r e nc e f o r ma r i n e a n c h o r ma n a g e me n t ． Ke y wor dsS h i p；An c h o r ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；Re p a r a b i l i t y；Re l i a b i l i t y 锚 机 是 船 舶 停 泊 时 克 服 外 力 、保 持 船 位 的 设 备 ，在船 舶离靠码 头和 危急 情 况下 能起 到 紧急制 动 的作用 ，对 于 舰 艇 还 用 于辅 助 退 滩 和 拖 曳装 备 上 舰。锚机系统故障不能正常工作，将对船舶的运营 造 成重大损 失 ，也 是 巨大 的安 全隐 患 ，因此研 究 锚 机的可靠性有重要意义。目前对船舶机械设备的可 靠性 分 析 多 以故 障树 法 为 主 ，较 少 考 虑 其 可 修 复 性 。作者 以锚 机 系统 元 件 可 修 复为 前 提 ，采 用 G O G o a l O r i e n t e d 理论对其故障规律进行研究 ，研究 方法和结果对其他船舶机械系统 的可靠性分析有一 定 的借 鉴意义 。 1 锚机系统工作原理⋯ 作者 以某驱逐舰装备 的锚机作为研究对象 ，该锚 机系统 由主油路 系统 、补油路 系统和应急操 纵系统 3 部分组成 ，其工作原理如图 1 所示 。主油路 由 1台主 油泵 ，主副 2套油马达构成。当电液换向阀处在中位 时 ，主油路形成空载 回路。左电液 换向阀的电磁先 导 阀得 电时 ，补油泵的压力油经先导 阀 ，推 动主阀阀芯 移动 ，主油泵 的压力 油进入左 油马达 ，左锚机实现正 转 或反转 。同理右电磁先 导 阀得 电时 ，则右 锚机 的油马达工作 。主副锚机 只能单个动作 。补油系统排 出的压力油作为 电液换向阀的控制油并为主油路补 油。应急操纵系统主要 由备用泵和应急手操阀组成， 在主油泵损坏时 ，用于临时代替主油泵和补油泵 。应 急系统工作时 ，人工操纵应急手操阀到右工作位。备 用泵排出的压力油经 主油泵 、电液换 向阀 到油马达 ， 然后 回到油箱。 1 一 上 甲板操 纵箱2 一 恒 功率 调 节器3 、5、1 3、1 5 、1 9 、2 0、2 6 、3 I 、 3 3 一 单 向 阀 4 一 安全 溢流 阀6 一 主 油泵7 、2 9 一 放 气 阀 8 、2l 一 油 马 达9 、2 2 一 先 导 阀l 0 、2 3 一 主阀1 I 、1 8 一溢 流 阀1 2 、3 2 一 电机 1 4 一 补 油泵1 6 一 电液 换 向 阀1 7 一 压 力表2 4 一 应 急手 操 阀 2 5 、3 O ～ 过 滤器2 7 一 应 急油 泵2 8 一 油箱 图 1 锚机液压系统原理 图 2 可修系统可靠性和 G 0理论基本原理 在工程可修系统的可靠性分析中，系统稳定后的 可靠性特征量主要有故障率 A，维修率 ，稳态可 用度 A ／ A ，稳态不可用度 A1 一 A等 等 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 8 基金项 目福建省科技重大专项 2 0 0 8 H Z 0 0 0 21 作者简介郑文杰 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，主要研究方 向为轮机工程。通信作者林少芬，E m a i l s h a o f e n l i n 1 6 3． C O rn。 1 3 6 机床与液压 第 3 8卷 G O理论是 以成功为 导向 ，适 合多状态 、有 时序 、有 反馈 系统的可靠性概率分析技术 ，其基本方法是根 据系统的原理图构建具有一定运算规则的模型化连接 图G 0图，对复杂系统进行 状态概率 的定量计算 和分析，G O理论采用操作符代表 系统中的具体元 件 ，用代表元件输入或输出的信号流连接操作符。可 修复系统稳态可靠性分析参数是代表平均特性的稳态 可靠性特征 量。G O理论 中正常状态 概率 、停 工状态 概率 、等效故 障率 、等效维修 率分别记 为 P ． 1 、 P ， 2 、A i 、 ， ，其中下标 i 分别用 S 和 c表示信号 流和操作符，S 和 c 后的数字表示序号。成功状态概 率和故障状态概率即为稳态可用度和稳态不可用度。 当已知这 4个特征量中相互独立的2个，就可以计算 其余 2个可靠性特征量 。 3可靠性模型的建立 G O模 型以系统 中油马达 能够正常工作为 分析 目 I- ． 三 一 ． ． 卜 标 ，即作为系统输 出 ，油箱供油是 系统 的输入 。 根据液压系统元件 的功能 ，选择相应 的功能单元 代表元件 。输入端油泵 、应急手操 阀正常工作 的驱动 信号 ，来 自系统外部 ，用类型 5操作符表示 。油泵在 电动机正常运转时才能工作，对要求有动作信号才能 正常工作 的元件 ，用类型 6操作符表示 。电液换 向阀 也相似，但其控制信号不是外部输人，为简化 ，将它 表示为 2状态单元 ，同时将 信号流 2 2 、2 1 用与 门连 接。应急手操 阀由人工控制 ，在普通情况下和应急情 况下有两路不同输 出 ，用类 型 1 4多输 入输 出操 作符 表示。滤油器、溢流阀、单向阀等都是两状态单元， 用类型 1 操作符代表 。按以上选定操作符类型的 方法，和液压系统的元件一一对应。其余根据操作符 类型 2 代表或 门，类 型 l 8代表备用 门，类型 1 0 代 表 与门。根据元件 的相互关 系用信号流连接操作符 ，如 图 2所示 。 1 S1 3 t I V ] 潞 ／、 ＼／ 2． 厂 _ 一 ＼ 厂 、 S 1 9 I一 1 9 ； ． 2 墼苎 ． 2 1 -- 马达 回油 2 、1 8 一过 滤器 3 、1 5 、2 0 、2 I 、2 2 一或 门 4 、1 2 、l 妒一单向 阀 5 、1 l 一 电机 6 、7 ～ 油箱 8 一主 油泵 9 一补 油泵 l I 卜 应 急油泵 1 3 一 人工操作 信 号 一 应 急手操 阀 l 7 、l 安 全阀 2 3 一 与 门 2 4 、2 5 一 电液控 制阀 2 6 、2 7 一 油 马达 2 8 一 备用 门 图 2某锚机液压系统 G O图 4 G O运算及算例 ’P 1 P 1 P 凹 1 P 岱 1 进行系统稳态定量分析就是计算系统的输出信号 A A A ∞A 2 8的稳态可靠性 特征量 ，根 据工作原 理分不 同油路P 1 P 1 ‘ P 。 。 1 P 1 ‘ P 圆 1 ‘ P 1 计算。 A s 4 A c 4 A c 1 4A c 2 1 A 0 9A c 5 4 ． 1 辅油路的计算P 1 P ， 1 ’ P 。 。 1 P c 1 在补油路和应 急油路 中，分别 把两处并联结 构化 A 。 ， A A 。A 为等效单元 C 2 0 ’ 、C 2 1 ’ ，其稳态可靠性参数计算如下 尸 1 尸 1 。 P 。 1 。 P 晓 ， 1 。 P 。 。 1 。 P c 2 o ， 2 P 2 ‘ P c “ 2 ／ Z c o ， ／ Xc l 6 ／ Xc 1 7 P 2 P 。 2 ‘ P 2 P , c 2 1 r c l 8／ Xc 1 9 补油路和应急油路 经过多输 入输 出器 l 4的状态 组合，有两种输出。先从操作符 6开始 ，沿信号流序 列对补油路系统 的输 出信号流 S 4和信号 流 2 1进行 定量计算 ；再从操作符7定量计算应急油路，得到输 出信号流 2 0和 2 1 ’ 的可靠性参数 Pc l l 1 A s 2 o A 0 Ac l 4A晓l ， Ac 1 0Ac l l 4 ． 2 主油路的计算 主副锚 机系统 主副油 马 达及其 对 应 的电液 控 制阀之间组成了同型部件的备用并联关系，是具 有相关性的并联结构，先用等效单元 C 2 8 ’ 代替 计 算同4 ． 1 等效单元 C 2 0 ’ 。 操作符 1 是过滤器的进油 ，由于主油路是闭式 的 ，因此操作符 1的可用度 由主油路上的各元件共 同 “ 第 1 9期 郑文杰 等 舰船锚机液压系统可靠性分析 1 3 7 决定 ，此时应把主油路和辅油路分离开来单独考虑主 4 ． 3 算例 油路 。 根据 日本造船 工业 协会整理 的船舶 动力装置故 障 P 1 P 1 P 鹋 1 - P 1 P 。 1 P ， 1 P 2 1一Pc 1 Ac l A位 Ac 8A c 5 Ac l 2 AQ8 P 。 1 ／-* c l A C I ‘ 丽 把补油路和应急油路的输出作为输入 ，在主油 路系统中沿信号流序列逐个对操作符进行定量计 算 。处 理逻 辑 操 作 符 2 2 、2 3时 ，需 先 将 其 中的 共 有信号分 离⋯ ，进 行逻辑运 算 后再 合 并 。依次 获 得 S 3 、 1 2 、 2 3的可靠性 参数 ，最终得到 系统 的可 靠 性参数 。 P 1 P 也 ， 1 P ， 1 P s 2 8 2 1一P 越 8 1 A s 2 8 A 8 ，A s 2 3 、 P s 2 8 1 tL s 2 8 ‘ 丽 数据代入进行计算 。 表 1 各元件故障数据 1 主副锚机备用并联结构的精确算法 ’ 先确定主副锚机系统的单元总数 M 2 ，成功数 K 1 ，停工故 障数 i 2 ，维修 工数 L1 ，备用 指示 J 1 。分别计算状态转移率和状态的相对概率。该结构 只有3个状态，用 0 、1 、 2 分别表示无故障状态、1 个部 件故障状态，2 个部件均故障状态，计算结果见表2 。 表2 复杂并联结构的精确计算 其 中状态转移率 r M i 1 A 当 ．，0或 M i 1L时 i 相对 概率P P 。 兀 J I j 结 构的等效 可靠性参数 3 P 1 P o P ／ 兀P 。 0 ． 9 9 9 9 9 9 9 8 9 7 P 8 ， 2 0 ． 0 0 0 0 0 0 0 1 0 3 A ， P。 a 2 ／ P oP， 0 ． 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 c 2 8 ， P2 b 2 ／ P2 0 ． 2 0 7 4 0 7 1 51 3 2 系统各稳态可靠性特征量计算结果 表 3 锚机液压系统稳态可靠性计算结果 系统可靠性参数 输出信号流 2 8 平均工作概率 P 1 平均停工概率 P 2 故障率 A ／ 1 0 h 维修率m h 平均工作时 问／ h 平均维修时 间／ h 0． 9 99 81 8 481 2 0 ． O 0o 1 81 5l 8 8 0． 2 20 1 31 05l 3 0．1 21 2 49 7 41 0 45 4 27 ． 5 8 ． 2 5结语 从工作原理 的角度 出发 ，建立 了某锚机系统的可 靠性模型 ，并计算了各可靠性特征量的稳态值。所建 立的模型能够直观反映系统的复杂并联结构 ，并 可推 广至其他锚机系统的可靠性分析 。计算结果表明在考 虑人的修复作用下 ，系统能够较长时间保持可靠工 作，这与实际结果相符，能为锚机的维护管理提供参 考。 参考文献 【 1 】高翔． 船舶辅助机械[ M ] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 5 ． 【 2 】 曹晋华， 程侃． 可靠性数学引论[ M] ． 北京 科学出版社， 1 9 8 6 ． 【 3 】 沈祖培 ， 黄祥瑞． G O法原理及应用一种系统可靠 性分析方法[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ． 【 4 】沈祖培， 唐辉． 有共 因失效的系统可靠性的 G O法分析 [ J ] ． 清华大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 4 6 6 8 2 9 8 3 2 ． 【 5 】S h e n Z u p e i ， Wa n g Y a o ， H u a n g X i a n g r u i ． A q u a n t i f i c a t i o n a l g o r i t h m f o r a r e p a i r a b l e s y s t e m i n t h e GO me t h o d o l o g y [ J ] ． R e l i abi l i t y E n g i n e e r i n g S y s t e m S a f e t y ， 2 0 0 3 ， 8 0 3 2 9 32 9 8 ． 【 6 】Ma t s u o k a T ， K o b a y a s h i M． T h e G O - F 1 O W r e l i abi l i t y a n a l y s i s me t h o do l o gy-- a na l y s i s o f c o mmo n c a us e f a i l ur e wi t h u nc e r t a i n t y [ J ] ． N U C E N G and D e s i g n ， 1 9 9 7 ， 1 7 5 3 2 0 5 2 1 4 ． 【 7 】羡永宽． 船舶动力装置可靠性[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 2 ．