基于可靠性和維修性的艦艇動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能分析

海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

艦艇動(dòng)力裝置效能的發(fā)揮對(duì)于提高艦艇作戰(zhàn)能力有著極其重要的作用，因此在設(shè)計(jì)、研制、使用和維修等各個(gè)階段對(duì)動(dòng)力裝置進(jìn)行系統(tǒng)效能分析以期發(fā)揮最大效能十分重要。用于系統(tǒng)效能分析的方法很多，目前國內(nèi)外比較流行的有指數(shù)法、解析法和層次分析法，其中解析法中的WSEIAC模型[1-3]在武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的效能分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 WSEIAC模型用于艦艇動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能分析的可行性

動(dòng)力裝置是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其零部件之多、結(jié)構(gòu)之復(fù)雜都是艦艇上其他裝備無法比擬的，但通過分析和簡(jiǎn)化可以使其適合于WSEIAC模型。

把影響鍋爐工作的燃油系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、上下排污系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和鍋爐裝置統(tǒng)稱為鍋爐系統(tǒng)，這些系統(tǒng)和裝置故障視為鍋爐系統(tǒng)故障；把影響主機(jī)工作的供汽系統(tǒng)、凝水系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、主滑油系統(tǒng)、廢氣系統(tǒng)和主汽輪機(jī)裝置統(tǒng)稱為主機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)和裝置故障視為主機(jī)系統(tǒng)故障；把減速器、軸系、螺旋槳統(tǒng)稱為傳動(dòng)系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)表明，該系統(tǒng)潤(rùn)滑較好時(shí)發(fā)生故障的概率很小，因此可視其為正常；輔助機(jī)械都存在冗余系統(tǒng)且處于熱備便狀態(tài)，可視其保持正常；把不影響鍋爐系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)工作的系統(tǒng)、裝置和管路統(tǒng)稱為附屬系統(tǒng)，這些系統(tǒng)始終視為可修系統(tǒng)，不管其正常還是故障，都不影響動(dòng)力裝置功率的輸出。因此，整個(gè)動(dòng)力裝置可以簡(jiǎn)化為如圖1所示的結(jié)構(gòu)。前后機(jī)艙通過橋管相連，任一鍋爐可給任一主機(jī)供汽，且只能給一臺(tái)主機(jī)供汽；任一主機(jī)可接受任一鍋爐供汽但最多只能接受兩臺(tái)鍋爐供汽。

圖1 某艦蒸汽動(dòng)力裝置原理

假設(shè)鍋爐系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)只有兩種狀態(tài)：正常和故障；任一主機(jī)系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)故障都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力裝置的功率損失，任一鍋爐系統(tǒng)故障可導(dǎo)致總功率損失25%，任一主機(jī)系統(tǒng)故障可導(dǎo)致總功率損失50%，根據(jù)總功率損失的百分比可將動(dòng)力裝置的系統(tǒng)狀態(tài)分為10種，見表1。

表1 動(dòng)力裝置的系統(tǒng)狀態(tài)表

假設(shè)主機(jī)系統(tǒng)與鍋爐系統(tǒng)的平均壽命和修復(fù)時(shí)間均服從指數(shù)分布。經(jīng)過簡(jiǎn)化和確定系統(tǒng)狀態(tài)的艦艇蒸汽動(dòng)力裝置可以通過統(tǒng)計(jì)鍋爐系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間，利用WSEIAC模型確定動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能與其兩大主要系統(tǒng)的可靠性和維修性之間的關(guān)系，確定兩大主要系統(tǒng)最佳的可靠性和維修性參數(shù)值，保證裝置能發(fā)揮出最佳的效能。

2 分析算例

Ne=D2/3·v3·C-1

可得不同功率對(duì)應(yīng)的最大航速，見表2。

表2 動(dòng)力裝置的不同功率對(duì)應(yīng)的艦艇最大航速表

假設(shè)艦艇正以經(jīng)濟(jì)技術(shù)航速14 kn航行，任務(wù)要求航速達(dá)到24 kn并保持1 h，設(shè)當(dāng)功率分別是總功率的100%、75%、50%、25%、0%時(shí)，艦艇航速達(dá)到24 kn的概率分別為0.97、0.92、0.87、0、0，在1 h內(nèi)保持24 kn航行的概率為0.90、0.85、0.75、0、0。假設(shè)在1 h內(nèi)故障鍋爐和主機(jī)是不能修復(fù)的，以在執(zhí)行任務(wù)期間航速達(dá)到并保持24 kn的概率為能力度量，使用WSEIAC模型計(jì)算動(dòng)力裝置的系統(tǒng)效能E。

2.1 確定可用性向量

設(shè)：A1為每臺(tái)鍋爐的可用度，A2為每臺(tái)主機(jī)的可用度，則

系統(tǒng)處于各狀態(tài)的概率分別為：

=4×0.903×(1-0.90)×0.932=0.252

以此類推，可得a4=0.085，a5=0.038，

a6=0.006，a7=0.003，a8=0.001，

a9=0.000，a10=0.005，

則可用度向量A為：

A=(a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10)

=(0.568，0.252，0.042，0.085，0.038，0.006，0.003，0.001，0.000，0.005)

2.2 確定可信性矩陣

因?yàn)榕炌哪骋缓剿俎D(zhuǎn)變到24 kn的時(shí)間較短，可以認(rèn)為在航速轉(zhuǎn)變過程中，動(dòng)力裝置狀態(tài)不發(fā)生轉(zhuǎn)移，所以動(dòng)力裝置在速度變化過程中的可信性矩陣為10階單位矩陣，記為D1。因?yàn)樵诤叫羞^程中假設(shè)主機(jī)和鍋爐是不可修復(fù)的，則動(dòng)力裝置在保持24 kn航行時(shí)的可信性矩陣D2為三角矩陣，其對(duì)角線以下的所有項(xiàng)為零。

因?yàn)橹鳈C(jī)和鍋爐的壽命和修復(fù)時(shí)間均服從指數(shù)分布，則每臺(tái)鍋爐的故障率為：

λ1=1/180=0.005 6

每臺(tái)主機(jī)的故障率為：

λ2=1/180 =0.000 5

則在任務(wù)期間(1 h)，鍋爐的可靠度為：

R1=e-λ1t=e-0.0056×1=0.995

主機(jī)的可靠度為：

R2=e-λ2t=e-0.0005×1=0.995

以dij分別表示動(dòng)力裝置在任務(wù)期間從狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率，則：

=4×0.9953×(1-0.995)×0.9952

=0.022

依次類推，可得可信性矩陣D2為

D2=

2.3 確定能力矩陣

艦艇達(dá)到24 kn的動(dòng)力裝置的能力矩陣為

C1=[0.97，0.92，0.87，0.87，0.87，0.87，0，0，0，0]T

艦艇保持24 kn的動(dòng)力裝置的能力矩陣為

C2=[0.90，0.85，0.75，0.75，0.75，0.75，0，0，0，0]T

2.4 運(yùn)算

根據(jù)WSEIAC模型E=ADC,可得艦艇能夠達(dá)到24 kn的動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能為：

E1=AD1C1=0.932

艦艇能夠保持24 kn的動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能為：

E2=AD2C2=0.851

則艦艇能夠達(dá)到并保持24 kn的動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能為：E=E1·E2=0.793

3 動(dòng)力裝置主要系統(tǒng)的可靠性與維修性對(duì)其系統(tǒng)效能的靈敏度分析

圖2 鍋爐和主機(jī)的平均故障間隔時(shí)間對(duì)動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能的影響

圖3 鍋爐和主機(jī)的平均修復(fù)時(shí)間對(duì)動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能的影響

4 結(jié)束語

綜上所述，動(dòng)力裝置主要組成系統(tǒng)的可靠性和維修性對(duì)其系統(tǒng)效能有著重要影響，將可靠性和維修性指標(biāo)參數(shù)保持在一定范圍之內(nèi)，既可以使動(dòng)力裝置很好的發(fā)揮其效能，進(jìn)而保障艦艇發(fā)揮其戰(zhàn)斗力，又可以節(jié)省為要求過高的可靠性和維修性指標(biāo)而投入的巨額費(fèi)用，由此也可以看出對(duì)艦艇動(dòng)力裝置進(jìn)行系統(tǒng)效能分析的意義重大。需要指出的是，動(dòng)力裝置的效能指標(biāo)不只包括可靠性和維修性，還包括經(jīng)濟(jì)性、隱蔽性、安全性、生命力等，因此需要建立一個(gè)更加綜合的效能模型來分析各指標(biāo)對(duì)動(dòng)力裝置系統(tǒng)效能的影響，這有待進(jìn)一步研究。

[1] 甘茂治，康建設(shè)，高 崎.軍用裝備維修工程學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999：190-191.

[2] 吳曉峰，錢 東.用于系統(tǒng)效能分析的WSEIAC模型及其擴(kuò)展[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2000(8)：1-6.

[3] 高 尚，婁壽春.武器系統(tǒng)效能評(píng)定方法綜述[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1998(7)：109-114.