基于低劣化數(shù)值法的船閘底樞更新周期研究

薛 揚(yáng),金彬彬

(1.京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處,江蘇 淮安 223002;2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)

底樞作為人字門船閘的重要構(gòu)件,但目前對其更新周期的研究較少.文獻(xiàn)[1]基于可靠性理論研究了底樞安全運(yùn)行周期,但沒有考慮設(shè)備更新的經(jīng)濟(jì)合理性.國外學(xué)者從設(shè)備的故障率對設(shè)備壽命影響角度,提出一系列對設(shè)備進(jìn)行維修、維護(hù)的策略[2-5].國內(nèi)學(xué)者用低劣化數(shù)值法對汽車、發(fā)電設(shè)備等的劣化磨損特性和費(fèi)用變化趨勢進(jìn)行分析,定量地決策出設(shè)備的最佳更新周期[6-9].

本文根據(jù)蘇北航務(wù)管理處(以下簡稱“蘇北處”)船閘維修運(yùn)營費(fèi)用的調(diào)研數(shù)據(jù),采用低劣化數(shù)值法,開展底樞經(jīng)濟(jì)壽命研究,為船閘底樞更新周期決策提供依據(jù).

1 底樞的低劣化與更新模式

1.1 底樞的低劣化

設(shè)備的低劣化是由設(shè)備的有形磨損和無形磨損引起的,前者對設(shè)備的影響是使設(shè)備的實(shí)際維持費(fèi)用隨時間增加,是絕對磨損;后者是由于設(shè)備技術(shù)更新導(dǎo)致現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)效率下降,生產(chǎn)成本提高,利潤降低,是一種相對磨損.

人字閘門底樞的2個關(guān)鍵部件是蘑菇頭和摩擦副,兩者之間的磨耗是引起故障的主要原因.閘門啟閉時,由于門體自重而產(chǎn)生低速重載下的轉(zhuǎn)動磨損屬于正常磨損.底樞把門體重力及閘門啟閉時的水平力傳遞給閘首混凝土層時,其自身所受荷載很大,在荷載的作用下,底樞的蘑菇頭和摩擦副之間的潤滑液被擠開時,局部接觸點(diǎn)壓應(yīng)力非常大,當(dāng)局部壓應(yīng)力超過材料的屈服極限時,接觸點(diǎn)就會發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生磨耗.同時,在重載和摩擦產(chǎn)生的高溫情況下,接觸點(diǎn)的微凸體表面膜極易破裂,使得接觸點(diǎn)局部軟化或融化,產(chǎn)生黏結(jié)點(diǎn),在下次轉(zhuǎn)動時,會被剪斷同時重復(fù)上述過程產(chǎn)生粘著磨損.此外,蘑菇頭和摩擦副間密封不嚴(yán)時會導(dǎo)致水體對其腐蝕磨損、老化、變形,影響使用性能.綜上可見,底樞的低劣化是由有形磨損引起的.

1.2 底樞更新方式

就人字門船閘底樞而言,蘇北處經(jīng)過近20年的技術(shù)改造和試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)底樞運(yùn)轉(zhuǎn)件的加工工藝及形式基本穩(wěn)定.目前蘇北處人字門船閘底樞的蘑菇頭及摩擦副采用40Cr的蘑菇頭及QT600-3帶自潤功能的摩擦副進(jìn)行搭配.因此,底樞的更新是非技術(shù)淘汰式更換,主要是遭到嚴(yán)重有形磨損不堪再用,利用完全相同的設(shè)備進(jìn)行更換.

2 低劣化數(shù)值模型

低劣化數(shù)值法通過分析設(shè)備劣化趨勢,考慮設(shè)備原始投資成本和設(shè)備劣化帶來的年運(yùn)營維持費(fèi)用的增加,從而計(jì)算得到其年均總費(fèi)用最低的使用年限.該法適用于設(shè)備在使用期間不過時,僅由于其有形磨損嚴(yán)重致不堪再用而需要更新的設(shè)備.

2.1 靜態(tài)方法

根據(jù)設(shè)備的劣化規(guī)律,設(shè)備的劣化主要反映在設(shè)備耗能增加和故障頻率增加等方面,而且這種增加的趨勢是呈加速狀態(tài)的,也是非線性的.對于底樞而言,劣化損失主要為故障頻率的增加,故可參考設(shè)備故障率的浴盆曲線,忽略底樞相對較短的初始磨合期,底樞劣化值隨時間增長的曲線與指數(shù)曲線形狀相近.因此,假定底樞每年的劣化值呈指數(shù)型增長,取第1年的底樞劣化值為0,則第j年的底樞劣化值λ(j)=aej-1-a.若第1年底樞正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)為C,考慮一定的年均增長率q,第j年底樞年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)Cj為:

底樞的原始價值為K0,使用T年后的殘值為VL,則年均資金恢復(fù)成本為,底樞年均總費(fèi)用AC的計(jì)算公式為:

當(dāng)T年AC達(dá)到最小值時,該年即為底樞的最經(jīng)濟(jì)更新年.

2.2 動態(tài)方法

考慮資金的時間價值,把底樞各年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)、劣化值和設(shè)備殘值貼現(xiàn)到第1年,與設(shè)備原始價值求總和,而后將總費(fèi)用乘以投資還本系數(shù)(A/P,i,T),則T年更新時AC的計(jì)算公式為:

式中:i為折現(xiàn)率.

當(dāng)T年AC達(dá)到最小值時,該年即為底樞的最經(jīng)濟(jì)更新年[10].

3 底樞的更新周期

3.1 底樞的原始價值分析

船閘底樞的原始價值K0主要包括底樞更換時各工序所產(chǎn)生的人工費(fèi)用、安裝調(diào)試費(fèi)用及材料費(fèi)用等.當(dāng)船閘運(yùn)行過程中底樞出現(xiàn)故障需要進(jìn)行修理更換時,施工工序如下:放下下游修理門→閘室抽水→頂移閘門→底樞修理→落門→調(diào)門→吊上下游修理門.

根據(jù)以上底樞更新施工工序,2012年對底樞構(gòu)件進(jìn)行全部更換所產(chǎn)生的直接費(fèi)用為493209元,因此底樞的原始價值K0=493209元.

3.2 底樞低劣化值的確定

底樞低劣化不僅造成自身在使用期內(nèi)因相關(guān)部件故障維護(hù)費(fèi)用增加,而且受其連帶影響造成相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)件損壞,使得相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)件的維護(hù)修理費(fèi)用增加.據(jù)調(diào)查,因底樞磨損而導(dǎo)致維護(hù)修理費(fèi)增加的項(xiàng)目有:

(1)底樞偏磨導(dǎo)致門樞軸線偏移,造成門底端下垂,一方面使得底止水、側(cè)止水磨損加劇,更新時間變短;另一方面開關(guān)閘門時震動加劇,可能造成蘑菇頭帽與底梁聯(lián)接的抗剪螺栓松動甚至剪斷.此外,伴隨著止水磨損閘門漏水加劇,會造成相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)件與門體的聯(lián)接松動,如頂樞拉桿調(diào)整次數(shù)增加等.

(2)底樞嚴(yán)重磨損時,會造成閘門旋轉(zhuǎn)中心與支承軸線的偏移,導(dǎo)致斜接柱承壓條和支枕墊塊的擠卡和磨損,嚴(yán)重時導(dǎo)致支枕墊塊擠出.

(3)由于閘門的水平力是通過底樞軸套上兩個開腳銅墊塊傳至閘墻的弧形鋼圈,再傳至閘墻上,當(dāng)?shù)讟心p門體傾斜時,會導(dǎo)致底樞的固定鋼圈因受力過大而擠出.

(4)底樞蘑菇頭和摩擦副之間發(fā)生磨損時,會破壞兩者間的潤滑楔,有時會使蘑菇頭和摩擦副咬合抱死,使底樞支承座和蘑菇頭之間卡住而發(fā)生跟轉(zhuǎn),進(jìn)而導(dǎo)致支承螺栓的剪斷.

綜上,按2012年價計(jì)算,上述各項(xiàng)底樞低劣化帶來的維護(hù)修理總計(jì)費(fèi)用為55803元.

根據(jù)船閘運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和底樞低劣化分析,上述項(xiàng)目發(fā)生的概率隨時間的增加而增大,假定更新年上述項(xiàng)目全部發(fā)生,對于靜態(tài)法,因不考慮資金的時間價值,取更新年底樞劣化值λ(T)=a(eT-1-1)=55803(1+i)T-1元,則有元;而對于動態(tài)法,在考慮了資金的時間價值因素后,取λ(T)=a(eT-1-1)=55803(1+i)T-1元,則有元.

3.3 底樞年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)的確定

底樞的年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi),是每年船閘日常維護(hù)費(fèi)用中與底樞直接相關(guān)的部分.詳細(xì)項(xiàng)目如下:(1)每日操作人員放閘時觀測閘門底樞運(yùn)轉(zhuǎn)靈活情況、門底止水有無漏水情況、下游面觀察止水是否漏水.(2)每月檢查閘門各支承是否良好,止水工作是否正常,進(jìn)行必要的調(diào)整;檢查底樞潤滑系統(tǒng)工作正常情況、潤滑點(diǎn)供油情況、適時添加潤滑油保持各油杯量.(3)每季度下水檢查閘門水下運(yùn)轉(zhuǎn)件及止水磨損及損壞狀況.閘門運(yùn)行水平跳動檢測及異常處理.

按2012年水平,取蘇北處管轄的15個人字門船閘的上述3項(xiàng)費(fèi)用平均值,作為底樞年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi),則C=31000元.

3.4 底樞經(jīng)濟(jì)壽命的確定

3.4.1 靜態(tài)法 船閘更換下來的底樞一般不再回收利用,無再使用價值,殘值VL可取為0;底樞年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)年均增長率q取10%.根據(jù)以上參數(shù),利用式(2)計(jì)算得靜態(tài)法各年份平均費(fèi)用,詳見表1.根據(jù)表1可知,第13年時年均總費(fèi)用值達(dá)到最小.

表1 底樞不同更新年限的年均總費(fèi)用(靜態(tài)法)Tab.1 Annual average costs of different bottom assembly renewal time(static method)

3.4.2 動態(tài)法 考慮資金的時間價值因素,根據(jù)《水運(yùn)建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》取年利率i=8%.利用式(3)計(jì)算得底樞年均使用費(fèi)用隨更新年限的變化(見表2).由表2可知,當(dāng)T=15年時底樞年均總費(fèi)用最低.

表2 底樞不同更新年限的年均總費(fèi)用(動態(tài)法)Tab.2 Annual average costs of different bottom assembly renewal time(dynamic method)

3.4.3 模型參數(shù)的敏感性分析 這里模型參數(shù)敏感性分析是將低劣化數(shù)值模型中的底樞原始價值、年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)、更新年劣化值等參數(shù)作為不確定因素,當(dāng)其中1種參數(shù)發(fā)生變化時,分析其對最經(jīng)濟(jì)更新年產(chǎn)生的影響,并用敏感度系數(shù)來表示產(chǎn)生影響的程度.敏感度系數(shù)計(jì)算式:E=ΔA/ΔF,其中:ΔF為不確定因素F的變化率(%);ΔA為不確定因素F發(fā)生ΔF變化率時,評價指標(biāo)A的相應(yīng)變化率;E為評價指標(biāo)A對于不確定因素F的敏感度系數(shù).計(jì)算得到敏感性分析結(jié)果見表3.

表3 基本參數(shù)對最經(jīng)濟(jì)更新年敏感性分析Tab.4 Sensitivity analysis of basic parameters to the most economic renewal year

由表3可見:(1)最經(jīng)濟(jì)更新年對3個參數(shù)的敏感度系數(shù)在0.35～0.03之間,各參數(shù)的不確定性對最經(jīng)濟(jì)更新年的確定影響不大,低劣化模型計(jì)算底樞經(jīng)濟(jì)壽命結(jié)果較為穩(wěn)定.(2)底樞低劣化數(shù)值模型中,最經(jīng)濟(jì)更新年對底樞年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)和底樞原始價值敏感性稍大(敏感度系數(shù)0.19～0.35),對更新年劣化值的敏感性很小(敏感度系數(shù)0.03～0.05).因此,本文中采用2012年的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算對計(jì)算結(jié)果的精度影響很小.(3)底樞原始價值和年正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)在靜態(tài)法模型中的敏感度比動態(tài)法模型中的要大,這表明動態(tài)法通過考慮資金的時間價值因素,能有效降低以上參數(shù)不確定性的風(fēng)險(xiǎn).

3.4.4 底樞的經(jīng)濟(jì)壽命 靜態(tài)法計(jì)算得底樞經(jīng)濟(jì)壽命是13年,而用動態(tài)法計(jì)算的是15年,2種計(jì)算相差了2年.究其原因:靜態(tài)法忽略資金的時間價值,多用于計(jì)算維護(hù)費(fèi)用相對于設(shè)備初始投資較小或更新時間較短的設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命;動態(tài)法考慮了資金的時間價值,多用來估算投資及維護(hù)費(fèi)用較大的大型設(shè)備及更新年限較長的設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命.人字門船閘底樞非大型設(shè)備,但更新時間較長,因此需要用2種方法進(jìn)行綜合分析確定底樞的更新周期.

圖1 底樞年均總費(fèi)用與更新周期的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves between bottom assembly憶s annual average cost and renewal year

根據(jù)表1和2可以得出靜態(tài)法和動態(tài)法底樞年均總費(fèi)用隨時間變化曲線,結(jié)果如圖1.

由圖1可見,動態(tài)法總費(fèi)用的U型底部從第14年開始形成,U型曲線底部比較平緩,最低點(diǎn)在第15年,第14年與第15年費(fèi)用相差0.21%.靜態(tài)法總費(fèi)用的U型底部在第12至第14年之間,第13年為最低點(diǎn),但是第13、14年的費(fèi)用相差很小為0.26%.因此,對于本問題,綜合動態(tài)法和靜態(tài)法的費(fèi)用曲線,取底樞更新的經(jīng)濟(jì)周期為13～15年.

4 結(jié) 語

(1)通過設(shè)備低劣化原理計(jì)算底樞的經(jīng)濟(jì)壽命,根據(jù)靜態(tài)方法所得經(jīng)濟(jì)壽命為13年,根據(jù)動態(tài)法,所得結(jié)果為15年,對比兩者適用條件和所得的年均總費(fèi)用,最終確定底樞經(jīng)濟(jì)合理的更新年限為13～15年.

(2)根據(jù)經(jīng)濟(jì)壽命計(jì)算所得的底樞更新時間,比根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)所得的底樞的更換年限10年要長.近年來,在底樞新型材料和潤滑系統(tǒng)投入應(yīng)用后,底樞的壽命得到了相應(yīng)的提高,淮安一線、淮陰一線、劉老澗一線及泗陽一線船閘大修檢測報(bào)告顯示,底樞蘑菇頭及蘑菇頭帽的磨損都較為輕微,這表示船閘大修時,底樞存在過修的現(xiàn)象.因此,考慮底樞作為船閘大修的關(guān)鍵因素,船閘大修周期可以適當(dāng)延長.

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