船用海水泵組可靠性及維修性分析

劉瑞青，朱殿璞，張明星，張文斌，李 兵

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

本船用海水泵組的主要功能是通過(guò)海底閥吸入海水，向機(jī)組提供冷卻用海水。保障泵組的可靠性和維修性是保證機(jī)組能夠獲得持續(xù)可靠的冷卻海水的前提，也是保證整個(gè)機(jī)組能夠穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。因此選用合適的方法對(duì)可靠性和維修性進(jìn)行設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

肖浩[1]結(jié)合汽輪機(jī)的故障特點(diǎn)，建立了其維修性的指標(biāo)體系，并提出了在汽輪機(jī)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮的維修性因素，對(duì)汽輪機(jī)的維修性驗(yàn)證與設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義；張義民等[2]依據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程，對(duì)可靠性分析、可靠性增長(zhǎng)、可靠性管理等技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了編制；吳玲丹等[3]采用向量機(jī)回歸算法，建立了艦船裝備的維修性模型，可以依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)；楊擁民等[4]分析了維修性設(shè)計(jì)中的工作范疇和關(guān)鍵技術(shù)，并探討了其發(fā)展趨勢(shì)。劉繼民等[5]在理論研究、技術(shù)工具、工程使用、人員觀念等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)問(wèn)題的對(duì)策和解決方法。王學(xué)[6]所提出的系統(tǒng)可靠性建模方法、降落傘可靠性評(píng)估方法等為回收著陸系統(tǒng)可靠性模型等提供了有力的分析方法。

本文根據(jù)可靠性和維修性要求，對(duì)可靠性和維修性進(jìn)行建模，采用合適的分配和預(yù)計(jì)方法對(duì)海水泵組的可靠性和維修性進(jìn)行了分配與預(yù)計(jì)，最終表明泵組各部套件滿足可靠性和維修性要求。

1 可靠性和維修性分析

1.1 可靠性和維修性要求

本海水泵組的可靠性要求：平均故障間隔時(shí)間MTBF≥5 000 h。維修性要求：平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR≤4 h，根據(jù)要求本文開(kāi)展了泵組的可靠性和維修性分析。

海水泵組由電動(dòng)海水泵、電機(jī)、電控箱、儀表組件等部分組成，海水泵組的物理組成見(jiàn)圖1。其主要功能是通過(guò)海底閥吸入海水，向機(jī)組提供冷卻用海水。

圖1 海水泵組物理組成圖

1.2 可靠性模型

根據(jù)電動(dòng)海水泵組的工作原理，建立如圖 2所示的可靠性模型。

圖2 電動(dòng)海水泵組的可靠性模型

由設(shè)備可靠性框圖分析得到，設(shè)備屬于串聯(lián)可靠性模型，各單元壽命服從指數(shù)分布，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為

式中：λS為產(chǎn)品的故障率；λi為單元的故障率；MTBF為產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間；RS(t)為產(chǎn)品的可靠度；Ri(t)為單元的可靠度；n為產(chǎn)品所包含的單元數(shù)。

1.3 可靠性分配

由于海水泵組與已服役，且運(yùn)行可靠的海水泵組非常相似，因此采用比例組合法，根據(jù)老泵組中各單元的故障率，按新泵組可靠性的要求，給新泵組的各個(gè)單元分配故障率。

已服役并且運(yùn)行可靠的老電動(dòng)海水泵組各部件的故障率如下：電動(dòng)海水泵故障率為1×10-4/h；電機(jī)故障率為 3×10-5/h；電控箱故障率為3×10-5/h；儀表組件故障率為4×10-5/h。

由1.1節(jié)可知，海水泵組平均故障間隔時(shí)間為不低于 5 000 h，因此新泵組的故障率為4.63×10-4/h。

分配給新泵組單元的故障率可表示為

式中：為新泵組單元故障率；為新泵組故障率；λS老為老泵組故障率；λi老為老泵組單元故障率。

因此，新泵組各部件的故障率如下：電動(dòng)海水泵故障率為 2.32×10-4/h；電機(jī)故障率6.95×10-5/h；電控箱故障率 6.95×10-5/h；儀表組件故障率9.26×10-5/h。

通過(guò)可靠性分配，使各級(jí)設(shè)計(jì)人員明確了其可靠性設(shè)計(jì)要求，將可靠性的定量要求分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次，得到在電動(dòng)海水泵組中，電動(dòng)海水泵、儀表組件的故障率較大。

1.4 可靠性預(yù)計(jì)

同可靠性分配相似，可靠性預(yù)計(jì)采用相似產(chǎn)品類比論證法，這種方法簡(jiǎn)單、快捷，適用于系統(tǒng)研制的各個(gè)階段，可應(yīng)用于各類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)。海水泵組的可靠性預(yù)計(jì)是在設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)備可靠性進(jìn)行定量估計(jì)。根據(jù)歷史的產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)、設(shè)備的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)備的工作環(huán)境等因素估計(jì)組成設(shè)備的部件及設(shè)備可靠性。

根據(jù)由承制方提供的數(shù)據(jù)，本泵組選型產(chǎn)品的故障率：電動(dòng)海水泵故障率1.82×10-4/h、電機(jī)故障率4.95×10-5/h、電控箱故障率4.85×10-5/h、儀表組件故障率6.26×10-5/h，所選部件的故障率均小于可靠性分配中新泵組各部件的故障率，滿足可靠性要求。

通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)，得出預(yù)計(jì)的MTBF滿足系統(tǒng)提出的要求，并且發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠性的主要因素為電動(dòng)海水泵和儀表組件。

1.5 維修性建模

該泵組由n個(gè)可修項(xiàng)目組成，每個(gè)可修項(xiàng)目的平均故障率和相應(yīng)的平均修復(fù)時(shí)間為已知，該裝置平均維修時(shí)間模型如下：

式中：λi為第i個(gè)項(xiàng)目平均故障率；為第i個(gè)項(xiàng)目出故障的平均修復(fù)時(shí)間。

1.6 維修性分配

因?yàn)橐逊峙淞丝煽啃院皖A(yù)計(jì)了可靠性，則按相似產(chǎn)品維修性數(shù)據(jù)分配法進(jìn)行維修時(shí)間的分配，其分配原則是利用相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過(guò)比例關(guān)系進(jìn)行分配。

按相似產(chǎn)品維修性數(shù)據(jù)分配法的分配公式為

式中：為相似產(chǎn)品已知的或預(yù)計(jì)的平均修復(fù)時(shí)間；為相似產(chǎn)品已知的或預(yù)計(jì)的單元i的平均修復(fù)時(shí)間。

老泵組的電動(dòng)海水泵平均修復(fù)時(shí)間為4 h，電機(jī)平均修復(fù)時(shí)間3.5 h，電控箱平均修復(fù)時(shí)間2.5 h，儀表組件平均修復(fù)時(shí)間1.5 h，老泵組MTTR=3.2 h。根據(jù)分配公式可以得出新泵組的要求：電動(dòng)海水泵平均修復(fù)時(shí)間為5 h，電機(jī)平均修復(fù)時(shí)間4.375 h，電控箱平均修復(fù)時(shí)間3.125 h，儀表組件平均修復(fù)時(shí)間1.875 h。

1.7 維修性預(yù)計(jì)

根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)和已有的數(shù)據(jù)和圖表，對(duì)照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案、維修保障條件，運(yùn)用時(shí)間累計(jì)法，逐個(gè)確定每個(gè)維修項(xiàng)目、每項(xiàng)維修工作、每個(gè)維修活動(dòng)乃至每項(xiàng)基本維修作業(yè)所需的時(shí)間或工作，然后綜合累加或求平均值，最后得出裝備的維修性指標(biāo)。時(shí)間累計(jì)法是把維修活動(dòng)分解開(kāi)，針對(duì)某個(gè)單元、某項(xiàng)維修活動(dòng)或作業(yè)，估計(jì)其時(shí)間或工時(shí)，然后再將各項(xiàng)作業(yè)、各個(gè)單元的時(shí)間或工時(shí)進(jìn)行綜合，估計(jì)出系統(tǒng)或設(shè)備的維修性參數(shù)的一種維修性預(yù)計(jì)方法。

根據(jù)可靠性分配值和可靠性預(yù)計(jì)值，主要可更換單元的目錄和數(shù)量，以及修復(fù)時(shí)間元素進(jìn)行維修性預(yù)計(jì)。

電動(dòng)海水泵組的維修活動(dòng)分為6種，其修復(fù)時(shí)間元素Tm（下標(biāo)m表示第m項(xiàng)操作時(shí)間)定義如下：

Tp為準(zhǔn)備時(shí)間：進(jìn)行故障隔離之前完成的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的時(shí)間（包括故障診斷、人員準(zhǔn)備、工具準(zhǔn)備等）。

TFI為故障隔離時(shí)間：將故障隔離到著手進(jìn)行修理的層次所需的時(shí)間（包括故障分析等）。

TD為分解時(shí)間：拆卸設(shè)備以便達(dá)到故障隔離所確定的零部件所需的時(shí)間。

TI為更換時(shí)間：卸下并更換失效或懷疑失效的零部件所需的時(shí)間。

TR為重新安裝時(shí)間：重新安裝設(shè)備所需的時(shí)間。

TA為調(diào)準(zhǔn)時(shí)間：對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)、測(cè)試和調(diào)整所需的時(shí)間。

TC為檢驗(yàn)時(shí)間：校驗(yàn)故障是否排除，設(shè)備能否正常運(yùn)行所需的時(shí)間。

通過(guò)承制方提供的所選電動(dòng)海水泵組各部件的時(shí)間元素值，通過(guò)分析計(jì)算得出電動(dòng)海水泵組各零部件的維修性預(yù)計(jì)，見(jiàn)表1。

如表2所示，所選用的電動(dòng)海水泵組各部件平均修復(fù)時(shí)間均小于維修性所分配的平均修復(fù)時(shí)間，滿足要求。

表1 電動(dòng)海水泵組維修性預(yù)計(jì)

表2 電動(dòng)海水泵組平均修復(fù)時(shí)間對(duì)比

采用均值模型，求出泵組的平均修復(fù)時(shí)間，即

計(jì)算結(jié)果表明可滿足4 h的系統(tǒng)要求。

2 結(jié)論

本文通過(guò)建模、分配和預(yù)計(jì)對(duì)某船用海水泵組進(jìn)行了可靠性和維修性設(shè)計(jì)，利用相應(yīng)的方法進(jìn)行了可靠性分配、可靠性預(yù)計(jì)、維修性分配、維修性預(yù)計(jì)。結(jié)果表明：所選用的泵組以及泵組的各部套件均滿足可靠性和維修性要求，為同類型選型設(shè)備的可靠性和維修性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。