船舶機械設備可靠性特點分析

羅梅杰 耿俊豹 謝 強

(1.海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室 武漢 430033) (2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)(3.91370部隊 福州 350015)

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船舶機械設備可靠性特點分析

羅梅杰1,2耿俊豹1,2謝 強3

(1.海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室 武漢 430033) (2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)(3.91370部隊 福州 350015)

論文對可靠性的基本要點和船舶機械設備的共性特點進行了分析和闡述。著重歸納總結了船舶機械可靠性方面的特點和研究現狀,最后結論得出只有改變傳統的可靠性研究思維,依據機械設備可靠性特點,將多學科、新技術融入到機械設備的可靠性試驗中,形成船舶機械甚至機械類系統化、綜合化的可靠性試驗方法,方能推動機械設備的可靠性研究更上一層。

可靠性; 可靠性試驗; 機械設備; 船舶機械設備

Class Number TB114.3

1 引言

機械領域的可靠性研究起源于20世紀50年代,自從拉尼岑首次提出應力-強度的正態模型以來,許多學者在機械設備可靠性領域做出了卓越貢獻[1]。機械設備在船舶、火箭、飛船、衛星等大型復雜系統占據了重要位置,尤其在船舶中占據了較大比例,船舶動力系統中大部分都是由各類機械設備組成,此外在船舶維修中,機械設備的檢測、保養和故障維修也是重點內容。目前,對機械設備的可靠性特點的研究仍處于初期階段,在船舶機械中時常出現對于單個設備的可靠性研究不徹底,可靠性評估和試驗驗證不充分就進行組裝的情況,造成的后果就是在船舶整體試驗試航時表現出可靠性不穩定。掌握船舶機械設備可靠性的特點從而開展合理的可靠性試驗,及早發現機械設備的問題,將故障和隱患消除在萌芽階段,可提升船舶任務成功率,降低后期維修費用,提高整體船舶可靠性。

2 可靠性概念基本要點

可靠性是指設備在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力[2]。設備的可靠性被賦予定性和定量兩方面的要求,即一要能夠完成此項功能,二要在定量的“規定”范圍內做完。“三個規定”是定義某項設備可靠性如何,即是否可靠的前提,若不滿足“三個規定”中任意一項,就可以認為該設備發生了故障。具體到船舶機械設備上面就是船舶中機械設備在海洋和機艙嚴酷條件下,仍可在其設計的性能指標之內完成規定的運行任務。船舶機械設備眾多,甲板上的起錨機,絞纜機,輔助機械中的泵組,空壓機等都屬于船舶機械設備。船舶不但具有離岸作業的特點,而且長時間面對高溫、高濕、高鹽度的海洋條件,對船舶復雜機械設備在“三個規定”內完成此種功能的可靠性要求特別高。因此,研究船舶機械設備的可靠性特點具有重要意義。

3 船舶機械設備可靠性特點

與電子設備的可靠性研究相比較,現階段的機械設備可靠性的理論和實踐都還相對不成熟。機械設備的自身特點決定了進行機械設備可靠性試驗的復雜性。由于技術保密、封鎖等客觀原因的存在,目前我國的機械產品可靠性的研究發展更加的緩慢,尚處于起步階段。總體來說,船舶機械設備的可靠性有以下幾個比較鮮明的特點。

1) 機械設備設計的標準化程度低,可靠性研究的通用性不強。

各類機械設備,特別是船舶機械設備由于其特定的功能,大都不是按標準化設計的,除了一些如齒輪、滾珠、軸承等基礎要素固件,其余都是依據任務需求和結構特點進行設計,這就造成了設備的通用性不強,無法像電子設備那樣建立系統的可靠性手冊和試驗規范,例如我國現有的可靠性試驗標準GB/T5080可靠性試驗國家標準就是以電子設備為藍本制定的。對于機械設備的可靠性試驗只能依據研制和實際使用的少量數據和經驗情況來進行,困難較大。自上世紀90年代以來,我國大量專家學者對于機械設備的可靠性特點方面進行研究,孫毅剛[3]研究了液壓泵在不同的條件下的部件疲勞、部件磨損、整機序貫壽命和整機磨損四種可靠性試驗方案。王宏[4]以某中型號的飛機前起落架設計為例,分析了上位鎖機構的FMECA,并根據其試驗要求研發了鎖機構功能可靠性試驗系統,驗證了其功能可靠性。張偉[5]依據GB/T24607-2009《滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定》,詳細對滾動軸承的壽命以及可靠性試驗進行了分析,提供相對統一的試驗規范。GJB2432-95《艦船用離心泵通用規范》[6]中對離心泵的應力、壽命、部件結構、性能等作出了規范,但其可靠性試驗是參考GB/T5080.7進行的。GJB2857-97《艦船螺桿泵通用規范》[7]中同樣對艦船螺桿泵的各項設計指標作了規定,對于其可靠性要求和可靠性試驗的要求卻寥寥幾筆。從文獻分析可以看出,大量文獻分析的目標相對單一,都是針對單一的某一特定機械產品進行分析,如泵、軸承、某機構等,這也是由于機械設備缺少共性特點導致的。在國軍標中對于泵的設計,不同的泵結構,強度,應力要求和可靠性運轉試驗的標準都完全不一致,例如在離心泵標準中,對于可靠性運轉試驗就沒有相關資料,而螺桿泵則要求至少400小時[7]。總而言之,機械設備在設計方面沒有很強的通用性,對其可靠性的研究需要逐個部件,逐個系統的進行,工作量大而繁瑣。

2) 機械設備失效機制多樣,可靠性的基礎理論薄弱。

統計指出,電子產品的故障多屬于隨機性故障,壽命服從指數分布[8]。電子技術的發展和電子產品可靠性理論的成熟也為電子設備的可靠性試驗提供了充分的理論依據。相比與電子設備失效率一般為常數分布、可利用統計法進行描述的特點[9],機械設備多以疲勞、損耗、腐蝕的失效為主,它的運行過程本質就是一個隨機過程,失效率往往隨時間而增大,存在多種復雜失效機制,在不同的時刻的觀測值是不可重復的,很難用直接測得的數據表征機器的狀態。另一方面,機械設備往往是由成百上千個組件構成的,零件間存在耦合關系,決定了機械設備發生故障時候的多層性,即一個故障往往由多種原因引起的,故障和現象之間沒有一一對應的因果關系[10],失效因素較為復雜。而船舶機械設備面對海洋高濕度高鹽度腐蝕的影響更為厲害,同時自身也受磨損的影響,在理論上更加沒有一個比較完善的試驗解決標準。目前頒布的以電子產品為藍本的可靠性試驗理論對于機械設備的試驗而言是不完全適用的。不充分的理論基礎使對于機械設備在不同磨損和不同部位下對其的影響無法準備的得出結論,這就使機械設備的可靠性試驗的困難程度大大提高。國內外專家學者針對機械設備可靠性試驗理論基礎困難的問題進行了研究,劉琦等[11]對于復雜系統(如船舶、飛行器等)的可靠性增長試驗模型進行了研究。以子系統(如船舶機械設備)的可靠性增長規劃進而滿足復雜系統的可靠性增長需求。對于船舶這個復雜系統來說子系統特別是機械類等進行可靠性試驗是繁瑣復雜的,不恰當的試驗得出的結果對于船舶整體可靠性試驗來說是極為不利的因素。因此合理規劃子系統來保證整體系統的可靠性性能對于工程實踐作用很大。楊永健[12]把統計方法和主要考慮疲勞的失效物理方法進行比較,對船舶機械設備可靠性,有效性預計的定性和定量方法進行了研究。陳文華等[13]通過Weibull分布轉化為指數分布,討論了定數截尾下Weibull分布可靠性驗證試驗了制定方法,以某復雜條件下機械產品為例驗證了該方法的準確性。通過對文獻的分析發現,目前研究得更多的是可靠性的評估和試驗方法,如試驗的準備、實施、數據的分布擬合、參數估計等,沒有建立一整套適用于機械產品的可靠性試驗方案。

3) 機械設備的故障樣本少,進行開展可靠性試驗所需成本高。

船舶機械無論是總體還是單個部件大多都是典型的小子樣裝備。例如船舶閥門具有子樣少、風險大、可靠性指標要求高、價格昂貴、一次性使用且一般為成敗型等特點[14]。由于機械設備根據功能設計,通用性不強的特點,往往進行其可靠性試驗時的試驗臺架都是依據設備設計的,這樣就造成人力物力、資金和試驗周期的增加。例如,在進行泵組的可靠性性能試驗時,根據泵組的構造不同,需分成臥式泵開式池試驗回路(Ⅰ)、臥式泵開式池試驗回路(Ⅱ)、立式泵開式池試驗回路、沉沒式泵開式池試驗回路。而由于開式池試驗不能很好滿足泵組的汽蝕試驗的要求,又需搭建閉式試驗池回路來進行,閉式試驗池構造復雜,安裝困難,造價高,這就直接造成了泵組進行可靠性性能試驗時各項成本和試驗周期的增加。為了解決小樣子產品可靠性評估和無法大量試驗的困難,部分學者對具有能融合試驗數據和其他信息的作用的Bayes方法在機械設備可靠性評估和試驗驗證方面的作用進行了研究。邢云燕等[15]針對成敗型系統,提出了變總體下的Bayes可靠性試驗鑒定方法,利用最大熵法給出了產品可靠性的驗前分布,減少了對正樣階段試驗樣本的需求量,很好地實現了小子樣下產品的可靠性鑒定問題。李超等[16]以小子樣機械產品為例,運用應用Bayes方法建立了加速試驗下子樣容量和可靠度等之間的關系,提出了控制產品承受最大應力的措施,保證了加速試驗下產品的失效機理不發生變化。劉飛等[17]利用Bayes方法對指數產品可靠性增長試驗進行了分析,通過Gibbs抽樣算法得出不同階段下產品可靠性的Bayes估計值,并以產品實例驗證了模型的先進性。劉少剛等[18]結合了Bayes理論和相似性理論,利用歷史先驗信息并綜合歷史后驗和后驗分布得出某型特種閥門可靠性的置信下限,并在實踐證明提高了對其可靠性評估的精度,減少現場試驗樣本數量,表明了方法的有效性。

4) 機械設備所處環境因素復雜,可靠性試驗難度大。

與電子設備通常封閉和較為溫和的環境而言,機械設備特別是船舶機械通常都暴露在高溫、高濕、高噪、高鹽度等惡劣的環境條件下,根據任務需求的不同,所處環境也大相徑庭,而這些環境對于設備的可靠性影響是很大的。但在可靠性試驗中,無法完全模擬如此惡劣的外界因素,這就造成了進行可靠性試驗的難度大增。此時通常選擇可靠性模擬運行試驗,它用于工況非常特殊,試驗內容超出常規的試驗要求或試驗介質的性質、試驗溫度及壓力有特殊要求的場合下的試驗。但由此造成的問題就是由于機械設備故障的特點模擬試驗時無法對設備的可靠性進行現實環境下試驗,得出的設備可靠性結論會有較大誤差。

4 船舶機械設備可靠性展望

機械設備作為各類船舶的關鍵組成部分,其在可靠性方面發展也日益引起國內外的重視。可靠性試驗作為可靠性的其中一環,在設備可靠性的研制、發展、完善中起到了至關重要的作用,我國雖然在這方面起步較晚,但發展勢頭良好。船舶機械設備的可靠性呈現出以下幾個方面的發展趨勢。

1) 試驗由手動操作到智能化、自動化、仿真化的方向發展。

船舶機械設備可靠性試驗由于機械設計、種類等的不同,往往數據量很大,美國可靠性分析中心針對各項機械設備可靠性試驗數據的收集已建立起了龐大的數據庫,這在進行船舶機械設備可靠性試驗時候能夠由計算機充分分析歷史數據進行對比試驗,使試驗結果更加可靠可信。而隨著數字化樣機技術的發展,船舶機械設備的可靠性試驗仿真技術方面也有望獲得突破,在預測設備可靠性和壽命方面,可大大減少試驗設備的數量,縮短研制周期,降低成本。

2) 微型化方向發展。

科技的發展使大量設備都日趨集成化,微型機械零件的用的更加廣泛。微型機械和微型機電系統(MEMS)的可靠性試驗的研究也快速發展,尤其是國外研究十分豐富[19～20]。首先,MEMS的失效機理與常規船舶機械設備相差很大,由于缺失宏觀上的試驗數據,當前對其失效機理知之甚少。其次,微型船舶機械設備無法通過一般船舶機械設備的可靠性試驗方法進行試驗與評定。在試驗方法上也是很值得研究。

3) 多學科交叉綜合化方向發展。

當前針對船舶機械設備的可靠性試驗一是基本處于靜態預測的狀況,例如很多基于FAT方法進行可靠性預測分析的,無法本質上解決動態條件下問題。二是多數方法都基于數理統計的可靠性理論的方法,有其先天局限性。當前研究正逐步將模糊數學、神經網絡、灰色系統理論等融入到船舶機械設備的可靠性試驗之中,將使船舶機械設備的可靠性試驗的理論取得進展。

5 結語

總而言之,正因為船舶機械設備按需設計靈活多變,失效機制多樣化,故障具有多層性,小子樣且環境應力因素復雜,試驗驗證困難等方面存在的特殊性,使得船舶機械設備可靠性方面雖然進行了大量的研究和論證卻一直沒有建立起系統完整的標準和行之有效的可靠性試驗方案。特別是在當前船舶機械設備高性能化和結構復雜化,不斷向高可靠度、高精度和高可維修性發展的趨勢下,船舶機械設備乃至整個機械類產品的可靠性研究方面都還存在大量的理論和技術問題需要完善和解決,可靠性研究存在較多阻力。改變往常依賴電子產品可靠性試驗的檢驗標準與方法,依據機械設備可靠性特點,不斷創新思維將多學科、新技術融入到機械設備的可靠性試驗中,形成自己系統化、綜合化的可靠性試驗方法,才會推動機械設備的可靠性研究更上一層。

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Reliability Characteristic Analysis for Ship Mechanical Equipment

LUO Meijie1,2GENG Junbao1,2XIE Qiang3

(1. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (3. No. 91730 Troops of PLA, Fuzhou 350015)

The basic points of the reliability and common characteristics of ship mechanical equipment are analyzed and expounded in this paper. Characteristics and research status of mechanical reliability of ship are emphatically summarized. Finally, a conclusion can be draw only by changing the traditional reliability research thinking which is based on mechanical equipment reliability characteristics and blended in multidisciplinary new technology to the mechanical equipment reliability tests. Ship mechanical equipment and mechanical reliability of systematic integration test method are found, so that it can promote the reliability of the mechanical equipment research progress.

reliability, reliability test, mechanical equipment, ship mechanical equipment

2015年1月7日,

2015年3月1日 基金項目:中國博士后科學基金(編號:2013T60921)資助。 作者簡介:羅梅杰,男,碩士研究生,研究方向:可靠性,維修性,保障性工程。耿俊豹,男,副教授,碩士生導師,研究方向:可靠性,維修性,保障性工程。謝強,男,碩士,助理工程師,研究方向:艦船設備振動監測。

TB114.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.037