筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性研究

艾　彎　熊少飛

(1　武漢理工大學　2　華勤通訊技術有限公司)

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筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性研究

艾彎1熊少飛2

(1武漢理工大學2華勤通訊技術有限公司)

摘要：提出了一種利用可靠性框圖建立筒倉煤炭碼頭裝卸系統的可靠性分析模型，建立了基于離散事件動態系統仿真模型的筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性分析方法，針對具體港口的筒倉煤炭碼頭裝卸系統建立了仿真模型,并對多工藝線路的筒倉煤炭碼頭裝卸系統的可靠性進行了分析。

關鍵詞：煤炭碼頭； 筒倉； 可靠性； 仿真

1前言

對于筒倉煤炭碼頭來說，船舶到港的隨機性和配煤需求的多樣性影響著裝卸生產的穩定性，配煤需要至少2種以上品種的煤炭同時從筒倉出煤。它們可能來自堆場一條筒倉線上，也可能需要來自不同的筒倉線，混合的品種數越多，則同時啟用的生產線或生產設備就越多。這不僅對工藝系統的可靠性要求高，而且對生產組織的水平要求更高，系統可靠性或生產組織水平達不到要求，將會影響整個碼頭生產的穩定性或節奏。因此，需要對筒倉煤炭碼頭裝卸系統的可靠性進行研究，分析其對裝卸生產的影響，提高初步設計的工藝系統對抗不確定性因素的干擾及保持穩定性的能力。

筒倉煤炭碼頭裝卸系統的可靠性可表示為在相應的工藝流程下，在規定的時間內完成煤炭翻車進倉、出倉裝船等功能的概率。裝卸系統的可靠性取決于單機的可靠性，分析系統可靠性，首先需要獲得單機可靠性數據，建立單機可靠性模型。在此基礎上，根據單機與系統可靠性函數關系來分析系統的可靠性。對于可修復的機械設備或系統，其可靠性不僅包括狹義可靠性，還應包括維修因素在內的廣義可靠性。因此，港口單機設備可以通過可靠度、故障率、維修度、平均維修時間、修復率和穩態有效度等指標來描述單機可靠性。本文采用穩態有效度作為筒倉煤炭碼頭裝卸系統的主要可靠性指標[1]。

2筒倉煤炭碼頭裝卸系統的串、并聯可靠性問題

裝卸系統通常可分為3大類，即串聯、并聯和混聯系統。可通過分析系統單元的串、并聯關系，依據系統可靠性分析理論計算系統的可靠性指標。

串聯系統的主要特點是系統組成部件必須全部完好才能正常工作，這種系統只要有一處(部件)發生斷點(故障)，則整個系統無法工作。串聯系統的穩態有效度計算公式為：

(1)

式中：A表示系統可靠性指標，一般用穩態可靠度；Ai表示系統各單元的可靠性指標，一般是各單元設備的穩態可靠度。

并聯系統的主要特點是系統組成部件必須全部發生故障時系統才會發生故障，當有一個及以上的部件正常工作，則系統正常工作。并聯系統的穩態有效度計算公式為：

(2)

混聯系統可等效成若干個串聯和并聯系統，可利用串聯和并聯系統可靠度計算方法分析計算其可靠度。

獲得筒倉煤炭碼頭裝卸系統內部各單元裝卸設備的可靠性指標后，再利用系統內部的串、并聯關系計算整個系統的可靠性指標。主要步驟如下：

(1)根據裝卸系統的工藝流程，確定系統的串、并聯關系，畫出系統可靠性框圖；

(2)根據歷史數據計算出各組成單元的可靠性指標；

(3)基于串、并聯系統可靠性指標計算方法，計算整個系統的可靠性指標。

3筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性

3.1某筒倉煤炭碼頭裝卸系統串、并聯可靠性分析

某港口筒倉煤炭碼頭裝卸系統可分為翻車進倉系統和出倉裝船系統，現對其翻車進倉系統進行串并聯可靠性分析。

由港口筒倉煤炭碼頭翻車進倉的工藝流程，分析物料在設備間的裝接路徑，明確流程間的串、并聯關系，即可得到翻車進倉系統的可靠性框圖，如圖1所示。

圖1　翻車進倉系統的可靠性框圖　注：CD10-CD13為翻車機，BF、BH、BD均為皮帶機，CT5-CT8為卸料小車

翻車進倉線各機械設備的可靠度如表1所示。

故翻車進倉系統的穩態有效度為：

(3)

由港口給出的各個單機設備的可靠度，由公式(3)可得翻車進倉系統的穩態有效度為Rj= 0.999 999，可知系統的穩態有效度接近于1，說明系統至少有一條線可以工作的概率基本達到100%。采用同樣方法求得出倉裝船系統的穩態有效度為0.999 999。

表1　翻車進倉線各機械設備可靠度

按照系統可靠性串、并聯方法得到的筒倉煤炭碼頭裝卸系統的穩態有效度，只是碼頭能完成基本裝卸任務的可靠性。筒倉碼頭裝卸系統具有多工藝線路的特點，只要有一條工藝線路正常，則可認為整個裝卸系統是正常的。顯然，此種方法得到的筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性還沒有精細地描述多工藝流程的筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性問題。因此，為了深入細致地分析筒倉煤炭碼頭裝卸系統的可靠性，需要分析裝卸系統不同線路數能夠同時正常工作的概率。但是傳統的數學方法對這個問題很難求解，因此提出了一種建立離散事件動態系統仿真模型來分析筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性的方法。

3.2基于WITNESS的筒倉煤炭碼頭裝卸系統可靠性研究

模型說明如下：

(1)WITNESS作為一款強大的離散事件系統仿真軟件，提供了一系列用于構造仿真模型的基本元素。這些元素包括物理元素和邏輯元素。建立仿真模型首先需要根據實際碼頭裝卸系統各實體的功能及特性，將其抽象成仿真模型元素。根據實體特性，一個實體可抽象成不同的元素類別，在建立模型時，需根據模型建立的目的，選擇更高效、精準的元素。

某筒倉煤炭碼頭的主要實體與該系統WITNESS仿真模型物理元素之間的關系如表2所示。

(2)模型邊界。系統故障維修服務模型的邊界為各類故障的到達對應設備和故障排除各設備恢復正常工作；系統工作流模型的邊界為虛擬工作流進入翻車進倉線和流體離開出倉裝船線。

(3)模型總體布局。依據某筒倉煤炭碼頭的平面布置與工藝圖，建立仿真模型。

(4)仿真模型主要數據。各設備的故障到達時間間隔(即故障頻率)、故障修復時間，均屬于隨機變量。

(5)參數統計。根據仿真目的，統計有關數據，如一條線發生故障不能工作的概率及累計時間、 多條線發生故障不能工作的概率及相應累計時間、系統整體故障率及系統出現故障的累計時間等。

表2某筒倉煤炭碼頭裝卸系統主要實體與WITNESS模型元素的關系

序號系統實體模型元素類別作用或性質1進倉皮帶機故障Part臨時實體,指數分布2卸料機故障 Part臨時實體,指數分布3給料機故障 Part臨時實體,指數分布4出倉皮帶機故障Part臨時實體,指數分布5裝船皮帶機故障Part臨時實體,指數分布6裝船機故障 Part臨時實體,指數分布7翻車機故障 Part臨時實體,指數分布8翻車機故障處理Machine維修設備,指數分布9進倉皮帶機 故障處理 Machine維修設備,指數分布 10卸料機故障處理Machine維修設備,指數分布11給料機故障處理Machine維修設備,指數分布12出倉皮帶機 故障處理 Machine維修設備,指數分布13裝船皮帶機 故障處理 Machine維修設備,指數分布14裝船機故障處理Machine維修設備,指數分布15故障累積時間 Variable變量,統計時間16翻車進倉工作流Fluid流體17出倉裝船工作流Fluid流體

表3　翻車進倉系統的仿真實驗數據

通過修改隨機數流，做4次仿真試驗，得到翻車進倉系統的仿真實驗數據如表3所示。

根據仿真試驗數據，4條翻車進倉線中，有1條線因故障不能工作的概率比較大,其平均概率為17.8668%；有2條線不能同時正常工作的概率為0.8946%；3條線和4條線因故障同時不能工作的概率都很小，分別在0.034%和0.0119%，為小概率事件。基于以上的可靠性數據對筒倉煤炭碼頭的吞吐量進行估算[3]，結果顯示，設計的筒倉煤炭碼頭裝卸系統的可靠性基本達到要求。

4結語

筒倉煤炭碼頭工程是一個創新型的碼頭工程，其裝卸系統可靠性的高低將直接影響碼頭通過能力和經濟效益。這種基于離散事件動態系統仿真模型的方法可以得到較傳統計算方法更為精準的可靠性數據，可以為筒倉煤炭碼頭設計預期吞吐量時的系統可靠性達標情況提供參考。

參 考 文 獻

[1]盧明銀. 系統可靠性[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008：3-15.

[2]張舒,賀銘革. 專業散貨碼頭裝卸系統可靠性分析方法[J]. 物流工程與管理, 2010(32)：60-62.

[3]艾彎，周強. 煤炭碼頭裝卸工藝系統維修性預測[J]. 起重運輸機械, 2013(5):87-91.

The Reliability of Silo Coal Terminal Handling System Study

Ai Wan1Xiong Shaofei2

(1Wuhan University of Technology2Huaqin Telecom Technology Co.,LTD，)

Abstract:It will make the closed silo yard engineering planning and design of large coal terminal to be research trends, the handling technology system reliability issues are also increasingly prominent. Proposed reliability block diagram silo coal wharf handling system reliability analysis model through the establishment of the simulation model, and on this basis to further study the reliability of loading and unloading system.

Key words:coal terminal; silos； reliability； simulation

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.02.012

收稿日期：2016-01-30

艾彎： 430063，武漢市武昌區和平大道1040號