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海底閥吸入海水，向機組提供冷卻用海水。保障泵組的可靠性和維修性是保證機組能夠獲得持續可靠的冷卻海水的前提，也是保證整個機組能夠穩定、高效運行的關鍵。因此選用合適的方法對可靠性和維修性進行設計是至關重要的。

肖浩[1]結合汽輪機的故障特點，建立了其維修性的指標體系，并提出了在汽輪機的整個設計過程中應考慮的維修性因素，對汽輪機的維修性驗證與設計提供了一定的指導意義；張義民等[2]依據機械產品的研發進程，對可靠性分析、可靠性增長、可靠性管理等技術規范進行了編制；吳玲丹等[3]采用向量機回歸算法，建立了艦船裝備的維修性模型，可以依據評價結果進行設計改進；楊擁民等[4]分析了維修性設計中的工作范疇和關鍵技術，并探討了其發展趨勢。劉繼民等[5]在理論研究、技術工具、工程使用、人員觀念等問題的基礎上，提出了相應問題的對策和解決方法。王學[6]所提出的系統可靠性建模方法、降落傘可靠性評估方法等為回收著陸系統可靠性模型等提供了有力的分析方法。

本文根據可靠性和維修性要求，對可靠性和維修性進行建模，采用合適的分配和預計方法對海水泵組的可靠性和維修性進行了分配與預計，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：平均故障間隔時間MTBF≥5 000 h。維修性要求：平均故障修復時間MTTR≤4 h，根據要求本文開展了泵組的可靠性和維修性分析。

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

圖1 海水泵組物理組成圖

1.2 可靠性模型

根據電動海水泵組的工作原理，建立如圖 2所示的可靠性模型。

圖2 電動海水泵組的可靠性模型

由設備可靠性框圖分析得到，設備屬于串聯可靠性模型，各單元壽命服從指數分布，相應的數學模型為

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

1.3 可靠性分配

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

已服役并且運行可靠的老電動海水泵組各部件的故障率如下：電動海水泵故障率為1×10-4/h；電機故障率為 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節可知，海水泵組平均故障間隔時間為不低于 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：電動海水泵故障率為 2.32×10-4/h；電機故障率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。

通過可靠性分配，使各級設計人員明確了其可靠性設計要求，將可靠性的定量要求分配到規定的產品層次，得到在電動海水泵組中，電動海水泵、儀表組件的故障率較大。

1.4 可靠性預計

同可靠性分配相似，可靠性預計采用相似產品類比論證法，這種方法簡單、快捷，適用于系統研制的各個階段，可應用于各類產品的可靠性預計。海水泵組的可靠性預計是在設計階段對設備可靠性進行定量估計。根據歷史的產品可靠性數據、設備的構成和結構特點、設備的工作環境等因素估計組成設備的部件及設備可靠性。

根據由承制方提供的數據，本泵組選型產品的故障率：電動海水泵故障率1.82×10-4/h、電機故障率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。

通過可靠性預計，得出預計的MTBF滿足系統提出的要求，并且發現影響系統可靠性的主要因素為電動海水泵和儀表組件。

1.5 維修性建模

該泵組由n個可修項目組成，每個可修項目的平均故障率和相應的平均修復時間為已知，該裝置平均維修時間模型如下：

式中：λi為第i個項目平均故障率；為第i個項目出故障的平均修復時間。

1.6 維修性分配

因為已分配了可靠性和預計了可靠性，則按相似產品維修性數據分配法進行維修時間的分配，其分配原則是利用相似產品數據，通過比例關系進行分配。

按相似產品維修性數據分配法的分配公式為

式中：為相似產品已知的或預計的平均修復時間；為相似產品已知的或預計的單元i的平均修復時間。

老泵組的電動海水泵平均修復時間為4 h，電機平均修復時間3.5 h，電控箱平均修復時間2.5 h，儀表組件平均修復時間1.5 h，老泵組MTTR=3.2 h。根據分配公式可以得出新泵組的要求：電動海水泵平均修復時間為5 h，電機平均修復時間4.375 h，電控箱平均修復時間3.125 h，儀表組件平均修復時間1.875 h。

1.7 維修性預計

根據歷史經驗和已有的數據和圖表，對照產品的設計方案、維修保障條件，運用時間累計法，逐個確定每個維修項目、每項維修工作、每個維修活動乃至每項基本維修作業所需的時間或工作，然后綜合累加或求平均值，最后得出裝備的維修性指標。時間累計法是把維修活動分解開，針對某個單元、某項維修活動或作業，估計其時間或工時，然后再將各項作業、各個單元的時間或工時進行綜合，估計出系統或設備的維修性參數的一種維修性預計方法。

根據可靠性分配值和可靠性預計值，主要可更換單元的目錄和數量，以及修復時間元素進行維修性預計。

電動海水泵組的維修活動分為6種，其修復時間元素Tm（下標m表示第m項操作時間)定義如下：

Tp為準備時間：進行故障隔離之前完成的各項準備工作的時間（包括故障診斷、人員準備、工具準備等）。

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

TD為分解時間：拆卸設備以便達到故障隔離所確定的零部件所需的時間。

TI為更換時間：卸下并更換失效或懷疑失效的零部件所需的時間。

TR為重新安裝時間：重新安裝設備所需的時間。

TA為調準時間：對設備進行校準、測試和調整所需的時間。

TC為檢驗時間：校驗故障是否排除，設備能否正常運行所需的時間。

通過承制方提供的所選電動海水泵組各部件的時間元素值，通過分析計算得出電動海水泵組各零部件的維修性預計，見表1。

如表2所示，所選用的電動海水泵組各部件平均修復時間均小于維修性所分配的平均修復時間，滿足要求。

表1 電動海水泵組維修性預計

表2 電動海水泵組平均修復時間對比

采用均值模型，求出泵組的平均修復時間，即

計算結果表明可滿足4 h的系統要求。

2 結論

本文通過建模、分配和預計對某船用海水泵組進行了可靠性和維修性設計，利用相應的方法進行了可靠性分配、可靠性預計、維修性分配、維修性預計。結果表明：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，為同類型選型設備的可靠性和維修性設計提供了依據。