基于可靠性和維修性的艦艇動力裝置系統效能分析

海軍工程大學 船舶與動力學院 武漢 430033

艦艇動力裝置效能的發揮對于提高艦艇作戰能力有著極其重要的作用，因此在設計、研制、使用和維修等各個階段對動力裝置進行系統效能分析以期發揮最大效能十分重要。用于系統效能分析的方法很多，目前國內外比較流行的有指數法、解析法和層次分析法，其中解析法中的WSEIAC模型[1-3]在武器系統和作戰指揮系統的效能分析中得到了廣泛的應用。

1 WSEIAC模型用于艦艇動力裝置系統效能分析的可行性

動力裝置是一個復雜的系統，其零部件之多、結構之復雜都是艦艇上其他裝備無法比擬的，但通過分析和簡化可以使其適合于WSEIAC模型。

把影響鍋爐工作的燃油系統、給水系統、通風系統、上下排污系統、蒸汽系統和鍋爐裝置統稱為鍋爐系統，這些系統和裝置故障視為鍋爐系統故障；把影響主機工作的供汽系統、凝水系統、調節系統、主滑油系統、廢氣系統和主汽輪機裝置統稱為主機系統，這些系統和裝置故障視為主機系統故障；把減速器、軸系、螺旋槳統稱為傳動系統，統計表明，該系統潤滑較好時發生故障的概率很小，因此可視其為正常；輔助機械都存在冗余系統且處于熱備便狀態，可視其保持正常；把不影響鍋爐系統、主機系統和傳動系統工作的系統、裝置和管路統稱為附屬系統，這些系統始終視為可修系統，不管其正常還是故障，都不影響動力裝置功率的輸出。因此，整個動力裝置可以簡化為如圖1所示的結構。前后機艙通過橋管相連，任一鍋爐可給任一主機供汽，且只能給一臺主機供汽；任一主機可接受任一鍋爐供汽但最多只能接受兩臺鍋爐供汽。

圖1 某艦蒸汽動力裝置原理

假設鍋爐系統和主機系統只有兩種狀態：正常和故障；任一主機系統和鍋爐系統故障都會導致動力裝置的功率損失，任一鍋爐系統故障可導致總功率損失25%，任一主機系統故障可導致總功率損失50%，根據總功率損失的百分比可將動力裝置的系統狀態分為10種，見表1。

表1 動力裝置的系統狀態表

假設主機系統與鍋爐系統的平均壽命和修復時間均服從指數分布。經過簡化和確定系統狀態的艦艇蒸汽動力裝置可以通過統計鍋爐系統和主機系統的平均故障間隔時間和平均修復時間，利用WSEIAC模型確定動力裝置系統效能與其兩大主要系統的可靠性和維修性之間的關系，確定兩大主要系統最佳的可靠性和維修性參數值，保證裝置能發揮出最佳的效能。

2 分析算例

Ne=D2/3·v3·C-1

可得不同功率對應的最大航速，見表2。

表2 動力裝置的不同功率對應的艦艇最大航速表

假設艦艇正以經濟技術航速14 kn航行，任務要求航速達到24 kn并保持1 h，設當功率分別是總功率的100%、75%、50%、25%、0%時，艦艇航速達到24 kn的概率分別為0.97、0.92、0.87、0、0，在1 h內保持24 kn航行的概率為0.90、0.85、0.75、0、0。假設在1 h內故障鍋爐和主機是不能修復的，以在執行任務期間航速達到并保持24 kn的概率為能力度量，使用WSEIAC模型計算動力裝置的系統效能E。

2.1 確定可用性向量

設：A1為每臺鍋爐的可用度，A2為每臺主機的可用度，則

系統處于各狀態的概率分別為：

=4×0.903×(1-0.90)×0.932=0.252

以此類推，可得a4=0.085，a5=0.038，

a6=0.006，a7=0.003，a8=0.001，

a9=0.000，a10=0.005，

則可用度向量A為：

A=(a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10)

=(0.568，0.252，0.042，0.085，0.038，0.006，0.003，0.001，0.000，0.005)

2.2 確定可信性矩陣

因為艦艇從某一航速轉變到24 kn的時間較短，可以認為在航速轉變過程中，動力裝置狀態不發生轉移，所以動力裝置在速度變化過程中的可信性矩陣為10階單位矩陣，記為D1。因為在航行過程中假設主機和鍋爐是不可修復的，則動力裝置在保持24 kn航行時的可信性矩陣D2為三角矩陣，其對角線以下的所有項為零。

因為主機和鍋爐的壽命和修復時間均服從指數分布，則每臺鍋爐的故障率為：

λ1=1/180=0.005 6

每臺主機的故障率為：

λ2=1/180 =0.000 5

則在任務期間(1 h)，鍋爐的可靠度為：

R1=e-λ1t=e-0.0056×1=0.995

主機的可靠度為：

R2=e-λ2t=e-0.0005×1=0.995

以dij分別表示動力裝置在任務期間從狀態i轉移到狀態j的概率，則：

=4×0.9953×(1-0.995)×0.9952

=0.022

依次類推，可得可信性矩陣D2為

D2=

2.3 確定能力矩陣

艦艇達到24 kn的動力裝置的能力矩陣為

C1=[0.97，0.92，0.87，0.87，0.87，0.87，0，0，0，0]T

艦艇保持24 kn的動力裝置的能力矩陣為

C2=[0.90，0.85，0.75，0.75，0.75，0.75，0，0，0，0]T

2.4 運算

根據WSEIAC模型E=ADC,可得艦艇能夠達到24 kn的動力裝置系統效能為：

E1=AD1C1=0.932

艦艇能夠保持24 kn的動力裝置系統效能為：

E2=AD2C2=0.851

則艦艇能夠達到并保持24 kn的動力裝置系統效能為：E=E1·E2=0.793

3 動力裝置主要系統的可靠性與維修性對其系統效能的靈敏度分析

圖2 鍋爐和主機的平均故障間隔時間對動力裝置系統效能的影響

圖3 鍋爐和主機的平均修復時間對動力裝置系統效能的影響

4 結束語

綜上所述，動力裝置主要組成系統的可靠性和維修性對其系統效能有著重要影響，將可靠性和維修性指標參數保持在一定范圍之內，既可以使動力裝置很好的發揮其效能，進而保障艦艇發揮其戰斗力，又可以節省為要求過高的可靠性和維修性指標而投入的巨額費用，由此也可以看出對艦艇動力裝置進行系統效能分析的意義重大。需要指出的是，動力裝置的效能指標不只包括可靠性和維修性，還包括經濟性、隱蔽性、安全性、生命力等，因此需要建立一個更加綜合的效能模型來分析各指標對動力裝置系統效能的影響，這有待進一步研究。

[1] 甘茂治，康建設，高 崎.軍用裝備維修工程學[M].北京：國防工業出版社，1999：190-191.

[2] 吳曉峰，錢 東.用于系統效能分析的WSEIAC模型及其擴展[J]. 系統工程理論與實踐，2000(8)：1-6.

[3] 高 尚，婁壽春.武器系統效能評定方法綜述[J].系統工程理論與實踐，1998(7)：109-114.