船舶推進系統可靠性分析研究

王俊龍，袁 偉

(1.海軍工程大學 船舶與海洋學院， 武漢 430033；2.中國人民解放軍92730部隊，海南 三亞 572016)

船舶推進系統是船舶的心臟，對船舶營運的安全保障和經濟性起著決定性的作用。研究表明，由于船舶推進軸系斷裂和軸承過度磨損，船舶主機曲軸斷裂、軸瓦過度磨損及燒融、活塞環斷裂卡死、尾軸變形與密封破壞、傳動齒輪斷裂和過度磨損等惡性故障愈發嚴重[1-3]。根據瑞士著名船舶保險公司Swedish Club的統計，2015—2017年船舶推進系統故障造成的事故占總理賠事故總數的54.9%，平均賠付金額占總金額的43.1%，具體如表1所示[4]。

表1 1998—2017年船舶機械故障理賠事故的統計結果

可見，船舶推進系統可靠性問題是制約和影響船舶安全運行的關鍵問題。因此為了提升船舶的航行性能，使船舶在運營時間內安全保障地完成航行任務，提高船舶推進系統零部件的經濟性，有必要聚焦于研究船舶推進系統可靠性問題，找到船舶推進型的故障預測、故障預警、合理維修和延長其使用壽命的方法和對策。

1 船舶推進系統的研究內涵

船舶推進系統可靠性研究是針對船舶運行的復雜、苛刻、多變的運行特點，探討設計船舶運行、維護、安全評估等關鍵問題，以確保船舶安全、可靠地完成運行任務。其目標可具體概括為：實現船舶推進系統的可靠、安全、延壽、低耗和高效[5-8]。要實現上述目標，需重點研究以下核心內容：通過對船舶推進系統及其零部件進行實船調研，并結實驗仿真平臺，研究船舶推進系統的典型失效機理及其發展規律，確定描述船舶推進系統的關鍵性指標，對船舶推進系統進行分層可靠性評估，提出船舶推進系統的綜合可靠性評估模型；同時采用實驗模擬以及數值仿真驗證和評價船舶推進系統可靠性評估模型的適用性；最終從船舶推進系統的失效機理、運行特性、結構優化等方面找到提高船舶推進系統安全可靠的對策和方法，如圖1所示。

圖1 船舶推進系統可靠性研究內涵示意圖

2 船舶推進系統的故障樹劃分

船舶推進系統系統及功能是由多個零部件及其功能共同實現的。船舶推進系統結構如圖2所示。

圖2 船舶推進系統結構示意圖

對船舶推進系統進行功能框圖分解，準確地描述船舶推進系統及其功能與每個子系統(或單元)之間的關系是建立船舶推進系統可靠性模型的基礎[9-11]。船舶推進系統可靠性模型描述了系統及其組成單元之間的故障邏輯關系，從而能夠定量分配、估算和評估系統的可靠性，以及這些單元功能、失效模式對系統系統的可靠性數學模型的影響。圖3是船舶推進系統功能流程示意圖。從圖3中可以看出子系統船舶主機、傳動設備、船舶軸系和推進器的正常運轉是船舶推進系統完成其使命的關鍵所在，每個子系統的正常運行是由屬于該系統的零部件功能正常來保障的。

2.1 故障樹分析法

在船舶推進系統功能流程圖基礎上，可以采取系統可靠性評估方法對其可靠性進行評估。本文采取故障樹可靠性模型分析方法進行船舶推進系統可靠性分析。故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖，把系統最不希望發生的故障狀態作為邏輯分析的目標，在故障樹中稱為頂事件，繼而找出導致這一故障狀態發生的所有可能直接原因，在故障樹中稱為中間事件。再跟蹤找出導致這些中間故障事件發生的所有可能直接原因，直至追尋到引起中間事件發生的全部部件狀態，在故障樹中稱為底事件[12-14]。

圖3 船舶推進系統功能流程示意圖

設零部件和系統只能采取正常和故障兩種狀態，并且跟零部件的故障是相互獨立的。故障樹有n個底事件，頂事件為T。

底事件的狀態采用狀態變量xi(i=1,2,…,n)表示，則：

頂事件T，采用狀態變量P表示，則P必然是底事件狀態變量xi的函數，即：

P=P(X)=P(x1,x2,…,xn)

(1)

式(1)中，X=(x1,x2,…,xn)，稱P(X)為故障樹的結構函數。

2.2 船舶推進系統故障樹劃分

根據對船舶推進系統的故障調查，依據船舶推進系統的功能流程圖以及故障樹劃分原則，對船舶推進系統進行了故障樹框圖劃分。根據子系統和零部件對船舶推進系統的影響權重原則和相似零部件且有相似失效機理進行合并處理的原則，將船舶推進系統簡明扼要的劃分為3個層：① 船舶推進系統失效為目標事件，② 子系統船舶主機失效、傳動系統失效、船舶軸系失效和推進器失效為中間事件，③ 每個子系統對應的關鍵摩擦副或者零部件失效為底事件。船舶推進系統的故障樹劃分如圖4所示。

圖4 船舶推進系統故障樹

從調研、查閱文獻以及研究分析的結果來看，船舶推進系統的失效主要集中于典型故障模式，如導致船舶主機失效的缸套—活塞環、曲軸及曲柄連桿系統以及噴油系統出現故障；導致軸系失效的主要集中于尾軸承、推力環和推力塊和軸系應力斷裂等典型故障；導致傳動裝置失效的主要因為傳動齒輪端面異常磨損和斷裂。這些典型故障應該是研究和提高船舶推進系統可靠性的突破口[15-18]。

建立船舶推進系統故障樹之后，采取最小割集法計算該系統失效概率，通過用船舶推進系統的故障概率或者失效率來做最后的評價，為采取相應的糾正措施提供指導意義，最終提高系統可靠性、安全保障和推進綜合性能。

2.3 實例分析

通過表1可以看出，船舶主機的可靠性是制約船舶推進系統可靠性的關鍵因素，在此利用圖4(b)所示的故障樹分析計算船舶主機在某時刻其發生故障的概率。通過對圖4(b)所示船舶主機故障樹分析可知，底事件X2，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12中任意一事件發生必然導致船舶主機失效，那么割集{X2}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}是該船舶主機故障樹的最小割集。因為最小割集{X2}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}沒有重復出現的底事件，所以它們之間互不相交，滿足最小割集運算法則[19-21]。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：P[Kj(t)]為在時刻t第j個最小割集發生的概率；Fi(t)為在時刻t第j個最小割集中第i個部件的故障概率；Nk為最小割集數。則有：

1-(1-X2)*(1-X6)*(1-X7)*(1-X8)*

(1-X9)*(1-X10)*(1-X11)*(1-X12)

(4)

通過對某船廠的船舶進行長時間的調研統計，得到了船舶主機常見的故障模式及其在某時刻的累計故障概率，如表2所示。通過式(4)可以計算得到船舶主機正常運行500 h的故障率是0.065 202，正常運行1 000 h的故障概率是0.133 141，正常運行1 500 h的故障概率是0.195 455。

表2 船舶主機不同時間的累計故障率

本例可以看出，基于故障樹，采取故障概率分析方法能反映船舶推進系統安全運行至某時刻的可靠性。且因為船舶主機零部件的故障模式及其故障率都是通過大量的數據累計，其可靠性具有參考價值。從側面反映，船舶推進系統故障數據的采集、數據庫的建立以及數據的共享對準確分析和保障推進系統的可靠性極其重要。但本例不能完全體現船舶推進系統的整體壽命。因為船舶推進系統是由故障概率不同的多個零部件組成，故障率高的關鍵零部件對船舶推進系統的故障率占據著較大影響比率，例如，船舶主機的主軸承—軸瓦、缸套—活塞環、噴油嘴等，軸系尾軸承、推力塊—推力環等主要摩擦副的故障，它們的可靠性壽命較短，不能反應船舶推進系統的全周期使用壽命，在船舶推進系統全周期壽命周期內，這些零部件往往多次更換。因此，研究關鍵零部件的可靠性壽命與評估船舶推進系統可靠性之間的關系也是至關重要的。

3 結論

本文分析了船舶推進系統的工作特點和船舶推進系統可靠性研究的內涵，對船舶推進系統進行故障樹框圖劃分，計算分析了船舶主機的故障概率。指出船舶推進系統故障率高的關鍵零部件對船舶推進系統的故障影響較大，它們的可靠性壽命大多較短，不能反應船舶推進系統的整體使用壽命，因此故障樹概率計算方法不能體現船舶推進系統的整體壽命，研究關鍵摩擦副的可靠性壽命與評估船舶推進系統可靠性之間的關系至關重要。