船舶推进系统可靠性分析研究

王俊龙，袁 伟

(1.海军工程大学 船舶与海洋学院， 武汉 430033；2.中国人民解放军92730部队，海南 三亚 572016)

船舶推进系统是船舶的心脏，对船舶营运的安全保障和经济性起着决定性的作用。研究表明，由于船舶推进轴系断裂和轴承过度磨损，船舶主机曲轴断裂、轴瓦过度磨损及烧融、活塞环断裂卡死、尾轴变形与密封破坏、传动齿轮断裂和过度磨损等恶性故障愈发严重[1-3]。根据瑞士著名船舶保险公司Swedish Club的统计，2015—2017年船舶推进系统故障造成的事故占总理赔事故总数的54.9%，平均赔付金额占总金额的43.1%，具体如表1所示[4]。

表1 1998—2017年船舶机械故障理赔事故的统计结果

可见，船舶推进系统可靠性问题是制约和影响船舶安全运行的关键问题。因此为了提升船舶的航行性能，使船舶在运营时间内安全保障地完成航行任务，提高船舶推进系统零部件的经济性，有必要聚焦于研究船舶推进系统可靠性问题，找到船舶推进型的故障预测、故障预警、合理维修和延长其使用寿命的方法和对策。

1 船舶推进系统的研究内涵

船舶推进系统可靠性研究是针对船舶运行的复杂、苛刻、多变的运行特点，探讨设计船舶运行、维护、安全评估等关键问题，以确保船舶安全、可靠地完成运行任务。其目标可具体概括为：实现船舶推进系统的可靠、安全、延寿、低耗和高效[5-8]。要实现上述目标，需重点研究以下核心内容：通过对船舶推进系统及其零部件进行实船调研，并结实验仿真平台，研究船舶推进系统的典型失效机理及其发展规律，确定描述船舶推进系统的关键性指标，对船舶推进系统进行分层可靠性评估，提出船舶推进系统的综合可靠性评估模型；同时采用实验模拟以及数值仿真验证和评价船舶推进系统可靠性评估模型的适用性；最终从船舶推进系统的失效机理、运行特性、结构优化等方面找到提高船舶推进系统安全可靠的对策和方法，如图1所示。

图1 船舶推进系统可靠性研究内涵示意图

2 船舶推进系统的故障树划分

船舶推进系统系统及功能是由多个零部件及其功能共同实现的。船舶推进系统结构如图2所示。

图2 船舶推进系统结构示意图

对船舶推进系统进行功能框图分解，准确地描述船舶推进系统及其功能与每个子系统(或单元)之间的关系是建立船舶推进系统可靠性模型的基础[9-11]。船舶推进系统可靠性模型描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系，从而能够定量分配、估算和评估系统的可靠性，以及这些单元功能、失效模式对系统系统的可靠性数学模型的影响。图3是船舶推进系统功能流程示意图。从图3中可以看出子系统船舶主机、传动设备、船舶轴系和推进器的正常运转是船舶推进系统完成其使命的关键所在，每个子系统的正常运行是由属于该系统的零部件功能正常来保障的。

2.1 故障树分析法

在船舶推进系统功能流程图基础上，可以采取系统可靠性评估方法对其可靠性进行评估。本文采取故障树可靠性模型分析方法进行船舶推进系统可靠性分析。故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，把系统最不希望发生的故障状态作为逻辑分析的目标，在故障树中称为顶事件，继而找出导致这一故障状态发生的所有可能直接原因，在故障树中称为中间事件。再跟踪找出导致这些中间故障事件发生的所有可能直接原因，直至追寻到引起中间事件发生的全部部件状态，在故障树中称为底事件[12-14]。

图3 船舶推进系统功能流程示意图

设零部件和系统只能采取正常和故障两种状态，并且跟零部件的故障是相互独立的。故障树有n个底事件，顶事件为T。

底事件的状态采用状态变量xi(i=1,2,…,n)表示，则：

顶事件T，采用状态变量P表示，则P必然是底事件状态变量xi的函数，即：

P=P(X)=P(x1,x2,…,xn)

(1)

式(1)中，X=(x1,x2,…,xn)，称P(X)为故障树的结构函数。

2.2 船舶推进系统故障树划分

根据对船舶推进系统的故障调查，依据船舶推进系统的功能流程图以及故障树划分原则，对船舶推进系统进行了故障树框图划分。根据子系统和零部件对船舶推进系统的影响权重原则和相似零部件且有相似失效机理进行合并处理的原则，将船舶推进系统简明扼要的划分为3个层：① 船舶推进系统失效为目标事件，② 子系统船舶主机失效、传动系统失效、船舶轴系失效和推进器失效为中间事件，③ 每个子系统对应的关键摩擦副或者零部件失效为底事件。船舶推进系统的故障树划分如图4所示。

图4 船舶推进系统故障树

从调研、查阅文献以及研究分析的结果来看，船舶推进系统的失效主要集中于典型故障模式，如导致船舶主机失效的缸套—活塞环、曲轴及曲柄连杆系统以及喷油系统出现故障；导致轴系失效的主要集中于尾轴承、推力环和推力块和轴系应力断裂等典型故障；导致传动装置失效的主要因为传动齿轮端面异常磨损和断裂。这些典型故障应该是研究和提高船舶推进系统可靠性的突破口[15-18]。

建立船舶推进系统故障树之后，采取最小割集法计算该系统失效概率，通过用船舶推进系统的故障概率或者失效率来做最后的评价，为采取相应的纠正措施提供指导意义，最终提高系统可靠性、安全保障和推进综合性能。

2.3 实例分析

通过表1可以看出，船舶主机的可靠性是制约船舶推进系统可靠性的关键因素，在此利用图4(b)所示的故障树分析计算船舶主机在某时刻其发生故障的概率。通过对图4(b)所示船舶主机故障树分析可知，底事件X2，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12中任意一事件发生必然导致船舶主机失效，那么割集{X2}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}是该船舶主机故障树的最小割集。因为最小割集{X2}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}没有重复出现的底事件，所以它们之间互不相交，满足最小割集运算法则[19-21]。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：P[Kj(t)]为在时刻t第j个最小割集发生的概率；Fi(t)为在时刻t第j个最小割集中第i个部件的故障概率；Nk为最小割集数。则有：

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

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

(4)

通过对某船厂的船舶进行长时间的调研统计，得到了船舶主机常见的故障模式及其在某时刻的累计故障概率，如表2所示。通过式(4)可以计算得到船舶主机正常运行500 h的故障率是0.065 202，正常运行1 000 h的故障概率是0.133 141，正常运行1 500 h的故障概率是0.195 455。

表2 船舶主机不同时间的累计故障率

本例可以看出，基于故障树，采取故障概率分析方法能反映船舶推进系统安全运行至某时刻的可靠性。且因为船舶主机零部件的故障模式及其故障率都是通过大量的数据累计，其可靠性具有参考价值。从侧面反映，船舶推进系统故障数据的采集、数据库的建立以及数据的共享对准确分析和保障推进系统的可靠性极其重要。但本例不能完全体现船舶推进系统的整体寿命。因为船舶推进系统是由故障概率不同的多个零部件组成，故障率高的关键零部件对船舶推进系统的故障率占据着较大影响比率，例如，船舶主机的主轴承—轴瓦、缸套—活塞环、喷油嘴等，轴系尾轴承、推力块—推力环等主要摩擦副的故障，它们的可靠性寿命较短，不能反应船舶推进系统的全周期使用寿命，在船舶推进系统全周期寿命周期内，这些零部件往往多次更换。因此，研究关键零部件的可靠性寿命与评估船舶推进系统可靠性之间的关系也是至关重要的。

3 结论

本文分析了船舶推进系统的工作特点和船舶推进系统可靠性研究的内涵，对船舶推进系统进行故障树框图划分，计算分析了船舶主机的故障概率。指出船舶推进系统故障率高的关键零部件对船舶推进系统的故障影响较大，它们的可靠性寿命大多较短，不能反应船舶推进系统的整体使用寿命，因此故障树概率计算方法不能体现船舶推进系统的整体寿命，研究关键摩擦副的可靠性寿命与评估船舶推进系统可靠性之间的关系至关重要。