维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第３期 ２００７年６月 船海工程 ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．３６ ＮＯ．３ Ｊｕｎ．２００７ 文章编号１６７１—７９５３（２００７）０３—００７１—０３ 基于可靠性和维修性的舰艇动力装置系统效能分析 张金辉谢骏 ４３００３３ 海军工程大学船舶与动力学院 武汉摘 要确立动力装置的系统边界和系统状态，运用ＷＳＥＩＡＣ模型确定动力装置系统效能与其主要组 成系统的可靠性和维修性之间的关系，通过灵敏度分析给出其关系曲线并进行了分析，得出动力装置主要组 成系统的最佳可靠性和维修性参数值，拓展了ＷＳＥＩＡＣ模型的应用范围，对于开展舰艇动力装置效费分析具 有参考价值。 关键词 系统效能 效能分析中图分类号ＴＫ０５ 动力装置 Ａ 文献标识码Ｗａｒｓｈｉｐ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｖ ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ－ｈｕｉ ＸＩＥ Ｊｕｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗｕｈａｎ ４３００３３ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ａｎｄ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｓ— ｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎａｂｍｔｙ ｏｆ ｉｔｓ ｍａｉｎ ｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ ｂｙ ＷＳＥＩＡＣ ｍｏｄｅｌ，ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅｍ ｔＯ ｇｅｔ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎａｂｍｔｙ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ’Ｓ ｍａｉｎ ｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｗｉｄｅｎｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＷＳＥＩＡＣ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔＯ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｒｓｈｉｐ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ－ｃｏｓｔ ａｎａｌｙ— ＳｌＳ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ－ｃｏｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ 舰艇动力装置效能的发挥对于提高舰艇作战 能力有着极其重要的作用，因此在设计、研制、使 用和维修等各个阶段对动力装置进行系统效能分 析以期发挥最大效能十分重要。用于系统效能分 析的方法很多，目前国内外比较流行的有指数法、 把影响锅炉工作的燃油系统、给水系统、通风 系统、上下排污系统、蒸汽系统和锅炉装置统称为 锅炉系统，这些系统和装置故障视为锅炉系统故 障；把影响主机工作的供汽系统、凝水系统、调节 系统、主滑油系统、废气系统和主汽轮机装置统称 为主机系统，这些系统和装置故障视为主机系统 解析法和层次分析法，其中解析法中的ＷＳＥＩＡＣ 模型ｌｌ。 在武器系统和作战指挥系统的效能分析 中得到了广泛的应用。 故障；把减速器、轴系、螺旋桨统称为传动系统，统 计表明，该系统润滑较好时发生故障的概率很小， 因此可视其为正常；辅助机械都存在冗余系统且 １ ＷＳＥＩＡＣ模型用于舰艇动力装 置系统效能分析的可行性 动力装置是一个复杂的系统，其零部件之多、 处于热备便状态，可视其保持正常；把不影响锅炉 系统、主机系统和传动系统工作的系统、装置和管 路统称为附属系统，这些系统始终视为可修系统， 不管其正常还是故障，都不影响动力装置功率的 输出。因此，整个动力装置可以简化为如图１所 结构之复杂都是舰艇上其他装备无法比拟的，但 通过分析和简化可以使其适合于ＷＳＥＩＡＣ模 型。 收稿日期 ２００６—０９—２５ 示的结构。前后机舱通过桥管相连，任一锅炉可 给任一主机供汽，且只能给一台主机供汽；任一主 机可接受任一锅炉供汽但最多只能接受两台锅炉 供汽。 修回日期作者简介２００６—１０—１１ 张金辉（１９７７一），男，硕士生。 ７１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于可靠性和维修性的舰艇动力装置系统效能分析——张金辉 谢 骏 图１ 某舰蒸汽动力装置原理图 假设锅炉系统和主机系统只有两种状态：正 常和故障；任一主机系统和锅炉系统故障都会导 致动力装置的功率损失，任一锅炉系统故障可导 致总功率损失２５ ，任一主机系统故障可导致总 功率损失５Ｏ ，根据总功率损失的百分比可将动 力装置的系统状态分为１Ｏ种，见表１。 表１动力装置的系统状态表 …定义 假设主机系统与锅炉系统的平均寿命和修复 时问均服从指数分布。经过简化和确定系统状态 的舰艇蒸汽动力装置可以通过统计锅炉系统和主 机系统的平均故障问隔时问和平均修复时问，利 用ＷＳＥＩＡＣ模型确定动力装置系统效能与其两 大主要系统的可靠性和维修性之间的关系，确定 两大主要系统最佳的可靠性和维修性参数值，保 证装置能发挥出最佳的效能。 ２ 分析算例 某舰蒸汽动力装置基本布置如图１，设每台 锅炉的平均故障间隔时间为Ｔ ｎ一１８０ ｈ，平均修 复时间为Ｍ 一２０ ｈ，每台主机的平均故障间隔 时间为Ｔ ＝＝＝２００ ｈ，平均修复时间为Ｍｃ ｚ＝１５ ｈ。 假设舰艇排水量Ｄ和海军部系数Ｃ保持不变，根 ７２ 据舰艇功率Ｎｅ与最大航速 的关系公式： ＮＰ＝Ｄ ／。・ 。・Ｃ一 可得不同功率对应的最大航速，见表２。 表２动力装置的不同功率对应的舰艇最大航速表 功率百分比％ １００ ７５ ５０ ２５ ０ 对应航速／ｋｎ ３２ ２９ ２５ ２０ ０ 假设舰艇正以经济技术航速１４ ｋｎ航行，任 务要求航速达到２４ ｋｎ并保持１ ｈ，设当功率分别 是总功率的１００ 、７５ 、５０ 、２５ 、０ 时，舰艇 航速达到２４ ｋｎ的概率分别为０．９７、０．９２、０．８７、 ０、０，在１ ｈ内保持２４ ｋｎ航行的概率为０．９０、 ０．８５、０．７５、０、０。假设在１ ｈ内故障锅炉和主机 是不能修复的，以在执行任务期间航速达到并保 持２４ ｋｎ的概率为能力度量，使用ＷＳＥＩＡＣ模型 计算动力装置的系统效能Ｅ。 ２．１确定可用性向量 设：Ａ 为每台锅炉的可用度，Ａ 为每台主机 的可用度，则 Ａ１一 一丽１８０＿０．ｆＪ＋Ａ １ ｌ８Ｏ十ｚＯ ９０ Ａ２一 丁ｂｆ２＋Ｍ ２ 一 ２００ ＋ １５ 一ｏ．９３系统处于各状态的概率分别为： ａ１一Ａ ・Ａ；一０．９０ ×０．９３ 一０．５６８ ａ 一 Ａ；（１一Ａ ）・Ａ 一４×０．９０。×（１—０．９０）×０．９３。一０．２５２ 以此类推，可得ａ 一０．０８５，ａ ｓ一０．０３８， ａ６—０．００６，ａ７—０．００３，ａ８—０．００１， ａ９—０．０００，ａ１ｏ一０．００５， 则可用度向量Ａ为： Ａ＝（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６，ａ７，ａ８，ａ９，ａｌ０） 一（０．５６８，０．２５２，０．０４２，０．０８５，０．０３８， ０．００６，０．００３，０．Ｏ０１，０．０００，０．００５） ２．２确定可信性矩阵 因为舰艇从某一航速转变到２４ ｋｎ的时间较 短，可以认为在航速转变过程中，动力装置状态不 发生转移，所以动力装置在速度变化过程中的可 信性矩阵为１Ｏ阶单位矩阵，记为Ｄ 。因为在航 行过程中假设主机和锅炉是不可修复的，则动力 装置在保持２４ ｋｎ航行时的可信性矩阵Ｄ。为三 角矩阵，其对角线以下的所有项为零。 因为主机和锅炉的寿命和修复时间均服从指 维普资讯 http://www.cqvip.com ９ ６ ８ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ 基于可靠性和维修性的舰艇动力装置系统效能分析——张金辉谢骏 数分布，则每台锅炉的故障率为： １—１／１８０—０．００５ ６ 每台主机的故障率为： ２＝＝＝１／１８０—０．０００ ５ 则在任务期间（１ ｈ），锅炉的可靠度为： Ｒ１一Ｐ一 ｌ ＝ｅ一。・。。 一０．９９５ 主机的可靠度为： Ｒ２一Ｐ一 ２ 一ｅ一。。。。 一０．９９５ 以ｄ ，分别表示动力装置在任务期间从状态ｉ 转移到状态Ｊ的概率，则： ｄ 一Ｒ ・Ｒ；一０．９９５ ×０．９９５ 一０．９６８ ｄ ：＝＝Ｃ Ｒ｛（１一Ｒ ）・Ｒ； 一４×０．９９５。×（１—０．９９５）×０．９９５ 一０．０２２ 依次类推，可得可信性矩阵Ｄｚ为 Ｄ，一 ２．３确定能力矩阵 舰艇达到２４ ｋｎ的动力装置的能力矩阵为 Ｃ１一Ｅｏ．９７，０．９２，０．８７，０．８７，０．８７，０．８７，０，０，０，０３ 舰艇保持２４ ｋｎ的动力装置的能力矩阵为 Ｃ２一Ｅｏ．９０，０．８５，０．７５，０．７５，０．７５，０．７５，０，０，０，０３ ２．４运算 根据ｗＳＥＩＡＣ模型Ｅ—ＡＤＣ，可得舰艇能够 达到２４ ｋｎ的动力装置系统效能为： Ｅ１一ＡＤ１Ｃ１—０．９３２ 舰艇能够保持２４ ｋｎ的动力装置系统效能为： Ｅ２一ＡＤ２Ｃ２—０．８５１ 则舰艇能够达到并保持２４ ｋｎ的动力装置系 统效能为：Ｅ—Ｅ ・Ｅ 一０．７９３ ３ 动力装置主要系统的可靠性与维 修性对其系统效能的灵敏度分析 由以上计算可以看出，影响动力装置系统效 能大小的可靠性参数和维修性参数有亍 亍 、 础，分别改变它们的大小可得其对系统效 能的影响曲线，如图２、３。 ０ ０ ● ● ０ ９ ０ Ｏ ０ ０ ０ ０ ０ Ｏ ● ７ ● ＆． ０ ０ ■ ● ０ ０１ ９７● ０ ０ ０ ０ ０ Ｏ ０ ６ ９ １ ●● ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ｝ ０ ０ ３ ０ ● ０ ■ ０ ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ０ ０ ● ７ ２ ９ ； ● ● ０ ０ ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ０ １ ； ０ ０ ● ● ０ Ｏ ０ ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ １ ８ １＆－ ；● ● ● ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ９ ０ ０ １ ｝ ０ ０ ● ● ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ ０ ０ ０ ６ ６ ０● ０● ０ ０● ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ＴＪｈ ０ ０ １ ０ ０ ０ ０ ｌ‘ｕ 图２锅炉和主机的平均故障间隔时间 对动力装置系统效能的影响 图３锅炉和主机的平均修复时间 对动力装置系统效能的影响 由图２可以看出，Ｔ Ｔ 两曲线几乎重合， 可见作为动力装置的两大主要部件，锅炉和主机 的平均故障间隔时间对其系统效能Ｅ影响相当， 并且现有指标值Ｔｂｆ】一１８０ ｈ、Ｔｂｆ。一２００ ｈ均处于 对Ｔ 厂Ｅ曲线的饱和点，即这一指标稍微下降，系 统效能就会显著降低，所以当可靠性指标下降时， 应尽快通过维修等措施恢复其可靠性；而这一指 标上升，系统效能虽然也上升，但上升幅度不大， 所以当投入很大的费用进一步提高其可靠性时， 收益并不大。因此，为取得较高的效费比，这一指 标应该保持现有值或在现有值附近。 由图３可以看出，Ｍ Ｍｃ 对动力装置系统 效能影响都比较大，并且Ｍ础的影响更大些，这是 与锅炉作为动力装置的能量之源分不开的，因此 在动力装置设计和使用中应该重视维修性设计及 维修保障系统的建立和完善，并对锅炉及其系统 的设计和维修保障给以特别关注；从曲线来看，这 两个值越小越好，但维修保障费用会伴随这两个 ７３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第３期 船海工程 ＳＨＩＰ＆０ＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ｜３６ Ｎｏ．３ ２００７年６月 Ｊｕｎ．２００７ 文章编号 １６７１—７９５３（２００７）０３—００７４—０３ 关于内河航区船舶干舷核定问题的探讨 祝元胜许宴民 湖州市港航管理局 湖州 ３１３０００ 摘要通过对内河航道营运环境及船舶实际营运状况的调查分析，综合考虑内河货船主要的结构强 度问题，提出合理降低内河航区营运船舶干舷的可行性及必要性，认为此举有利于内河营运船舶经济效益的 提高，真正起到推动内河水路运输发展的作用。 关键词船舶干舷Ｕ６６３．３ 超载 文献标识码Ａ 中图分类号Ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｅｅｂｏａｒｄ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈｉｐｓ ｉｎ ｆｒｅｓｈｗａｔｅｒ ＺＨＵ Ｙｕａｎ－ｓｈｅｎｇ ＸＵ Ｙａｎ－ｍｉｎ Ｈｕｚｈｏｕ Ｈａｒｂｏｒ ａｎｄ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ Ｈｕｚｈｏｕ ３１３０００ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｆｔｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｌａｎｄ ｗａｔｅｒｗａｙｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｙ－ｃａｒｇｏ ｓｈｉｐｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｓｈｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｉｆ— ｙｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｅｅｂｏａｒｄ ｒｕｌｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈｉｐｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｉｎｌａｎｄ ｗａｔｅｒｗａｙｓ．Ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔＯ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｕｓｈ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｌａｎｄ ｗａｔｅｒｗａｙ ｓｈｉｐｐｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｈｉｐ ｆｒｅｅｂｏａｒｄ ｏｖｅｒｌｏａｄｅｄ 船舶于舷系指在船中两舷自甲板线上缘量至 载重水线上缘的垂直距离。船舶干舷又可分稳性 于舷是从考虑船舶形状和结构形式，以利船舶航 行防浪，具备一定的储备浮力的角度出发，制订的 最小干舷值。平常所说的船舶干舷一般也都是指 形状干舷，形状干舷的取值与安全性和经济性密 切相关，值得探讨。 干舷、强度于舷和形状干舷，实际所取的船舶干舷 值是三者中的最大值。稳性干舷和强度干舷是为 了满足规范对稳性和强度要求所取得的相应的干 舷值，在船舶设计过程中就给予了考虑。而形状 收稿日期 ２００６—０９—３０ 修回日期作者简介２００６—１２—０４ 祝元胜（１９６４一），男，学士，高级工程师。 １ 现状 Ｉ．Ｉ干舷核定依据 目前，船检部门根据《内河船舶法定检验技术规 则２（２００４年版，后面简称《规则》）来核定内河船舶 值的减小而有明显增加，这需要进行效费分析进 一靠性和维修性，还包括经济性、隐蔽性、安全性、生 命力等，因此需要建立一个更加综合的效能模型 来分析各指标对动力装置系统效能的影响，这有 待进一步研究。 参考文献 步研究。 ４ 结束语 综上所述，动力装置主要组成系统的可靠性 和维修性对其系统效能有着重要影响，将可靠性 和维修性指标参数保持在一定范围之内，既可以 Ｅ１］甘茂治，康建设，高 崎．军用装备维修工程学［Ｍ］． 北京：国防工业出版社，１９９９：１９０—１９１． 使动力装置很好的发挥其效能，进而保障舰艇发 挥其战斗力，又可以节省为要求过高的可靠性和 维修性指标而投入的巨额费用，由此也可以看出 对舰艇动力装置进行系统效能分析的意义重大。 需要指出的是，动力装置的效能指标不只包括可 ７４ ［２］吴晓峰，钱东．用于系统效能分析的ｗｓＥＩＡＣ模型 及其扩展［Ｊ］．系统工程理论与实践，２０００（８）：１—６． Ｅ３３高 尚，娄寿春．武器系统效能评定方法综述［Ｊ］．系 统工程理论与实践，１９９８（７）：１０９—１１４．