基于可靠性和维修性的舰艇动力装置系统效能分析

海军工程大学 船舶与动力学院 武汉 430033

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、解析法和层次分析法，其中解析法中的WSEIAC模型[1-3]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。

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、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。

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。

图1 某舰蒸汽动力装置原理

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50%，根据总功率损失的百分比可将动力装置的系统状态分为10种，见表1。

表1 动力装置的系统状态表

假设主机系统与锅炉系统的平均寿命和修复时间均服从指数分布。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间隔时间和平均修复时间，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

Ne=D2/3·v3·C-1

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

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：A1为每台锅炉的可用度，A2为每台主机的可用度，则

系统处于各状态的概率分别为：

=4×0.903×(1-0.90)×0.932=0.252

以此类推，可得a4=0.085，a5=0.038，

a6=0.006，a7=0.003，a8=0.001，

a9=0.000，a10=0.005，

则可用度向量A为：

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 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10阶单位矩阵，记为D1。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D2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数分布，则每台锅炉的故障率为：

λ1=1/180=0.005 6

每台主机的故障率为：

λ2=1/180 =0.000 5

则在任务期间(1 h)，锅炉的可靠度为：

R1=e-λ1t=e-0.0056×1=0.995

主机的可靠度为：

R2=e-λ2t=e-0.0005×1=0.995

以dij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：

=4×0.9953×(1-0.995)×0.9952

=0.022

依次类推，可得可信性矩阵D2为

D2=

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

舰艇保持24 kn的动力装置的能力矩阵为

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

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=AD1C1=0.932

舰艇能够保持24 kn的动力装置系统效能为：

E2=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=E1·E2=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

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

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。

[1] 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.

[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.

[3] 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.