船舶机械设备可靠性特点分析

罗梅杰 耿俊豹 谢 强

(1.海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室 武汉 430033) (2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)(3.91370部队 福州 350015)



船舶机械设备可靠性特点分析

罗梅杰1,2耿俊豹1,2谢 强3

(1.海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室 武汉 430033) (2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)(3.91370部队 福州 350015)

论文对可靠性的基本要点和船舶机械设备的共性特点进行了分析和阐述。着重归纳总结了船舶机械可靠性方面的特点和研究现状,最后结论得出只有改变传统的可靠性研究思维,依据机械设备可靠性特点,将多学科、新技术融入到机械设备的可靠性试验中,形成船舶机械甚至机械类系统化、综合化的可靠性试验方法,方能推动机械设备的可靠性研究更上一层。

可靠性; 可靠性试验; 机械设备; 船舶机械设备

Class Number TB114.3

1 引言

机械领域的可靠性研究起源于20世纪50年代,自从拉尼岑首次提出应力-强度的正态模型以来,许多学者在机械设备可靠性领域做出了卓越贡献[1]。机械设备在船舶、火箭、飞船、卫星等大型复杂系统占据了重要位置,尤其在船舶中占据了较大比例,船舶动力系统中大部分都是由各类机械设备组成,此外在船舶维修中,机械设备的检测、保养和故障维修也是重点内容。目前,对机械设备的可靠性特点的研究仍处于初期阶段,在船舶机械中时常出现对于单个设备的可靠性研究不彻底,可靠性评估和试验验证不充分就进行组装的情况,造成的后果就是在船舶整体试验试航时表现出可靠性不稳定。掌握船舶机械设备可靠性的特点从而开展合理的可靠性试验,及早发现机械设备的问题,将故障和隐患消除在萌芽阶段,可提升船舶任务成功率,降低后期维修费用,提高整体船舶可靠性。

2 可靠性概念基本要点

可靠性是指设备在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力[2]。设备的可靠性被赋予定性和定量两方面的要求,即一要能够完成此项功能,二要在定量的“规定”范围内做完。“三个规定”是定义某项设备可靠性如何,即是否可靠的前提,若不满足“三个规定”中任意一项,就可以认为该设备发生了故障。具体到船舶机械设备上面就是船舶中机械设备在海洋和机舱严酷条件下,仍可在其设计的性能指标之内完成规定的运行任务。船舶机械设备众多,甲板上的起锚机,绞缆机,辅助机械中的泵组,空压机等都属于船舶机械设备。船舶不但具有离岸作业的特点,而且长时间面对高温、高湿、高盐度的海洋条件,对船舶复杂机械设备在“三个规定”内完成此种功能的可靠性要求特别高。因此,研究船舶机械设备的可靠性特点具有重要意义。

3 船舶机械设备可靠性特点

与电子设备的可靠性研究相比较,现阶段的机械设备可靠性的理论和实践都还相对不成熟。机械设备的自身特点决定了进行机械设备可靠性试验的复杂性。由于技术保密、封锁等客观原因的存在,目前我国的机械产品可靠性的研究发展更加的缓慢,尚处于起步阶段。总体来说,船舶机械设备的可靠性有以下几个比较鲜明的特点。

1) 机械设备设计的标准化程度低,可靠性研究的通用性不强。

各类机械设备,特别是船舶机械设备由于其特定的功能,大都不是按标准化设计的,除了一些如齿轮、滚珠、轴承等基础要素固件,其余都是依据任务需求和结构特点进行设计,这就造成了设备的通用性不强,无法像电子设备那样建立系统的可靠性手册和试验规范,例如我国现有的可靠性试验标准GB/T5080可靠性试验国家标准就是以电子设备为蓝本制定的。对于机械设备的可靠性试验只能依据研制和实际使用的少量数据和经验情况来进行,困难较大。自上世纪90年代以来,我国大量专家学者对于机械设备的可靠性特点方面进行研究,孙毅刚[3]研究了液压泵在不同的条件下的部件疲劳、部件磨损、整机序贯寿命和整机磨损四种可靠性试验方案。王宏[4]以某中型号的飞机前起落架设计为例,分析了上位锁机构的FMECA,并根据其试验要求研发了锁机构功能可靠性试验系统,验证了其功能可靠性。张伟[5]依据GB/T24607-2009《滚动轴承寿命与可靠性试验及评定》,详细对滚动轴承的寿命以及可靠性试验进行了分析,提供相对统一的试验规范。GJB2432-95《舰船用离心泵通用规范》[6]中对离心泵的应力、寿命、部件结构、性能等作出了规范,但其可靠性试验是参考GB/T5080.7进行的。GJB2857-97《舰船螺杆泵通用规范》[7]中同样对舰船螺杆泵的各项设计指标作了规定,对于其可靠性要求和可靠性试验的要求却寥寥几笔。从文献分析可以看出,大量文献分析的目标相对单一,都是针对单一的某一特定机械产品进行分析,如泵、轴承、某机构等,这也是由于机械设备缺少共性特点导致的。在国军标中对于泵的设计,不同的泵结构,强度,应力要求和可靠性运转试验的标准都完全不一致,例如在离心泵标准中,对于可靠性运转试验就没有相关资料,而螺杆泵则要求至少400小时[7]。总而言之,机械设备在设计方面没有很强的通用性,对其可靠性的研究需要逐个部件,逐个系统的进行,工作量大而繁琐。

2) 机械设备失效机制多样,可靠性的基础理论薄弱。

统计指出,电子产品的故障多属于随机性故障,寿命服从指数分布[8]。电子技术的发展和电子产品可靠性理论的成熟也为电子设备的可靠性试验提供了充分的理论依据。相比与电子设备失效率一般为常数分布、可利用统计法进行描述的特点[9],机械设备多以疲劳、损耗、腐蚀的失效为主,它的运行过程本质就是一个随机过程,失效率往往随时间而增大,存在多种复杂失效机制,在不同的时刻的观测值是不可重复的,很难用直接测得的数据表征机器的状态。另一方面,机械设备往往是由成百上千个组件构成的,零件间存在耦合关系,决定了机械设备发生故障时候的多层性,即一个故障往往由多种原因引起的,故障和现象之间没有一一对应的因果关系[10],失效因素较为复杂。而船舶机械设备面对海洋高湿度高盐度腐蚀的影响更为厉害,同时自身也受磨损的影响,在理论上更加没有一个比较完善的试验解决标准。目前颁布的以电子产品为蓝本的可靠性试验理论对于机械设备的试验而言是不完全适用的。不充分的理论基础使对于机械设备在不同磨损和不同部位下对其的影响无法准备的得出结论,这就使机械设备的可靠性试验的困难程度大大提高。国内外专家学者针对机械设备可靠性试验理论基础困难的问题进行了研究,刘琦等[11]对于复杂系统(如船舶、飞行器等)的可靠性增长试验模型进行了研究。以子系统(如船舶机械设备)的可靠性增长规划进而满足复杂系统的可靠性增长需求。对于船舶这个复杂系统来说子系统特别是机械类等进行可靠性试验是繁琐复杂的,不恰当的试验得出的结果对于船舶整体可靠性试验来说是极为不利的因素。因此合理规划子系统来保证整体系统的可靠性性能对于工程实践作用很大。杨永健[12]把统计方法和主要考虑疲劳的失效物理方法进行比较,对船舶机械设备可靠性,有效性预计的定性和定量方法进行了研究。陈文华等[13]通过Weibull分布转化为指数分布,讨论了定数截尾下Weibull分布可靠性验证试验了制定方法,以某复杂条件下机械产品为例验证了该方法的准确性。通过对文献的分析发现,目前研究得更多的是可靠性的评估和试验方法,如试验的准备、实施、数据的分布拟合、参数估计等,没有建立一整套适用于机械产品的可靠性试验方案。

3) 机械设备的故障样本少,进行开展可靠性试验所需成本高。

船舶机械无论是总体还是单个部件大多都是典型的小子样装备。例如船舶阀门具有子样少、风险大、可靠性指标要求高、价格昂贵、一次性使用且一般为成败型等特点[14]。由于机械设备根据功能设计,通用性不强的特点,往往进行其可靠性试验时的试验台架都是依据设备设计的,这样就造成人力物力、资金和试验周期的增加。例如,在进行泵组的可靠性性能试验时,根据泵组的构造不同,需分成卧式泵开式池试验回路(Ⅰ)、卧式泵开式池试验回路(Ⅱ)、立式泵开式池试验回路、沉没式泵开式池试验回路。而由于开式池试验不能很好满足泵组的汽蚀试验的要求,又需搭建闭式试验池回路来进行,闭式试验池构造复杂,安装困难,造价高,这就直接造成了泵组进行可靠性性能试验时各项成本和试验周期的增加。为了解决小样子产品可靠性评估和无法大量试验的困难,部分学者对具有能融合试验数据和其他信息的作用的Bayes方法在机械设备可靠性评估和试验验证方面的作用进行了研究。邢云燕等[15]针对成败型系统,提出了变总体下的Bayes可靠性试验鉴定方法,利用最大熵法给出了产品可靠性的验前分布,减少了对正样阶段试验样本的需求量,很好地实现了小子样下产品的可靠性鉴定问题。李超等[16]以小子样机械产品为例,运用应用Bayes方法建立了加速试验下子样容量和可靠度等之间的关系,提出了控制产品承受最大应力的措施,保证了加速试验下产品的失效机理不发生变化。刘飞等[17]利用Bayes方法对指数产品可靠性增长试验进行了分析,通过Gibbs抽样算法得出不同阶段下产品可靠性的Bayes估计值,并以产品实例验证了模型的先进性。刘少刚等[18]结合了Bayes理论和相似性理论,利用历史先验信息并综合历史后验和后验分布得出某型特种阀门可靠性的置信下限,并在实践证明提高了对其可靠性评估的精度,减少现场试验样本数量,表明了方法的有效性。

4) 机械设备所处环境因素复杂,可靠性试验难度大。

与电子设备通常封闭和较为温和的环境而言,机械设备特别是船舶机械通常都暴露在高温、高湿、高噪、高盐度等恶劣的环境条件下,根据任务需求的不同,所处环境也大相径庭,而这些环境对于设备的可靠性影响是很大的。但在可靠性试验中,无法完全模拟如此恶劣的外界因素,这就造成了进行可靠性试验的难度大增。此时通常选择可靠性模拟运行试验,它用于工况非常特殊,试验内容超出常规的试验要求或试验介质的性质、试验温度及压力有特殊要求的场合下的试验。但由此造成的问题就是由于机械设备故障的特点模拟试验时无法对设备的可靠性进行现实环境下试验,得出的设备可靠性结论会有较大误差。

4 船舶机械设备可靠性展望

机械设备作为各类船舶的关键组成部分,其在可靠性方面发展也日益引起国内外的重视。可靠性试验作为可靠性的其中一环,在设备可靠性的研制、发展、完善中起到了至关重要的作用,我国虽然在这方面起步较晚,但发展势头良好。船舶机械设备的可靠性呈现出以下几个方面的发展趋势。

1) 试验由手动操作到智能化、自动化、仿真化的方向发展。

船舶机械设备可靠性试验由于机械设计、种类等的不同,往往数据量很大,美国可靠性分析中心针对各项机械设备可靠性试验数据的收集已建立起了庞大的数据库,这在进行船舶机械设备可靠性试验时候能够由计算机充分分析历史数据进行对比试验,使试验结果更加可靠可信。而随着数字化样机技术的发展,船舶机械设备的可靠性试验仿真技术方面也有望获得突破,在预测设备可靠性和寿命方面,可大大减少试验设备的数量,缩短研制周期,降低成本。

2) 微型化方向发展。

科技的发展使大量设备都日趋集成化,微型机械零件的用的更加广泛。微型机械和微型机电系统(MEMS)的可靠性试验的研究也快速发展,尤其是国外研究十分丰富[19～20]。首先,MEMS的失效机理与常规船舶机械设备相差很大,由于缺失宏观上的试验数据,当前对其失效机理知之甚少。其次,微型船舶机械设备无法通过一般船舶机械设备的可靠性试验方法进行试验与评定。在试验方法上也是很值得研究。

3) 多学科交叉综合化方向发展。

当前针对船舶机械设备的可靠性试验一是基本处于静态预测的状况,例如很多基于FAT方法进行可靠性预测分析的,无法本质上解决动态条件下问题。二是多数方法都基于数理统计的可靠性理论的方法,有其先天局限性。当前研究正逐步将模糊数学、神经网络、灰色系统理论等融入到船舶机械设备的可靠性试验之中,将使船舶机械设备的可靠性试验的理论取得进展。

5 结语

总而言之,正因为船舶机械设备按需设计灵活多变,失效机制多样化,故障具有多层性,小子样且环境应力因素复杂,试验验证困难等方面存在的特殊性,使得船舶机械设备可靠性方面虽然进行了大量的研究和论证却一直没有建立起系统完整的标准和行之有效的可靠性试验方案。特别是在当前船舶机械设备高性能化和结构复杂化,不断向高可靠度、高精度和高可维修性发展的趋势下,船舶机械设备乃至整个机械类产品的可靠性研究方面都还存在大量的理论和技术问题需要完善和解决,可靠性研究存在较多阻力。改变往常依赖电子产品可靠性试验的检验标准与方法,依据机械设备可靠性特点,不断创新思维将多学科、新技术融入到机械设备的可靠性试验中,形成自己系统化、综合化的可靠性试验方法,才会推动机械设备的可靠性研究更上一层。

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Reliability Characteristic Analysis for Ship Mechanical Equipment

LUO Meijie1,2GENG Junbao1,2XIE Qiang3

(1. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (3. No. 91730 Troops of PLA, Fuzhou 350015)

The basic points of the reliability and common characteristics of ship mechanical equipment are analyzed and expounded in this paper. Characteristics and research status of mechanical reliability of ship are emphatically summarized. Finally, a conclusion can be draw only by changing the traditional reliability research thinking which is based on mechanical equipment reliability characteristics and blended in multidisciplinary new technology to the mechanical equipment reliability tests. Ship mechanical equipment and mechanical reliability of systematic integration test method are found, so that it can promote the reliability of the mechanical equipment research progress.

reliability, reliability test, mechanical equipment, ship mechanical equipment

2015年1月7日,

2015年3月1日 基金项目:中国博士后科学基金(编号:2013T60921)资助。 作者简介:罗梅杰,男,硕士研究生,研究方向:可靠性,维修性,保障性工程。耿俊豹,男,副教授,硕士生导师,研究方向:可靠性,维修性,保障性工程。谢强,男,硕士,助理工程师,研究方向:舰船设备振动监测。

TB114.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.037