【文章內(nèi)容簡介】 和定性地分析影響船舶柴油機(jī)的可靠性的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而提出提高船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置可靠性的有效措施。本論文的研究特點(diǎn)、或是與其他人研究內(nèi)容的區(qū)別、特色主要在于從船用柴油機(jī)管理使用的角度出發(fā)探討可靠性問題。論文的主要內(nèi)容可歸納為：1）用概率統(tǒng)計(jì)的方法，定量和定性地分析、計(jì)算船用柴油機(jī)的可靠性。2）確定柴油機(jī)及零部件可靠性的科學(xué)的評價(jià)指標(biāo)3）進(jìn)行磨損分析，目的是對零、部件的缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)并預(yù)報(bào)其壽命。4）分析船用柴油機(jī)可靠性與整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)、保養(yǎng)維修、操縱使用、零備件儲(chǔ)備的關(guān)系，掌握船舶動(dòng)力系統(tǒng)整體可靠性，確立各設(shè)備可靠性對整體影響的評價(jià)方法。5）對影響船舶柴油機(jī)的可靠性的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行剖析。6）分析人為因素對船舶柴油機(jī)可靠性的影響。7）提出提高船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置可靠性的有效措施。第二章 船用柴油機(jī)可靠性的理論分析可靠性的定義是指零部件(或系統(tǒng))在規(guī)定的時(shí)間和條件下，完成規(guī)定功能能力的特性。在定義中包含了可靠性的對象、規(guī)定的功能、規(guī)定的條件、規(guī)定的時(shí)間四大要素。（1）可靠性對象 包括系統(tǒng)、機(jī)器、零部件等。它可以是非常復(fù)雜的產(chǎn)品，也可以是一個(gè)簡單的零件。單個(gè)零件，如機(jī)械零件的齒輪、軸、彈簧等；機(jī)器，如發(fā)動(dòng)機(jī)等。如果對象為一個(gè)系統(tǒng)，則它不僅包括硬件(系統(tǒng)本身)，而且包括軟件和人的因素在內(nèi)。 （2）規(guī)定的功能 系指零部件系統(tǒng)的預(yù)期功能，即它應(yīng)實(shí)現(xiàn)的使用目的。如果對象在實(shí)際使用中，不能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能時(shí)，就稱為對象發(fā)生故障或功能失效，反之則稱為對象可靠，能正常工作。功能失效在研究對象的可靠性時(shí)必須明確。例如一臺(tái)8缸柴油機(jī)，當(dāng)有一個(gè)缸發(fā)火不良，而其他7個(gè)缸正常，柴油機(jī)仍能在規(guī)定的時(shí)間的完成運(yùn)輸功能；這時(shí)就不一定算功能失效；如果8個(gè)缸發(fā)火都有毛病，直到完全熄火，這時(shí)就應(yīng)稱為功能失效。一般地，功能失效是一個(gè)模糊的界限，不容易分清。（3） 規(guī)定的條件 包括環(huán)境條件、維護(hù)條件及使用條件。環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)、潤滑狀況等；維護(hù)條件，如能否維修保養(yǎng)、維修條件、使用者的技術(shù)水平等；使用條件，如使用方法、使用頻率等。對象如果超載運(yùn)行、誤用、操作不當(dāng)或故意的破壞行為等情況均會(huì)產(chǎn)生對象的功能失效，故研究對比可靠性必須規(guī)定條件。（4）規(guī)定的時(shí)間 是指對象的工作期限，或經(jīng)濟(jì)壽命期(ELT)，可以用時(shí)間表示，也可以隨對象的不同采用諸如次數(shù)、周期、距離等表示。表示產(chǎn)品總體可靠性水平高低的各種可靠性數(shù)量指標(biāo)稱為可靠性特征量。2 .廣義可靠性與狹義可靠性系統(tǒng)、機(jī)器、零部件等一般隨著使用時(shí)間的增長會(huì)產(chǎn)生損壞或故障，當(dāng)發(fā)生故障一般有兩種處置方式，即廢棄或修復(fù)故障恢復(fù)功能繼續(xù)使用。針對廢棄的不可修零部件而言，它們的可靠性稱為狹義可靠性，而后一種可按系統(tǒng)、機(jī)器的可靠性稱為廣義可靠性。它除考慮狹義可靠性外還要考慮發(fā)生故障后修理的難易程度即維修性。狹義可靠性、維修性和廣義可靠性三者之間存在下述關(guān)系，即：狹義可靠性十維修性＝廣義可靠性3 .固有可靠性和工作可靠性固有可靠性是設(shè)計(jì)時(shí)賦予機(jī)械或設(shè)備的內(nèi)在可靠性，是設(shè)計(jì)部門在模擬實(shí)際工作環(huán)境條件下，根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)性能要求，通過可靠性預(yù)測分配，可靠性試驗(yàn)、可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)所確定的可靠性。工作可靠性是指除因制造工藝、環(huán)境、維護(hù)水平、維修方式與人為因素等影響后系統(tǒng)或部件實(shí)際所具有的可靠性，也就是該系統(tǒng)或部件在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的實(shí)際可靠度。固有可靠性與工作可靠性間的關(guān)系可用下式表示: R=KR。 （）式中: R為工作可靠性。 R。為固有可靠性。K為折扣率。通過設(shè)計(jì)、制造形成的系統(tǒng)、零部件等可靠性稱為固有可靠性，而系統(tǒng)等在廣義使用條件的作用下，保證固有可靠性的發(fā)揮程度稱為使用可靠性，一般地；它們使下式成立：固有可靠性≥工作可靠性在使用中，固有可靠性與工作可靠性的綜合，則形成了系統(tǒng)的工作可靠性。為了評價(jià)柴油機(jī)機(jī)械零部件、機(jī)器、系統(tǒng)等的可靠性，必須對可靠性制定一些行之有效的指標(biāo)，并加以數(shù)量作為衡量可靠性的尺度，而且可靠性這一重要質(zhì)量指標(biāo)的數(shù)量化也是可靠性學(xué)科誕生的標(biāo)志之一。衡量可靠性的尺度主要有可靠度、失效率、平均壽命、維修度、有效度、重要度等。可靠性的尺度具有以下特點(diǎn)： (1)具有多指標(biāo)性。在不同的場合和不同的情況下，可用不同的指標(biāo)來表示系統(tǒng)等的可靠性。(2)具有隨機(jī)性。對象在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持正常功能的可靠性是隨機(jī)，一般用概率方法進(jìn)行定量衡量。(3)具有定量表示的時(shí)間性，即定量指標(biāo)多是時(shí)間的函數(shù)。(reliability)可靠度系指零部件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能正常行使功能的概率。一般記為R，它是時(shí)間t的函數(shù)，記為R(t)，稱為可靠度函數(shù)。如果用隨機(jī)變量T表示零部件或系統(tǒng)從開始工作到發(fā)生失效或故障的時(shí)間，其分布函數(shù)為f(t),若用t表示某一指定時(shí)刻，則該零部件或系統(tǒng)在t時(shí)刻的可靠度為： R(t) ＝ P(E) ＝ P(Tt)= ()與可靠度對立的是不可靠度，它表示零部件或系統(tǒng)的不可靠程度，也稱累積故障概率、失效分布函數(shù)、壽命分布函數(shù)、故障分布函數(shù)等。即： F(t) ＝ P() () 可靠度與不可靠度存在下述關(guān)系，即R(t)與F(t)互補(bǔ)。 R(t) 十F(t)＝l () 分布函數(shù)f(t) 也稱產(chǎn)品壽命的概率、故障密度函數(shù)、失效密度函數(shù)等。即： F(t) = （）. 故障率（失效率）(failure rate) 故障率系指零件、系統(tǒng)工作到t時(shí)刻后在單位時(shí)間內(nèi)失效的概率，一般記為λ,它是時(shí)間的函數(shù),記為λ(t),它反映了研究對象在任一瞬時(shí)故障概率的變化趨勢。設(shè)有N個(gè)零件，從t ＝0開始工作，到時(shí)刻t時(shí)失效總數(shù)為n(t)，則殘存數(shù)N — n(t)，又設(shè)在(t+Δt)時(shí)間內(nèi)又有Δn(t)個(gè)故障，則定義時(shí)刻t的故障率為 ()將另部件或系統(tǒng)的故障率λ(t)隨時(shí)間變化的函數(shù)用曲線在坐標(biāo)上表示，則反映了零件、系統(tǒng)工作全過程的故障趨勢變化情況。它的形狀與浴盆的剖面十分相似，故又稱為浴盆曲線，它反映了失效的三個(gè)特征時(shí)間期。（ 失效率曲線）(1)早期失效期 它的特征在于一開始工作對失效率較高，但隨工作時(shí)間的增長呈下降趨勢。通常是由于設(shè)計(jì)、制造、工藝缺陷或檢驗(yàn)等原因引起的，它可以通過篩選、檢驗(yàn)、強(qiáng)化試驗(yàn)等方法加以排除。(2) 隨機(jī)失效期 它的特征是失效率很低且在數(shù)值上基本保持恒定，失效處于完全不可預(yù)測的狀態(tài)。零部件或系統(tǒng)的失效是由偶然原因所引起的，這一時(shí)期是零部件或系統(tǒng)的正常工作時(shí)期，因此總希望其失效率低且持續(xù)時(shí)間長。(3) 耗損失效期 它的特征是失效率隨時(shí)問逐漸上升，且上升趨勢較快；此種形式多見于機(jī)械零件的磨損壽命。該類型的失效是由零部件或系統(tǒng)的耗損與老化所引起的，一般可以通過“事前維修”采加以防止。 失效率曲線 平均壽命對不可修與可修的零部件或系統(tǒng)其含義不同。針對不可修系統(tǒng)是指它的平均無故障工作時(shí)間MTTF(Mean Time To Failure) ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ()式中，N為樣品數(shù)；ti為第i個(gè)零件的無故障工作時(shí)間。對可以修復(fù)的系統(tǒng)而言平均壽命系指平均故障間隔時(shí)間MTBF(mean time between failure),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （）tIj為第i 個(gè)零件的第j次故障間隔時(shí)間；ni 為第i 個(gè)零件的故障數(shù)；N為零件的總數(shù)。. 可維性(Serviceability)與維修度（maintainability） 柴油機(jī)中一些簡單而成本低廉的零部件，如螺釘、螺母等常作易耗品對待，不再進(jìn)行修復(fù)，但是許多部件在事故以后通過修理和更換危險(xiǎn)零件又能恢復(fù)使用。有些部件在服務(wù)期內(nèi)是多次修復(fù)的。當(dāng)柴油機(jī)因故障而失效對，必須維修才能恢復(fù)其正常功能，保證柴油機(jī)的可靠性。因此，可維性就成為衡量柴油機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。維修(service)是指為保持和恢復(fù)產(chǎn)品完成規(guī)定的功能而采取的技術(shù)和管理措施。所謂可維性是指系統(tǒng)在給定時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到能完成規(guī)定功能的能力。它通常從判定故障到排除故障所需要的時(shí)間，包括故障診斷、故障定位、系統(tǒng)校正和恢復(fù)等時(shí)間，它是柴油機(jī)系統(tǒng)維護(hù)效率的度量。維修度系指可修的系統(tǒng)、機(jī)器或零部件等在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可隔離故障或完成維修的概率，用M(t)表示。它表征了系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的概率。它是自動(dòng)故障處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)，也是反映維護(hù)人員對系統(tǒng)保養(yǎng)好壞程度的一個(gè)重要指標(biāo)。維修度與可靠度相對比知它們均是時(shí)間的函數(shù)，且都是用概率來度量的，但它們之間具有不同點(diǎn)，即維修度還與人的因素有關(guān)，一般地維修度受到以下三個(gè)因素的影響。①受承受維修設(shè)備的影響，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上故障發(fā)生是否容易發(fā)現(xiàn)和易于排除。②維修技術(shù)人員水平的高低。③維修條件，維修設(shè)備與工具的先進(jìn)性及是否齊備。維修率是指修理時(shí)間已達(dá)到某一時(shí)刻。但尚未修復(fù)的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)完成修理的概率，通常用μ來表示。平均修復(fù)時(shí)間是指產(chǎn)品修復(fù)時(shí)間的平均值,用MTTR(Mean Time To Repair)來表示。修復(fù)時(shí)間是從發(fā)現(xiàn)故障到產(chǎn)品恢復(fù)到規(guī)定的功能所需的時(shí)間，即故障診斷(定位故障)、修理準(zhǔn)備、實(shí)施修理、恢復(fù)檢驗(yàn)系統(tǒng)等所用的時(shí)間,其中費(fèi)時(shí)最多的是故障的診斷。修復(fù)時(shí)間是隨機(jī)變量。當(dāng)維修時(shí)間服從指數(shù)分布時(shí),MTTR = ()系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間MTTR和平均無故障時(shí)間有關(guān)。從提高系統(tǒng)可用性角度來看，提高M(jìn)TTR比減少故障數(shù)更為有效。要提高M(jìn)TTR，必須首先提高故障診斷的速度，同時(shí)重視可維性設(shè)計(jì)。維修度是對可能維修的部件、設(shè)備、系統(tǒng)在規(guī)定條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按規(guī)定的程序和方法完成維修的概率。(availability) 有效度是將可靠度與維修度綜合起來的一個(gè)可靠性評價(jià)尺度。它表示系統(tǒng)、機(jī)器或零部件在規(guī)定的使用條件下使用時(shí)，在任意時(shí)刻正常工作的概率。一般地對可修產(chǎn)品的可靠度，若發(fā)生故障但因能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)修復(fù)后又能正常工作，從而使系統(tǒng)、機(jī)器或零部件處于正常工作的概率增大。有效度是可用性的數(shù)量化表示。它可用下式來計(jì)算： A= ( )有時(shí)，有效度也用下式計(jì)算；A= （）式中、MUT為可能工作的可用時(shí)間，MDT為不可能工作的停用時(shí)間. 有效度可分為瞬時(shí)有效度、平均有效度和穩(wěn)態(tài)有效度三種。瞬時(shí)有效度(Instantaneous Availability)是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下使用時(shí)，在任意時(shí)期完成規(guī)定功能的概率。平均有效度(Mean Availability)是指在某個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有效度的平均值。穩(wěn)態(tài)有效度(steady Avaibility)是當(dāng)時(shí)間趨于無限時(shí)有效度的極限值。通常所說的有效度A 是指穩(wěn)態(tài)有效度。(importance) 重要度是指系統(tǒng)或機(jī)器的某構(gòu)成部分發(fā)生故障時(shí)、能引起系統(tǒng)或機(jī)器發(fā)生故障的概率。重要度E = ( )所謂故障模式是指故障發(fā)生時(shí)的具體表現(xiàn)形式，即故障現(xiàn)象的一種表征。如磨耗、振動(dòng)、歪斜、變形、松弛、龜裂、破損、泄露、堵塞、粘結(jié)、發(fā)熱、燒損、脫落、短路、斷路、導(dǎo)通不良、絕緣破壞等。一般來說，某種功能故障發(fā)生往往是由許多種故障模式中的一種或數(shù)種造成的。確定了故障模式，并不等于找到了故障部位。要證實(shí)故障的實(shí)際部位，還應(yīng)進(jìn)行故障的查找與分離。所謂故障機(jī)理是指誘發(fā)零件、部件、設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生故障的物理、化學(xué)、電學(xué)與機(jī)械過程也可以說是形成故障源的原因。故障機(jī)理依產(chǎn)品的種類、使用環(huán)境而異。通常以磨損、疲勞、腐蝕、氧化、老化、衰退等形式表現(xiàn)出來。在實(shí)際應(yīng)用中，故障模式與故障機(jī)理之間有時(shí)不太容易區(qū)別。一股說來，故障機(jī)理往往依系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件材料的不同而異，有的用最基本的形態(tài)來表達(dá)，有的則與設(shè)計(jì)、制造、使用等階段聯(lián)系起來，其分類顯得比較詳細(xì)、具體。故障模式并不揭示故障的實(shí)質(zhì)原因。通過故障機(jī)理研究，才有可能找到從根本上提高系統(tǒng)可靠性的有效方法。在研究故障機(jī)理時(shí)，需要考察的基本要素至少有三個(gè)：(1)對象。指發(fā)生故障的對象本身，其內(nèi)部狀態(tài)與結(jié)構(gòu)對故障的抑制與誘發(fā)作用，即內(nèi)因作用，如系統(tǒng)或設(shè)備的功能、特性、強(qiáng)度、內(nèi)部應(yīng)力、內(nèi)部缺陷、設(shè)計(jì)方法、安全系數(shù)、使用條件等。(2)原因；能引起設(shè)備與系統(tǒng)發(fā)生故障的破壞因素，如工作應(yīng)力(負(fù)荷、電流、電壓、輻射能等、環(huán)境應(yīng)力(溫度、濕度、放射線等)、人為的失誤(誤操作、裝配 錯(cuò)誤、調(diào)整錯(cuò)誤等)以及時(shí)間因素(環(huán)境等的時(shí)間變化、負(fù)荷周期、環(huán)境的劣化等)等故障誘因。(3)結(jié)果。指輸出的異常狀態(tài)、故障模式等，或者說(2)(原因)作用于(1)(對象) 的結(jié)果。(1)的狀態(tài)超過某種界限，就作為輸出而發(fā)生故障，即(3)(結(jié)果)。一般說來，故障模式反映著故障機(jī)理的差別，但是，故障模式相同，其故障機(jī)理不一定相同。同一故障機(jī)理，可能出現(xiàn)不同的故障模式。根據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，機(jī)電零部件所發(fā)生的最基本的故隨機(jī)理有蠕變或應(yīng)力斷裂(S：Stress)、腐蝕(C： Corrosion)、磨損(w：Wear)、沖擊斷裂(I：Impact)、疲勞(F：Fatigue)和熱(T：Temperature)等六類，簡稱SCWIFT分類。其中磨損占的比例最大。對船用柴油機(jī)來說，其故障具有不同的性質(zhì)。故障產(chǎn)生的原因，相互聯(lián)系，消除的方法和結(jié)果，都以不同的方式影響船舶的運(yùn)行。列表11。表11 故障的分類分類的特征形式特點(diǎn)產(chǎn)生的性質(zhì)突發(fā)性；瞬間：零件折斷、密封裝置破裂等 產(chǎn)生的原因：隨機(jī)性的外部負(fù)荷、結(jié)構(gòu)缺陷等漸進(jìn)性逐步改變 ，可預(yù)防 。產(chǎn)生的原因：材料的磨損、銹蝕、疲勞和蠕變等產(chǎn)生的原