探讨单级船闸运行可靠性分析及提升措施

探讨单级船闸运行可靠性分析及提升措施

蓝玲玲

广西广投桥巩能源发展有限公司 广西来宾市 546119

摘 要: 船阀作为水运线路上最重要的设备之一，其安全性与稳定性直接关系到航线能否安全畅通。如何提升单级船阀的可靠性始终是业内相关人员所面临的困境之一。在本文中，笔者以某一单级船阀为例，对其进行了可靠性分析。具体做法为：对船闸系统功能和结构进行分析，并以分析的结果为基础绘制出可靠性框图，建立起可靠性模型。将近年来该船阀内部各设备的检修、更换资料带入至可靠度模型中，以此来对该单级船阀运行可靠性进行分析，并结合分析的结果找出系统相对薄弱的环节，制定针对性措施。

关键词: 单级船闸; 可靠性分析; 可靠性模型

前 言

船闸是航道上最重要的设备之一，其主要作用在于帮助来往的船舶克服航道上的水位落差，保证船舶的正常通行。可以说，船闸在水运领域内有至关重要的作用。随着我国经济水平的不断提升，无论是国内贸易还是国际贸易都越发频繁。水运作为低能耗、高承载力的优质运输方式，在我过物流体系中扮演着重要的角色。截止目前，以长江、珠江以及淮河等为主体的内河水运体系已经初步建设完成。因此，内河水运的吞吐量将会在未来与日俱增。但同时，船舶过闸的高效需求与船闸实际通行能力不足之间的矛盾也越发明显。在此背景下，对船闸运行的可靠性进行研究，制定出能够提升船闸可靠性的具体措施，从而提升过闸安全性和过闸效率就显得尤为重要。这是行业发展所必须经过的阶段，也是新时期可持续发展的必然要求。

1某单级船闸可靠性分析

所谓的可靠性技术，就是指为了降低船闸在运行的过程中出现故障而采取的所有方法。关于可靠性的解释一般有两种：（1）产品在规定的条件下完成规定功能的能力。对于船阀而言，就是在规定的时间内安全稳定运行的能力。（2）除了（1）中的内容外，还包含了可用性和维修性。而对可靠性进行量化的度量就是可靠度，可靠度实际上是对概率的一种度量。

1.1船闸系统可靠性框图

可靠性框图的本质是一种逻辑图。其建立的依据是从系统可靠角度对系统的整体与局部之间的关系进行研究，是系统单元及其可靠性意义下连接关系的图形表达。可靠性逻辑框图的应用领域非常广泛，其主要用途是对某个系统的可靠性进行分析，找出其与设计阶段可靠性的差异，对其中影响系统整体可靠性的环节进行改进，从而提升系统的整体可靠性。在本文中，研究的系统是某一实际存在的船阀，而其各个零部件则是局部分析的对象。如下：

图1 某单级船阀功能结构简图

从上图中可以看出，该单级船阀的结构相对比较简单，主要由“人字门”、“充/泄阀门”以及各种启闭机构成。总共有17套设备，看作是该系统的17个组成零件。每一个零件所对应的功能都在右侧对应位置得到了体现。如电气控制系统的主要功能在于实现船闸运行时的自动化控制。根据上述简略版本的结构功能图，笔者绘制了如下所示的可靠性框图：

图2 某单级船阀可靠性框图

^由图中可看出^{，每一个Xn所代表的就是功能结构简图当中的一套设备。而在模拟抽象出来的17个设备系统中，同时出现了并联与串联两种连接方式。众所周知，对于串联的设备系统而言，只要线路上任意一个设备系统出现故障，那么整个系统就无法正常工作。而对于并联的部分，只要存在支路可供选择，即便局部存在故障，整个体系也依旧可以正常发挥功能。结合上图以及串联系统和并联系统可靠度计算方法，得出该单级船阀可靠度的计算公式：}

^{R0=R1R2R3R4R5R6R7R8R17×[1-(1-R9R11)(1-R10R12)]×[1-(1-R13R14)(1-R15R16)]}

1.2船闸设备可靠性框图

在系统可靠性框图中，笔者以该船闸17个系统为基础单元做了可靠性计算，并给出了相关的计算公式。为了使可靠性模型更加精准，下面采用同样的方法来对该船阀17个组成系统中的某一个进行设备可靠性分析。此处采用的例子是输水阀门，其中功能结构图与可靠性框图的绘制方法与上一节中完全相同，不再赘述。结果如下：输水阀门可靠性模型是一个串联模型，其四个主要零部件在该模型中都是相互串联的，因此得到计算公式如下：

R_m=R_xm1R_xm2R_xm3R_xm4 （其中，Rm为可靠度）

按照同样的方式，可以得到系统中其他子系统的可靠性框图。并且可以对框图做一个更加细致的划分。对每一个部件中的每一个零件都进行类似的分析，最终可以得到以元器件为组成部分的可靠性逻辑框图。根据可靠性框图能够得到每一个元器件的可靠性计算公式。需要注意的是，这里所说的元器件并不一定是指不可以再进行拆卸和分割的最先零部件。而是根据实际的需求所选取的最小结构单元。例如，对于一个门体而言，若果该船阀在对其进行维修时，一般采用的方法是直接更换一个新的门体，那么此处的元器件就是这个门体。而如果维修方法是通过拆分来更换某些更小的零部件，那么元器件就应该是更小的零件，而不是门体。

当所有元器件的可靠性指标都以及获取时，就可以从下往上，通过逐级逆推的方式来进行计算，最终能够计算出整个系统的可靠性。而且计算值相当准确。

2船闸运行可靠度计算

2.1可靠度计算方法

一般来说，可靠度和故障率之间是存在一定的联系的。其计算公式为

在此公式中，R(t)为可靠度函数，其结果就是我们所要求的可靠度。而λ（t）则是设备或元件的故障函数，参数t表示时间。从前文对可靠度的阐述可以知道，可靠性指的是一个系统或者一件产品（此处的研究对象为单级船阀），在规定的条件下完成规定功能的能力。时间就是规定条件中很重要的一环。也就是说，此处的可靠度可以理解为船阀在时间t内不失效的概率。而失效概率函数是较为容易获得的，因此可以以此来标的系统的可靠度函数：

R(t)=1-F(t)

其中F（t）为失效概率函数。

对于本文中所研究的单级船闸而言，其可靠性表述为在规定的条件下（包含时间），使得过往船舶能够正常通过船闸的能力。正常的通过指的是船舶能够经过船闸从上游到达下游或者从下游去往上游。船闸中的不同设备在船闸正常运行的过程中发挥着不同的作用，如控制、输水等等。而失效也表示船闸内的这些设备不再具有这些功能。一般来说，设备实现失效分为两种情况：（1）设备本身存在机械故障，必须要更换相关零部件或者检修之后才能够恢复相关功能。（2）设备的功能由于受到环境因素的制约而使得其无法正常发挥，一旦恢复到合适的环境，这些功能又能够正常发挥。前者是停航，后者是停机，这二者之间的区别在计算可靠性时尤为重要。综上所述，船闸各个部件失效的概率计算公式如下：

式中n_j为为设备部件检修停机等效闸次数。

经过以上的公式推导以及可行性分析流程，笔者对所研究的这一单级船阀进行了实际的测算，结果如下：

在本次所研究的单级船阀中，可靠性最高的是人字门以及其所配备的启闭器，在长达三年的时间跨度内基本没有发生过一次失效的现象。电气系统的可靠度是所有系统中最低的，其原因可能是因为其工作的环境过于潮湿，使得内部的线路和其他各种零部件容易出现损耗和故障。此外，输水阀门的可靠度也相对较低。在所有的闸、阀系统中，止水都是其中最容易发生失效事故的环节。因为其材质以橡胶为主，而随着时间的推移橡胶容易发生老化而导致性能下降。在启闭机械中，最容易发生故障的是油泵以及其中的机电设备。

3船闸运行可靠性提升措施

在上述的分析中可以得知，整个船闸系统的可靠性受到其内部的所有零部件的影响。而在所有的零部件中，有些是可靠性非常低的零部件，正是由于这些零部件的存在，使得船闸系统的整体可靠性大幅降低。而另外一些零部件的可靠性较高。因此，在制定可靠性提升措施时，要尤其关注可靠性低的系统或零部件。具有措施如下：

1. 对可靠性较低的设备进行技术改造。部分元器件的可靠性不足是由多方面的原因导致的，例如过度疲劳、环境不适宜、材料选择不适宜等。对于能够从生产和安装技术上进行改造的设备，要结合其实际的工作环境和工作强度，在材料的选择以及生产工艺和安装技术上加以改进。例如：对船闸内的传感器进行优化升级，研发水位计自动校准系统等。

2. 缩短重要设备的检查周期。船闸并不是24小时不间断工作的，需要停机检修。那么在进行检修工作时，应该增加对重要设备的检查评率，一旦发现有故障或者损坏，那么在停机期间就应该及时调整，避免影响船闸正常的运行。

3. 对重要设备采取冗余政策：从前文中串联和并联的可靠性计算差异就可以直到，要想提升系统的整体可靠性，就应该减少串联设备，即为串联设备设置冗余。例如，在阀门启闭机内的油泵电机组是关键设备，且容易发生故障。因此，可以设置一套备用的电机组。类似的，可以将自动控制网络设置为双环网。冗余并不是浪费，而是确保在某一关键设备出现故障的情况下，能够保证整个系统依然可以正常运行。

4. 制定设备维护规范性文件，并严格落实。很多故障的出现都是由于检修的过程中，检修人员没有按照相关标准来开展检修工作造成的。因此，要加强对设备的维护就应该做到定期按照相关标准来开展各项设备维护工作，将安全隐患消灭在摇篮中。

5. 提升船闸检修技术，缩短检修时间。近年来，有很多先进的快速检修技术相继被人提出，如人字闸门同步顶升系统，闸阀门启闭机金属结构检测装置 ，水下机器人摸探系统等。

4结 语

船闸对于水运的作用是有目共睹的，其运行状况的好坏产生的影响是非常深远的。从小的方面来说，直接决定了过往船舶能否在规划的时间内通过某段流域，从大的方面来说，他关系到我国交通运输业的经济效益。因此，对船闸可靠性进行评估是至关重要的。笔者在本文中提出的借助船闸各级系统单元可靠性框图以及设备日常运行相关数据来对船闸进行可靠性分析的方法是非常有效的。它不仅能以数据的形式反应船闸的整体可靠性，而且能够找出整个系统中的薄弱环节，为日后的维护和检修工作提供参考。为了提升船闸的可靠性，笔者建议对船闸的电气系统以及其他重点系统实施冗余措施，避免高度串联化。对于一些大型船闸，建议定期开展可靠性分析，将最终的可靠框图落实到元器件，并逐步建立起元器件失效数据库，以为后期工作的开展打下基础。

参考文献

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