黃 明

(中海油田服務(wù)股份有限公司船舶事業(yè)部 湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524000)

為了確保航行和作業(yè)安全，船舶會根據(jù)需求，準備足夠的機器備件，避免由于備件不足而使航行或作業(yè)過程中發(fā)生機器故障甚至事故。船舶備件種類繁多，且數(shù)量巨大，部分關(guān)鍵部件的價格十分昂貴，因此船舶不可能將機器設(shè)備所需的所有零部件都儲備在船上，而是挑選出易損、易耗或重要部件，并且滿足要求的數(shù)量儲存在船上備用。如何確定船舶所需配備備件的種類、數(shù)量，及如何管理船舶備件，是船舶公司面臨的一大難題，也是船舶公司管理的重要內(nèi)容。

1 可靠性相關(guān)理論

可靠性是指某備件的工作強度和工作壽命能否達到設(shè)計標準。可靠性主要是以產(chǎn)品的工作時效作為主要的研究對象，并對產(chǎn)品出現(xiàn)故障的頻率和導(dǎo)致故障變化的因素進行研究，最終依據(jù)研究得出的故障頻率數(shù)值作為可靠性的參考指標。備件的可靠性與其原設(shè)計性能、儲存、維護保養(yǎng)、使用條件、使用時間息息相關(guān)。備件使用過程中均會出現(xiàn)磨損，研究其磨損規(guī)律有助于對其可靠性的研究。

2 備件磨損規(guī)律

機械零件的磨損過程通常分為3個階段，因其磨損特性曲線如浴盆形狀，故稱為浴盆曲線，如圖1所示。圖1中的曲線代表一定時間范圍內(nèi)的零件磨損程度，機械設(shè)備在生產(chǎn)完畢后，都需要一定的時間進行磨合,新零件通過磨合，達到最佳工作狀態(tài)，這一過程的磨損率也較高，隨著磨合時間的延長，磨損率逐漸下降。然后進入一個較長時間的穩(wěn)定期，期間磨損率較小且?guī)缀醣３植蛔?，這段時期稱為隨機故障期。直至再次進入一個磨損率較高的時期，備件在這個時期內(nèi)隨時都有可能產(chǎn)生損壞現(xiàn)象，這被稱為損耗故障期。

圖1 磨損特性曲線

3 備件壽命類型

所謂備件可靠性是指備件無故障，可以使用的年限，通常用概率表示。因為船舶備件在數(shù)量上與種類上都非常多，設(shè)定的分類標準不同，得到的類型劃分也不同?；诹慵勖M行劃分，可將船舶零件分為如下類別：指數(shù)壽命件、正態(tài)壽命件、威布爾壽命件等[1]。

指數(shù)壽命件是指備件使用一段時間后其故障率基本不變，依然與新備件相同。此類備件一般具有恒定的故障率，例如二極管、三極管及其他半導(dǎo)體元件、印刷電路板、集成電路等[2]。

正態(tài)壽命件是指因損耗、侵蝕、老化而失去工作強度的時效分布，主要表現(xiàn)在零件材料強度不能達到工作需求的強度分布，以及零件材料理論壽命的分布狀態(tài)。由于導(dǎo)致零件失效的因素有很多，無法確定主要的影響因素時，可以根據(jù)材料正常狀態(tài)下的影響因素進行分析。在眾多的船舶機械備件中，具有比較明顯磨損痕跡的金屬備件多為正態(tài)壽命件，例如某些半導(dǎo)體器件、晶閘管、變壓器、蓄電池、航行燈等。

威布爾壽命件可以完整的表現(xiàn)零件的材料屬性缺陷和影響材料時效的因素，并且可以反映動態(tài)失效率，適用于機電類產(chǎn)品的磨損累積失效的分布形式，例如滾動軸承、泵葉輪、齒輪、電位計等。

備件按照對發(fā)生事故或生產(chǎn)影響的嚴重性可分A、B、C 3類。A類為關(guān)鍵性設(shè)備，該類設(shè)備停工會導(dǎo)致生產(chǎn)停止或者引發(fā)生產(chǎn)事故，需要重點關(guān)注；B類為輔助性設(shè)備，該類設(shè)備停工不會導(dǎo)致生產(chǎn)停產(chǎn)或者引發(fā)事故，做為次重點關(guān)注；C類為通用物質(zhì)，作為生產(chǎn)輔助用料，通常為具有較強通用性，暫時性缺貨影響不大。

根據(jù)設(shè)備的A、B、C分類，確定設(shè)備需要可靠運行的保障時間T和為保證可靠度R(一般為0.95)所需要的各種備件，統(tǒng)計設(shè)備的平均失效率，確定分布類型。R是指當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障需要維修更換備件時，能夠提供新的備件的概率，確定該備件的配型后，可以通過R進行計算得出該備件的更換周期tR，這種算法稱為可靠度算法。

如果某種設(shè)備的某備件不可修復(fù)，在保障時間T內(nèi)，備件的更換周期為tR，該設(shè)備中共有此備件N件，該設(shè)備共有M臺，則船舶需要備件的儲存數(shù)量Q為MNT/tR。于是，根據(jù)備件的磨損規(guī)律確定備件的壽命分布類型以及根據(jù)壽命分布類型確定可靠壽命的更換周期tR成為確定船舶單備件最佳庫存量的關(guān)鍵[3]。

4 單個備件最佳庫存量的計算

4.1 指數(shù)壽命件數(shù)量的計算

指數(shù)分布的失效分布函數(shù)F1(t)描述為：

F1(t)=1-e-λt，

(1)

式中,λ為失效率;t為工作壽命。

則其可靠度函數(shù)R1(t)為：

R1(t)=1-F1(t)=e-λt。

(2)

(3)

4.2 正態(tài)壽命備件數(shù)量的計算

正態(tài)分布的函數(shù)F2(t)描述為：

(4)

式中,μ為正態(tài)分布值，σ為標準差。

則其可靠度函數(shù)R2(t)為：

(5)

(6)

式中,連續(xù)概率分布為uR，可靠度與連續(xù)概率分布的關(guān)系如表1[4]所示。

表1 可靠度與連續(xù)概率分布的關(guān)系

4.3 威布爾壽命件數(shù)量的計算

在進行處理疲勞壽命的過程中，本文按照威布爾分布法，分布函數(shù)F3(t)為：

(7)

式中,t0為最短時效；ta為最大壽命，b為一種結(jié)構(gòu)參數(shù)。

則可靠度函數(shù)R3(t)為：

(8)

(9)

5 實例分析

1)指數(shù)壽命件數(shù)量的計算實例[5]。某船裝備油水分離器1臺，其排出閥為二位三通電磁閥，共有2個，一個控制回流至艙底水艙，一個控制排舷外。因為故障較高的時期在整個使用周期內(nèi)是固定不變的，所以其使用周期的范圍值符合指數(shù)分布數(shù)值范圍。電磁閥線圈的故障由于其故障率在整個壽命周期內(nèi)接近常數(shù)，因此，其壽命分布符合指數(shù)分布。該電磁閥線圈失去原有效力的數(shù)值為1×10-6/h，該油水分離器1年運轉(zhuǎn)時間約為40 h，則在保證可靠度為0.95的條件下，2年內(nèi)所需該備件數(shù)量Q1為：

因此，某船在2年內(nèi)所需該電磁閥線圈為0。

2)正態(tài)壽命備件數(shù)量的計算實例。某船左右兩舷各配備航行信號燈2個，一個電源220 V，一個電源24 V。其故障率在整個壽命周期內(nèi)呈正態(tài)分布，在實際工作中，因受惡劣環(huán)境影響，航行燈正態(tài)分布值為3×102h，標準差為400，航行燈工作1年需要5×103h，可靠度為0.95時，航行1年需要的220 V航行燈備件數(shù)量Q2為：

因此，某船每年需要220 V航行燈的數(shù)量為11個。

3)威布爾分布壽命備件的計算實例[6]。某船配備拖纜機，拖纜機的主油路控制閥為伺服油控制的比例閥，其中最重要的備件之一為反饋電位計，共裝備3個，反饋電位計的壽命分布服從威布爾分布。反饋電位計保障時間為3×106h，拖纜機反饋電位計壽命約為66 667 h，最小壽命為33 333 h,其結(jié)構(gòu)參數(shù)為2.2，則在可靠度為0.95的條件下,在2年內(nèi)所需該反饋電位計數(shù)量Q3為：

因此,某船在2年內(nèi)存儲該反饋電位計為0。

6 結(jié)束語

備件管理在船舶設(shè)備管理中顯得尤為重要，它是船舶企業(yè)節(jié)省開支，提高營運效率和資金周轉(zhuǎn)率的重要方法。備件的數(shù)量巨大，類別種類較多，因此需要運用科學(xué)的計算對備件的分布類別進行整理和統(tǒng)計，根據(jù)其最佳需求量進行合理的儲備。根據(jù)備件的種類、壽命、使用條件，運用科學(xué)計算方式進行描述，使備件管理更有依據(jù)可尋，保證船舶備件供應(yīng)存儲合理化，降低船舶備件的存儲損耗，避免備件存儲過多給船東或公司帶來資金周轉(zhuǎn)困難，同時保證船舶設(shè)備可靠運行。