Nguyễn Trung Hải Khoa Cơ - Điện - Học viện Hải quân Tóm tắt: Bμi viết trình bμy quá trình tính toán, xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ động lực một số loại tμu đang sử dụng trong
Trang 1đánh giá độ tin cậy của hệ động lực
tμu vận tải biển theo quan điểm
hệ thống có phục hồi
PGS TS Đỗ đức tuấn
Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trường ĐH GTVT
ThS NCS Nguyễn Trung Hải
Khoa Cơ - Điện - Học viện Hải quân
Tóm tắt: Bμi viết trình bμy quá trình tính toán, xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ động
lực một số loại tμu đang sử dụng trong ngμnh vận tải biển Việt Nam theo quan điểm hệ thống
có phục hồi, thông qua việc khảo sát thời gian lμm việc không hỏng vμ thời gian phục hồi hư hỏng của các phân hệ trong quá trình khai thác
Summary: The article describes the calculating process, the specification of reliability
index of a vessel dynamic system currently operating in Vietnam on a rehabilitated system basis, through a survey on non-breakdown operation time and time for system breakdown rehabilitation during its exploitation
I mở đầu
Trong [1] đã giới thiệu phương pháp nghiên cứu và kết quả xác định độ tin cậy của hệ động lực tàu vận tải biển Trường Sa và HQ với tư cách là hệ thống các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi (tức là chỉ khảo sát thuần tuý thời gian làm việc giữa các lần hỏng của các phân hệ mà không xét tới quá trình phục hồi của chúng, phương án 1)
Trong bài viết này trình bày nội dung xác định độ tin cậy của hệ động lực các tàu Trường
Sa và HQ theo quan điểm là hệ thống các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi (tức là khảo sát
đồng thời thời gian làm việc giữa các lần hỏng và thời gian phục hồi của các phân hệ, phương
án 2)
II Cơ sở xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của các phần tử có phục hồi
Các chỉ tiêu định lượng của tính không hỏng của các phần tử có phục hồi bao gồm: Xác suất làm việc không hỏng, thời gian làm việc trung bình tới hỏng, đặc trưng và thông số dòng hỏng
Tất cả các tính toán độ tin cậy đối với các phần tử không phục hồi đều có thể áp dụng cho các phần tử có phục hồi nếu tính đến lần hư hỏng đầu tiên Điều liên quan đến quá trình làm việc tiếp theo của phần tử phục hồi là nó khác biệt một cách đáng kể so với các phần tử không phục hồi Bản chất của sự khác biệt này được biểu hiện trên biểu đồ thời gian hiển thị trên hình 1
Trang 20
LV PH LV K LV SC LV PH LV BD LV PH LV
L 1 L 2 L 3
L
1 T 2 T 3
T
0 t 1 (l 1 ) t 2 (l 2 ) t 3 (l 3)
Hình 1 Biểu đồ lμm việc vμ đồ thị dòng hỏng của của hệ thống
LV - thời gian lμm việc
PH - thời gian phục hồi khả năng lμm việc
BD, SC - thời gian bảo dưỡng kỹ thuật vμ sửa chữa định kỳ
K - thời gian ngừng lμm việc (nghỉ lμm việc, không lμm việc)
Trên biểu đồ này theo trục thời gian từ một thời điểm ban đầu t = 0 nào đó bắt đầu biểu diễn các khoảng thời gian làm việc LV của hệ, thời gian phục hồi khả năng làm việc PH, thời gian bảo dưỡng kỹ thuật BD, thời gian sửa chửa định kỳ SC và thời gian không làm việc K Các thời điểm xuất hiện hư hỏng của hệ và các thời điểm kết thúc việc phục hồi khả năng làm việc được thể hiện trên hình 1 bằng các đường phân cách nét đậm Độ dài khoảng thời gian của các giai đoạn là các đại lượng ngẫu nhiên Khi các đoạn LV càng dài và khi các đoạn PH,
BD, SC càng ngắn cũng như số lượng các đoạn đó càng ít thì hệ thống càng tin cậy
Tách các đoạn LV trên biểu đồ thời gian và sắp xếp chúng kế tiếp nhau (xem hình 1) ta nhận được một đồ thị dòng hỏng, biểu thị một cách trực quan bởi một dãy các điểm với tọa độ t1,
t , …, t và bởi các khoảng cách giữa chúng với nhau 2 n
T1 = t - 0; T1 2 = t - t ; …; T2 1 i = ti - ti-1 Vì vậy khi mô tả xác suất dòng biến cố có thể biểu diễn như một dãy các đại lượng ngẫu nhiên: t1 = L ; t1 2 = L + L ; t1 2 3 = L + L1 2 + L3 hoặc T1, T , T ,…, T2 3 n
Thực hiện việc xử lý các số liệu thống kê cần thiết [3] có thể nhận được mật độ phân bố xác suất thời gian làm vịêc của các chi tiết, phần tử hoặc của hệ thống tới khi hỏng (hoặc giữa các lần hỏng) f(t), sau đó theo các công thức đã trình bày [1] đối với các sản phẩm không phục hồi,
có thể tính toán xác suất làm việc không hỏng và trị số thời gian làm việc trung bình tới hỏng của các phần tử hoặc các hệ thống có phục hồi
Trang 3Các biểu thức đánh giá độ tin cậy của hệ thống có các phần tử liên kết nối tiếp đ−ợc xác
định nh− sau [2]:
2.1 Đối với hệ các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi
2.1.1 Hμm tin cậy (Xác suất lμm việc không hỏng)
- Phân bố Mũ
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
=
‡”λ
n
1 i i
P
- Phân bố Gauss
∏
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ σ
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ σ
−
−
= n
1 i
i i i i
s
a F
a t F 1 ) t ( P
2.1.2 Xác suất hỏng
- Phân bố Mũ
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ λ
−
−
= n
1 i i
Q
- Phân bố Gauss
∏
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ σ
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ σ
−
−
−
1 i
i i i i
s
a F
a t F 1 1 ) t (
2.2 Đối với hệ các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi
2.2.1 Hμm tin cậy (Xác suất lμm việc không hỏng)
- Phân bố Mũ
[
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
μ + λ
− μ
λ + μ + λ
μ
) t (
s s s
s
s
2.2.2 Hệ số sẵn sμng lμm việc của hệ
s s
s s
S
μ + λ
μ
=
∑
=
γ +
=
n
1 i i
s
1
1 S
2.2.3 Hμm sẵn sμng
- Phân bố Mũ
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
γ
λ + λ
− +
∑
∑
−
=
exp K S ) t ( S
n
1
1 i i
n
1 i i i
s s
Trang 42.2.4 Xác suất hỏng
- Phân bố Mũ
( [
) t (
s s
s
μ +
2.2.5 Hệ số không sẵn sμng của hệ
∑
∑
=
=
γ +
γ
=
n
1 i i
n
1 i i s
1
K
s s
s s
K
μ + λ
λ
2.2.6 Hμm không sẵn sμng
- Phân bố Mũ
[
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
μ + λ
ư λ
μ + μ + λ
λ
) t (
s s s
s
s
trong đó:
s
λ - cường độ hỏng của hệ
∑
=
λ
=
1 i i
s
μ - cường độ phục hồi của hệ
∑
∑
=
=
γ
λ
= μ
n
1 i i
n
1 i i s
i
i
λ
= γ , với , i = 1, 2, 3, 4, 5 (12)
Từ các giá trị cường độ hỏng và cường độ phục hồi của từng phân hệ, theo các công thức (1) - (10) tiến hành xác định các thông số độ tin cậy từng phân hệ và của tổng thể hệ động lực cho cả quá trình khảo sát 1993 - 2002
iii Kết quả xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ động lực tμu Trường Sa
vμ tμu HQ khai thác trong ngμnh đường biển Việt Nam giai đoạn 1993 - 2002
Khi coi các bộ phận trong hệ động lực là các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi, tức là vừa xét tới quá trình làm việc không hỏng của các đối tượng, vừa xét tới quá trình phục hồi của chúng, các thông số độ tin cậy được xác định và được thể hiện trong các bảng 1 - 4
Đồ thị hàm tin cậy tương ứng với hai phương án được thể hiện trên các hình 2 - 5
Trang 5Bảng 1 Kết quả tính toán các thông số độ tin cậy của các hệ thống động lực
trên tμu Trường Sa vμ tμu HQ tổng hợp cho cả giai đoạn 1993 - 2002
Các thiết bị phục vụ hệ
động lực
Các ổ đỡ
và ổ chặn
hệ trục
Tổng hợp của hệ
động lực
ổ đỡ chặn
hệ trục
Động cơ
chính
Các ổ đỡ
hệ trục
1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002
101,24727 108,42215 189,30649 129,3889 142,06553 109,7228 1.1 Kỳ vọng toán thời gian
làm việc giữa các lần
1.2 Cường độ hỏng, 0,00988 0,00922 0,00528 0,00773 0,00704 0,00911
i
9,35291 5,21004 13,97908 8,01755 9,14123 7,67686 1.3 Kỳ vọng toán thời gian
[ngày]
1.4 Cường độ phục hồi hư
hỏng,
0,10692 0,19194 0,07154 0,12473 0,10939 0,13026
i
1.5
2.1 Kỳ vọng toán thời gian
làm việc giữa các lần
hỏng, T
, [ngày]
lvi
i
2.3 Kỳ vọng toán thời gian
[ngày]
2.4 Cường độ phục hồi hư
hỏng,
i
2.5
Bảng 2 Kết quả tính toán các thông số độ tin cậy của hệ thống động lực
tμu Trường Sa giai đoạn 1993 – 2002 Phương án 2: Có xét tới quá trình phục hồi
P (t) = 0,9154[1 + 0,0924.exp(-0,1168t)] 1 S (t) = 0,9154 + 0,0846.exp(-0,1168)t 1
P (t) = 0,9542[1 + 0,0480.exp(-0,2012t)] 2 S (t) = 0,9542 + 0,0458.exp(-0,2012)t 2
(t) = 0,9313 + 0,0687.exp(-0,0768)t
P (t) = 0,9313[1 + 0,0738.exp(-0,0768t)] 3 S3
P (t) = 0,9416[1 + 0,0620.exp(-0,1325t)] 4 S (t) = 0,9416 + 0,0583.exp(-0,1325)t 4
P (t) = 0,9395[1 + 0,0644.exp(-0,1164t)] 5 S (t) = 0,9395 + 0,0605.exp(-0,1164)t 5
(t) = 0,9346[1 + 0,0699.exp(-0,1394t)]
Trang 6Bảng 3 Kết quả tính toán các thông số độ tin cậy của hệ thống động lực
tμu HQ giai đoạn 1993 - 2002 Phương án 2: Có xét tới quá trình phục hồi
P (t) = 0,9682[1 + 0,0339.exp(-0,1719)t] 1 S (t) = 0,9682 + 0,0318.exp(-0,1719)t 1
P (t) = 0,9860[1 + 0,0142.exp(-0,3654)t] 2 S (t) = 0,9860 + 0,0140.exp(-0,3654)t 2
P (t) = 0,9777[1 + 0,0228.exp(-0,2419)t] 3 S (t) = 0,9777 + 0,0223.exp(-0,2419)t 3
Bảng 4 Tổng hợp kết quả tính toán hμm tin tin cậy của các bộ phận thuộc hệ động lực
tμu Trường Sa vμ tμu HQ cho cả giai đoạn 1993 - 2002
I Phương án 1: Không xét tới quá trình phục hồi
1.1 Động cơ chính P 1 (t)= exp(-0,00988.t) P 1 (t)= exp(-0,00546.t)
1.2 Thiết bị phục vụ hệ
động lực
P 2 (t)= exp(-0,00922.t) P 2 (t)= exp(-0,00513.t)
1.3 Các ổ đỡ chặn hệ
trục
P 3 (t)= exp(-0,00528.t) -
1.4 Các ổ đỡ hệ trục P 4 (t)= exp(-0,00773.t) -
1.5 Các ổ đỡ và ổ chặn
hệ trục
P 5 (t)= exp(-0,00704.t) -
1.6 Tổng hợp cho hệ
động lực
P6(t)= exp(-0.00911.t) P3(t)= exp(-0,0054.t)
II Phương án 2: Có xét tới quá trình phục hồi
2.1 Động cơ chính P1(t) = 0,9154[1+0,0924.exp(-0,1168t)] P1(t)=0,9682[1+0,0339.exp(-0,1719)t] 2.2 Thiết bị phục vụ hệ
động lực
P2(t) = 0,9542[1+0,0480.exp(-0,2012t)] P2(t)=0,9860[1+0,0142.exp(-0,3654)t]
2.3 Các ổ đỡ chặn hệ
trục
P3(t) = 0,9313[1+0,0738.exp(-0,0768t)] -
2.4 Các ổ đỡ hệ trục P4(t) = 0,9416[1+0,0620.exp(-0,1325t)] -
2.5 Các ổ đỡ và ổ chặn
hệ trục
P5(t) = 0,9395[1+0,0644.exp(-0,1164t)] -
2.6 Tổng hợp cho hệ
động lực
P6(t) = 0,9346[1+0,0699.exp(-0,1394t)] P3(t)=0,9777[1+0,0228.exp(-0,2419)t]
Trang 70 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Hàm tin cậy HDL tàu Trường Sa
Thời gian làm việc (ngày)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Hàm tin cậy tàu HQ
Thời gian làm việc (ngày)
P2 t ( )
P3 t ( )
t
Hình 2 Hμm tin cậy của các phân hệ vμ của tổng
thể hệ động lực tầu Trường Sa giai đoạn
1993 - 2002 không xét tới quá trình phục hồi
P1 (t) - Hàm tin cậy của động cơ chính
P2 (t) - Hàm tin cậy của thiết bị phục vụ hệ động lực
P3 (t) - Hàm tin cậy của các ổ đỡ chặn hệ trục
P4 (t) - Hàm tin cậy của các ổ đỡ hệ trục
P5 (t) - Hàm tin cậy của các ổ đỡ và ổ đỡ chặn hệ trục
P6 (t) - Hàm tin cậy tổng hợp của hệ động lực
Hình 3 Hμm tin cậy của các phân hệ vμ của tổng
thể hệ động lực tầu HQ giai đoạn 1993 - 2002 không xét tới quá trình phục hồi
P1 (t) - Hàm tin cậy của động cơ chính P2 (t) - Hàm tin cậy của thiết bị phục vụ
hệ động lực P3 (t) - Hàm tin cậy tổng hợp của hệ
động lực
Hàm tin cậy HDL tàu Trường Sa
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.9
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
P1 t( )
P2 t( )
P3 t( )
P4 t( )
P5 t( )
P6 t( )
Thời gian làm việc (ngày)
t
Hình 4 Hμm tin cậy của các phân hệ vμ của
tổng thể hệ động lực tầu Trường Sa giai đoạn
1993 – 2002 không xét tới quá trình phục hồi
P1 (t) - Hàm tin cậy của động cơ chính P2 (t) - Hàm tin cậy của thiết bị phục vụ
hệ động lực P3 (t) - Hàm tin cậy của các ổ đỡ chặn hệ trục
P4 (t) - Hàm tin cậy của các ổ đỡ hệ trục P5 (t) - Hàm tin cậy của các ổ đỡ và ổ đỡ chặn hệ trục
P6 (t) - Hàm tin cậy tổng hợp của hệ động lực
Trang 80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.95
0.955
0.96
0.965
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.995
1
P1 t ( )
P2 t ( )
P3 t ( )
Hàm tin cậy HDL tàu HQ
Thời gian làm việc (ngày)
t
Hình 5 Hμm tin cậy của các phân hệ vμ của
tổng thể hệ động lực tầu HQ giai đoạn
1993 - 2002 không xét tới quá trình phục hồi
P1 (t) - Hàm tin cậy của động cơ chính P2 (t) - Hàm tin cậy của thiết bị phục vụ
hệ động lực P3 (t) - Hàm tin cậy tổng hợp của hệ
động lực
Iv một số nhận xét
1 Khi coi hệ động lực hệ thống các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi (tức là chỉ khảo sát thuần tuý thời gian làm việc giữa các lần hỏng của các phân hệ mà không xét tới quá trình phục hồi của chúng, phương án 1) thì độ tin cậy của hệ suy giảm một cách nhanh chóng (hình 2 và 3)
2 Khi coi hệ động lực là hệ thống các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi (tức là khảo sát
đồng thời thời gian làm việc giữa các lần hỏng và thời gian phục hồi của các phân hệ, phương
án 2) thì độ tin cậy của hệ suy giảm từ từ và tiệm cận với một hằng số có giá trị bằng hệ số sẵn sàng
3 Các kết luận khác tương tự như trong [1], tức là:
- Độ tin cậy của các bộ phận trong hệ thống động lực của mỗi loại tàu là khác nhau, nhưng
có một điểm chung, đó là độ tin cậy xếp theo thứ tự từ cao xuống thấp đối với mỗi loại tàu là: ổ
đỡ chặn hệ trục; các ổ đỡ hệ trục; các thiết bị phục vụ hệ động lực và cuối cùng là động cơ chính, nói cách khác, động cơ chính đều có độ tin cậy là thấp nhất so với các bộ phận khác trong HĐL
- Nhìn một cách tổng quát thấy rằng, độ tin cậy tổng hợp của hệ động lực tàu HQ là cao hơn so với tàu Trường Sa
4 Các chỉ tiêu độ tin cậy đã xác định là những chỉ tiêu tương đối khách quan, phản ảnh tương đối tổng hợp và toàn diện chất lượng khai thác của tàu Thông qua các chỉ tiêu này, trong từng giai đoạn cụ thể, có thể đề xuất các giải pháp kỹ thuật tương ứng nhằm khắc phục những khâu xung yếu ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của tàu, mặt khác, thông qua các chỉ tiêu này cũng có thể chỉ ra được tính ưu việt của từng phân hệ, từng loại tàu, từ đó có cơ sở tư vấn cho ngành về vấn đề thiết kế chế tạo và nâng cao hiệu quả khai thác tàu trong tương lai
5 Đây là những kết quả nghiên cứu bước đầu nhưng có ý nghĩa không nhỏ đối với việc khai thác, sử dụng các loại tàu vận tải biển do Việt Nam chế tạo
Trang 9Tài liệu tham khảo
[1] Đỗ Đức Tuấn, Nguyễn Trung Hải Xác định một số chỉ tiêu độ tin cậy của hệ động lực tàu vận tải biển
thông qua thời gian làm việc không hỏng Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải Trường Đại học Giao thông Vận tải Số 6/2004 Hà Nội, 2004
[2] Đỗ Đức Tuấn, Đỗ Việt Dũng Nghiên cứu xác định và đánh giá độ tin cậy của các hệ thống trên đầu
máy diesel truyền động điện sử dụng trong ngành đường sắt Việt Nam Tuyển tập Công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, Tập 5, Cơ học máy, trang 242 NXB Đại học Quốc gia Hà Nội,
2002
[3] Đỗ Đức Tuấn Xây dựng chương trình xử lý số liệu thống kê các đại lượng ngẫu nhiên cho việc nghiên
cứu hao mòn và độ tin cậy của đầu máy diezel Đề tài NCKH T98- CK92 Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, 1999
[4] Пузанков A.Д Надежность конструций локомотивов Москва MИИТ 1999
[5]. Шишков А.Д Народнохозяйственная эффтив-ность повышения надёжноти технических средств
железнодорожного транспорта Москва ”Тран-спорт” 1986♦