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

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

xm1

R

xm2

R

xm3

R

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

为为设备部件检修停机等效闸次数。

j