Báo cáo khoa học: "đánh giá độ tin cậy của hệ động lực tàu vận tải biển theo quan điểm hệ thống có phục hồi" pot

đánh giá độ tin cậy của hệ động lực
tu 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 - Trờng ĐH GTVT
ThS. NCS. Nguyễn Trung Hải
Khoa Cơ - Điện - Học viện Hải quân


Tóm tắt: Bi viết trình by quá trình tính toán, xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ động
lực một số loại tu đang sử dụng trong ngnh vận tải biển Việt Nam theo quan điểm hệ thống
có phục hồi, thông qua việc khảo sát thời gian lm việc không hỏng v thời gian phục hồi h
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 phơng pháp nghiên cứu và kết quả xác định độ tin cậy của hệ động
lực tàu vận tải biển Trờng Sa và HQ với t 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, phơng án 1).
Trong bài viết này trình bày nội dung xác định độ tin cậy của hệ động lực các tàu Trờng
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, phơng
án 2).
II. Cơ sở xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của các phần tử có phục hồi

Các chỉ tiêu định lợng 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 trng 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 h 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 đợc biểu hiện trên biểu đồ thời gian hiển thị trên hình 1.

0
LV PH LV K LV SC LV PH LV BD LV PH LV
L
1
L
2
L
3

L
T
1
T
2
T
3

T
0
t
1
(l

1
) t
2
(l
2
) t
3
(l
3)
Hình 1. Biểu đồ lm việc v đồ thị dòng hỏng của của hệ thống
LV - thời gian lm việc
PH - thời gian phục hồi khả năng lm việc
BD, SC - thời gian bảo dỡng kỹ thuật v sửa chữa định kỳ
K - thời gian ngừng lm việc (nghỉ lm việc, không lm 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 dỡng kỹ thuật BD, thời gian sửa chửa định kỳ SC và thời gian không làm việc K.
Các thời điểm xuất hiện h hỏng của hệ và các thời điểm kết thúc việc phục hồi khả năng
làm việc đợc thể hiện trên hình 1 bằng các đờng phân cách nét đậm. Độ dài khoảng thời gian
của các giai đoạn là các đại lợng ngẫu nhiên. Khi các đoạn LV càng dài và khi các đoạn PH,
BD, SC càng ngắn cũng nh số lợng 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 đợc một đồ thị dòng hỏng, biểu thị một cách trực quan bởi một dãy các điểm với tọa độ t
1
,
t
, , t và bởi các khoảng cách giữa chúng với nhau.
2 n
T
1

= t - 0; T
1 2
= t - t ; ; T
2 1 i
= t
i
- t
i-1
Vì vậy khi mô tả xác suất dòng biến cố có thể biểu diễn nh một dãy các đại lợng ngẫu
nhiên: t
1
= L ; t
1 2
= L + L ; t
1 2 3
= L + L
1 2
+ L
3
hoặc T
1
, T , T ,, T
2 3 n
.
Thực hiện việc xử lý các số liệu thống kê cần thiết [3] có thể nhận đợc 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.

Các biểu thức đánh giá độ tin cậy của hệ thống có các phần tử liên kết nối tiếp đợc xác
định nh sau [2]:
2.1. Đối với hệ các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi
2.1.1. Hm tin cậy (Xác suất lm việc không hỏng)
- Phân bố Mũ
, (1)








=
=


n
1i
is
t.exp)t(P
- Phân bố Gauss

=

=
n
1i
i
i
i
i
s
a
F
at
F1
)t(P

, (2)

2.1.2. Xác suất hỏng
- Phân bố Mũ
,
(3)








=

=
n
1i
is
t.exp1)t(Q
- Phân bố Gauss

=

=
n
1i
i
i
i
i
s
a
F
at
F1
1)t(Q
, (4)

2.2. Đối với hệ các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi
2.2.1. Hm tin cậy (Xác suất lm việc không hỏng)
- Phân bố Mũ

()
[






+


+
+

= t.exp.1)t(P
ss
s
s
ss
s
s
]
, (5)
2.2.2. Hệ số sẵn sng lm việc của hệ
ss
s
s
S
+

=

=
+
=
n
1i
i
s
1
1
S
hoặc , (6)
2.2.3. Hm sẵn sng
- Phân bố Mũ

++=




=
=
t.exp.KS)t(S
n
1i
n
1i
i

n
1i
i
isss
, (7)

2.2.4. Xác suất hỏng
- Phân bố Mũ
(
[
{
t.exp1)t(Q
ss
ss
s
s
+
+
)
]
}

= , (8)
2.2.5. Hệ số không sẵn sng của hệ


=
=
+

=
n
1i
i
n
1i
i
s
1
K
ss
s
s
K
+

= hoặc , (9)
2.2.6. Hm không sẵn sng
- Phân bố Mũ
()
[






+

+
+

= t.exp.1)t(K
ss
s
s
ss
s
s
]
, (10)
trong đó:
s
- cờng độ hỏng của hệ

=
=
n
1i
is
, (11)
s
- cờng độ phục hồi của hệ


=
=

=
n
1i
i
n
1i
i
s
i
i
i


=
, với , i = 1, 2, 3, 4, 5. (12)
Từ các giá trị cờng độ hỏng và cờng 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 tu Trờng Sa
v tu HQ khai thác trong ngnh đờng 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 tợng, vừa xét tới quá trình phục hồi của
chúng, các thông số độ tin cậy đợc xác định và đợc thể hiện trong các bảng 1 - 4.
Đồ thị hàm tin cậy tơng ứng với hai phơng án đợc thể hiện trên các hình 2 - 5.

Bảng 1. Kết quả tính toán các thông số độ tin cậy của các hệ thống động lực
trên tu Trờng Sa v tu 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
TT Các thông số
1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002 1993 - 2002
I Tàu Trờng Sa (TS)
101,24727 108,42215 189,30649 129,3889 142,06553 109,7228
1.1 Kỳ vọng toán thời gian
làm việc giữa các lần
hỏng, T
, [ngày]
lvi
1.2 Cờng độ hỏng, 0,00988 0,00922 0,00528 0,00773 0,00704 0,00911
i

,[ngày
-1
]
9,35291 5,21004 13,97908 8,01755 9,14123 7,67686
1.3 Kỳ vọng toán thời gian
phục hồi h hỏng, T

fhi
,
[ngày]
1.4 Cờng độ phục hồi h
hỏng,
0,10692 0,19194 0,07154 0,12473 0,10939 0,13026
i

-1
,[ngày ]
1.5
Hệ số sẵn sàng,
i
S
0,9154 0,9542 0,9313 0,9416 0,9395 0,9346
II Tàu HQ
2.1 Kỳ vọng toán thời gian
làm việc giữa các lần
hỏng, T
183,2287 194,97556 - - - 185,1678
, [ngày]
lvi
2.2 Cờng độ hỏng,
0,00546 0,00513 - - - 0,0054
i

,[ngày
-1
]
6,00706 2,77607 - - - 4,22881

2.3 Kỳ vọng toán thời gian
phục hồi h hỏng, T
fhi
,
[ngày]
2.4 Cờng độ phục hồi h
hỏng,
0,16647 0,36022 - - - 0,23647
i

-1
,[ngày ]
2.5
Hệ số sẵn sàng,
i
S
0,9682 0,9860 - - - 0,9777


Bảng 2. Kết quả tính toán các thông số độ tin cậy của hệ thống động lực
tu Trờng Sa giai đoạn 1993 2002.
Phơng án 2: Có xét tới quá trình phục hồi
TT Hàm tin cậy Hàm sẵn sàng
1 Động cơ chính; n=197

P (t) = 0,9154[1 + 0,0924.exp(-0,1168t)] S (t) = 0,9154 + 0,0846.exp(-0,1168)t
1 1
2 Các thiết bị phục vụ hệ động lực; n=153

P (t) = 0,9542[1 + 0,0480.exp(-0,2012t)] S (t) = 0,9542 + 0,0458.exp(-0,2012)t

2 2
3 Các ổ đỡ chặn hệ trục; n=13
(t) = 0,9313 + 0,0687.exp(-0,0768)t

P (t) = 0,9313[1 + 0,0738.exp(-0,0768t)] S
3 3
4 Các ổ đỡ hệ trục; n=50

P (t) = 0,9416[1 + 0,0620.exp(-0,1325t)] S (t) = 0,9416 + 0,0583.exp(-0,1325)t
4 4
5 Các ổ đỡ chặn hệ trục + Các ổ đỡ hệ trục; n=63

P (t) = 0,9395[1 + 0,0644.exp(-0,1164t)] S (t) = 0,9395 + 0,0605.exp(-0,1164)t
5 5
6 Tổng hợp hệ động lực; n=413
(t) = 0,9346[1 + 0,0699.exp(-0,1394t)]

P S (t) = 0,9346 + 0,0654.exp(-0,1394)t
6 6

Bảng 3. Kết quả tính toán các thông số độ tin cậy của hệ thống động lực
tu HQ giai đoạn 1993 - 2002
Phơng án 2: Có xét tới quá trình phục hồi
TT Hàm tin cậy Hàm sẵn sàng
1 Động cơ chính; n=77

P (t) = 0,9682[1 + 0,0339.exp(-0,1719)t] S (t) = 0,9682 + 0,0318.exp(-0,1719)t
1 1
2 Các thiết bị phục vụ hệ động lực; n=82

P (t) = 0,9860[1 + 0,0142.exp(-0,3654)t] S (t) = 0,9860 + 0,0140.exp(-0,3654)t
2 2
3 Tổng hợp hệ động lực; n=159

P (t) = 0,9777[1 + 0,0228.exp(-0,2419)t] S (t) = 0,9777 + 0,0223.exp(-0,2419)t
3 3

Bảng 4. Tổng hợp kết quả tính toán hm tin tin cậy của các bộ phận thuộc hệ động lực
tu Trờng Sa v tu HQ cho cả giai đoạn 1993 - 2002

TT Các thông số Tàu Trờng Sa (TS) Tàu HQ
I Phơng 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
P
6
(t)= exp(-0.00911.t) P
3
(t)= exp(-0,0054.t)
II Phơng án 2: Có xét tới quá trình phục hồi
2.1 Động cơ chính P
1
(t) = 0,9154[1+0,0924.exp(-0,1168t)] P
1
(t)=0,9682[1+0,0339.exp(-0,1719)t]
2.2 Thiết bị phục vụ hệ
động lực
P
2
(t) = 0,9542[1+0,0480.exp(-0,2012t)] P
2
(t)=0,9860[1+0,0142.exp(-0,3654)t]
2.3 Các ổ đỡ chặn hệ
trục
P

3
(t) = 0,9313[1+0,0738.exp(-0,0768t)] -
2.4 Các ổ đỡ hệ trục P
4
(t) = 0,9416[1+0,0620.exp(-0,1325t)] -
2.5 Các ổ đỡ và ổ chặn
hệ trục
P
5
(t) = 0,9395[1+0,0644.exp(-0,1164t)] -
2.6 Tổng hợp cho hệ
động lực
P
6
(t) = 0,9346[1+0,0699.exp(-0,1394t)] P
3
(t)=0,9777[1+0,0228.exp(-0,2419)t]

0 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 Trờng Sa
Thời gian làm việc (ngày)
H
à
m

t
in

c
ậ
y
P1 t()
P2 t()
P3 t()
P4 t()
P5 t()
P6 t()
t
0 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 tàu HQ
Thời gian làm việc (ngày)
H
à
m

t
in

c
ậ
y
P1 t()
P2 t()
P3 t()
t

Hình 2. Hm tin cậy của các phân hệ v của tổng
thể hệ động lực tầu Trờng 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. Hm tin cậy của các phân hệ v của tổn
g

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 Trờng Sa
0 102030405060708090100
0.9
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
Đ
ộ

t
in

c
ậ
y

P1 t()
P2 t()
P3 t()
P4 t()
P5 t()
P6 t()
Thời gian làm việc (ngày)
t
Hình 4. Hm tin cậy của các phân hệ v của
tổng thể hệ động lực tầu Trờng 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


0 102030405060708090100
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
Đ
ộ

t
in

c
ậ
y

Hình 5. Hm tin cậy của các phân hệ v 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, phơng 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, phơng
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 tơng tự nh trong [1], tức là:
- Độ tin cậy của các bộ phận trong hệ thống động lực của mỗi loại tàu là khác nhau, nhng
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 Trờng Sa.
4. Các chỉ tiêu độ tin cậy đã xác định là những chỉ tiêu tơng đối khách quan, phản ảnh
tơng đối tổng hợp và toàn diện chất lợng 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 tơng ứng nhằm khắc phục những
khâu xung yếu ảnh hởng tới chất lợng vận hành của tàu, mặt khác, thông qua các chỉ tiêu này
cũng có thể chỉ ra đợc tính u việt của từng phân hệ, từng loại tàu, từ đó có cơ sở t vấn cho
ngành về vấn đề thiết kế chế tạo và nâng cao hiệu quả khai thác tàu trong tơng lai.
5. Đây là những kết quả nghiên cứu bớc đầu nhng có ý nghĩa không nhỏ đối với việc khai
thác, sử dụng các loại tàu vận tải biển do Việt Nam chế tạo.

Tài 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. Trờng 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 đờng 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 chơng trình xử lý số liệu thống kê các đại lợng ngẫu nhiên cho việc nghiên
cứu hao mòn và độ tin cậy của đầu máy diezel. Đề tài NCKH T98- CK92. Trờng Đại học Giao thông Vận
tải. Hà Nội, 1999.
[4].
A.. . . M. 1999.
[5]. .. -
. . - 1986