艾　彎　熊少飛

(1　武漢理工大學(xué)　2　華勤通訊技術(shù)有限公司)

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筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性研究

艾彎1熊少飛2

(1武漢理工大學(xué)2華勤通訊技術(shù)有限公司)

摘要：提出了一種利用可靠性框圖建立筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的可靠性分析模型，建立了基于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性分析方法，針對(duì)具體港口的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)建立了仿真模型,并對(duì)多工藝線路的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：煤炭碼頭； 筒倉(cāng)； 可靠性； 仿真

1前言

對(duì)于筒倉(cāng)煤炭碼頭來說，船舶到港的隨機(jī)性和配煤需求的多樣性影響著裝卸生產(chǎn)的穩(wěn)定性，配煤需要至少2種以上品種的煤炭同時(shí)從筒倉(cāng)出煤。它們可能來自堆場(chǎng)一條筒倉(cāng)線上，也可能需要來自不同的筒倉(cāng)線，混合的品種數(shù)越多，則同時(shí)啟用的生產(chǎn)線或生產(chǎn)設(shè)備就越多。這不僅對(duì)工藝系統(tǒng)的可靠性要求高，而且對(duì)生產(chǎn)組織的水平要求更高，系統(tǒng)可靠性或生產(chǎn)組織水平達(dá)不到要求，將會(huì)影響整個(gè)碼頭生產(chǎn)的穩(wěn)定性或節(jié)奏。因此，需要對(duì)筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究，分析其對(duì)裝卸生產(chǎn)的影響，提高初步設(shè)計(jì)的工藝系統(tǒng)對(duì)抗不確定性因素的干擾及保持穩(wěn)定性的能力。

筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的可靠性可表示為在相應(yīng)的工藝流程下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成煤炭翻車進(jìn)倉(cāng)、出倉(cāng)裝船等功能的概率。裝卸系統(tǒng)的可靠性取決于單機(jī)的可靠性，分析系統(tǒng)可靠性，首先需要獲得單機(jī)可靠性數(shù)據(jù)，建立單機(jī)可靠性模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)單機(jī)與系統(tǒng)可靠性函數(shù)關(guān)系來分析系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于可修復(fù)的機(jī)械設(shè)備或系統(tǒng)，其可靠性不僅包括狹義可靠性，還應(yīng)包括維修因素在內(nèi)的廣義可靠性。因此，港口單機(jī)設(shè)備可以通過可靠度、故障率、維修度、平均維修時(shí)間、修復(fù)率和穩(wěn)態(tài)有效度等指標(biāo)來描述單機(jī)可靠性。本文采用穩(wěn)態(tài)有效度作為筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的主要可靠性指標(biāo)[1]。

2筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的串、并聯(lián)可靠性問題

裝卸系統(tǒng)通常可分為3大類，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)系統(tǒng)?？赏ㄟ^分析系統(tǒng)單元的串、并聯(lián)關(guān)系，依據(jù)系統(tǒng)可靠性分析理論計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

串聯(lián)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)組成部件必須全部完好才能正常工作，這種系統(tǒng)只要有一處(部件)發(fā)生斷點(diǎn)(故障)，則整個(gè)系統(tǒng)無法工作。串聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度計(jì)算公式為：

(1)

式中：A表示系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，一般用穩(wěn)態(tài)可靠度；Ai表示系統(tǒng)各單元的可靠性指標(biāo)，一般是各單元設(shè)備的穩(wěn)態(tài)可靠度。

并聯(lián)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)組成部件必須全部發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)才會(huì)發(fā)生故障，當(dāng)有一個(gè)及以上的部件正常工作，則系統(tǒng)正常工作。并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度計(jì)算公式為：

(2)

混聯(lián)系統(tǒng)可等效成若干個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)，可利用串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計(jì)算方法分析計(jì)算其可靠度。

獲得筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)內(nèi)部各單元裝卸設(shè)備的可靠性指標(biāo)后，再利用系統(tǒng)內(nèi)部的串、并聯(lián)關(guān)系計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。主要步驟如下：

(1)根據(jù)裝卸系統(tǒng)的工藝流程，確定系統(tǒng)的串、并聯(lián)關(guān)系，畫出系統(tǒng)可靠性框圖；

(2)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出各組成單元的可靠性指標(biāo)；

(3)基于串、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算方法，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

3筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性

3.1某筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)串、并聯(lián)可靠性分析

某港口筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可分為翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)和出倉(cāng)裝船系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)其翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)進(jìn)行串并聯(lián)可靠性分析。

由港口筒倉(cāng)煤炭碼頭翻車進(jìn)倉(cāng)的工藝流程，分析物料在設(shè)備間的裝接路徑，明確流程間的串、并聯(lián)關(guān)系，即可得到翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)的可靠性框圖，如圖1所示。

圖1　翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)的可靠性框圖　注：CD10-CD13為翻車機(jī)，BF、BH、BD均為皮帶機(jī)，CT5-CT8為卸料小車

翻車進(jìn)倉(cāng)線各機(jī)械設(shè)備的可靠度如表1所示。

故翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度為：

(3)

由港口給出的各個(gè)單機(jī)設(shè)備的可靠度，由公式(3)可得翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度為Rj= 0.999 999，可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度接近于1，說明系統(tǒng)至少有一條線可以工作的概率基本達(dá)到100%。采用同樣方法求得出倉(cāng)裝船系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度為0.999 999。

表1　翻車進(jìn)倉(cāng)線各機(jī)械設(shè)備可靠度

按照系統(tǒng)可靠性串、并聯(lián)方法得到的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度，只是碼頭能完成基本裝卸任務(wù)的可靠性。筒倉(cāng)碼頭裝卸系統(tǒng)具有多工藝線路的特點(diǎn)，只要有一條工藝線路正常，則可認(rèn)為整個(gè)裝卸系統(tǒng)是正常的。顯然，此種方法得到的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性還沒有精細(xì)地描述多工藝流程的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性問題。因此，為了深入細(xì)致地分析筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的可靠性，需要分析裝卸系統(tǒng)不同線路數(shù)能夠同時(shí)正常工作的概率。但是傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法對(duì)這個(gè)問題很難求解，因此提出了一種建立離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型來分析筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性的方法。

3.2基于WITNESS的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性研究

模型說明如下：

(1)WITNESS作為一款強(qiáng)大的離散事件系統(tǒng)仿真軟件，提供了一系列用于構(gòu)造仿真模型的基本元素。這些元素包括物理元素和邏輯元素。建立仿真模型首先需要根據(jù)實(shí)際碼頭裝卸系統(tǒng)各實(shí)體的功能及特性，將其抽象成仿真模型元素。根據(jù)實(shí)體特性，一個(gè)實(shí)體可抽象成不同的元素類別，在建立模型時(shí)，需根據(jù)模型建立的目的，選擇更高效、精準(zhǔn)的元素。

某筒倉(cāng)煤炭碼頭的主要實(shí)體與該系統(tǒng)WITNESS仿真模型物理元素之間的關(guān)系如表2所示。

(2)模型邊界。系統(tǒng)故障維修服務(wù)模型的邊界為各類故障的到達(dá)對(duì)應(yīng)設(shè)備和故障排除各設(shè)備恢復(fù)正常工作；系統(tǒng)工作流模型的邊界為虛擬工作流進(jìn)入翻車進(jìn)倉(cāng)線和流體離開出倉(cāng)裝船線。

(3)模型總體布局。依據(jù)某筒倉(cāng)煤炭碼頭的平面布置與工藝圖，建立仿真模型。

(4)仿真模型主要數(shù)據(jù)。各設(shè)備的故障到達(dá)時(shí)間間隔(即故障頻率)、故障修復(fù)時(shí)間，均屬于隨機(jī)變量。

(5)參數(shù)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)仿真目的，統(tǒng)計(jì)有關(guān)數(shù)據(jù)，如一條線發(fā)生故障不能工作的概率及累計(jì)時(shí)間、 多條線發(fā)生故障不能工作的概率及相應(yīng)累計(jì)時(shí)間、系統(tǒng)整體故障率及系統(tǒng)出現(xiàn)故障的累計(jì)時(shí)間等。

表2某筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)主要實(shí)體與WITNESS模型元素的關(guān)系

序號(hào)系統(tǒng)實(shí)體模型元素類別作用或性質(zhì)1進(jìn)倉(cāng)皮帶機(jī)故障Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布2卸料機(jī)故障 Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布3給料機(jī)故障 Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布4出倉(cāng)皮帶機(jī)故障Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布5裝船皮帶機(jī)故障Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布6裝船機(jī)故障 Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布7翻車機(jī)故障 Part臨時(shí)實(shí)體,指數(shù)分布8翻車機(jī)故障處理Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布9進(jìn)倉(cāng)皮帶機(jī) 故障處理 Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布 10卸料機(jī)故障處理Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布11給料機(jī)故障處理Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布12出倉(cāng)皮帶機(jī) 故障處理 Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布13裝船皮帶機(jī) 故障處理 Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布14裝船機(jī)故障處理Machine維修設(shè)備,指數(shù)分布15故障累積時(shí)間 Variable變量,統(tǒng)計(jì)時(shí)間16翻車進(jìn)倉(cāng)工作流Fluid流體17出倉(cāng)裝船工作流Fluid流體

表3　翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過修改隨機(jī)數(shù)流，做4次仿真試驗(yàn)，得到翻車進(jìn)倉(cāng)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，4條翻車進(jìn)倉(cāng)線中，有1條線因故障不能工作的概率比較大,其平均概率為17.8668%；有2條線不能同時(shí)正常工作的概率為0.8946%；3條線和4條線因故障同時(shí)不能工作的概率都很小，分別在0.034%和0.0119%，為小概率事件?；谝陨系目煽啃詳?shù)據(jù)對(duì)筒倉(cāng)煤炭碼頭的吞吐量進(jìn)行估算[3]，結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的筒倉(cāng)煤炭碼頭裝卸系統(tǒng)的可靠性基本達(dá)到要求。

4結(jié)語(yǔ)

筒倉(cāng)煤炭碼頭工程是一個(gè)創(chuàng)新型的碼頭工程，其裝卸系統(tǒng)可靠性的高低將直接影響碼頭通過能力和經(jīng)濟(jì)效益。這種基于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型的方法可以得到較傳統(tǒng)計(jì)算方法更為精準(zhǔn)的可靠性數(shù)據(jù)，可以為筒倉(cāng)煤炭碼頭設(shè)計(jì)預(yù)期吞吐量時(shí)的系統(tǒng)可靠性達(dá)標(biāo)情況提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]盧明銀. 系統(tǒng)可靠性[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008：3-15.

[2]張舒,賀銘革. 專業(yè)散貨碼頭裝卸系統(tǒng)可靠性分析方法[J]. 物流工程與管理, 2010(32)：60-62.

[3]艾彎，周強(qiáng). 煤炭碼頭裝卸工藝系統(tǒng)維修性預(yù)測(cè)[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械, 2013(5):87-91.

The Reliability of Silo Coal Terminal Handling System Study

Ai Wan1Xiong Shaofei2

(1Wuhan University of Technology2Huaqin Telecom Technology Co.,LTD，)

Abstract:It will make the closed silo yard engineering planning and design of large coal terminal to be research trends, the handling technology system reliability issues are also increasingly prominent. Proposed reliability block diagram silo coal wharf handling system reliability analysis model through the establishment of the simulation model, and on this basis to further study the reliability of loading and unloading system.

Key words:coal terminal; silos； reliability； simulation

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.02.012

收稿日期：2016-01-30

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