筒仓煤炭码头装卸系统可靠性研究

艾　弯　熊少飞

(1　武汉理工大学　2　华勤通讯技术有限公司)



筒仓煤炭码头装卸系统可靠性研究

艾弯1熊少飞2

(1武汉理工大学2华勤通讯技术有限公司)

摘要：提出了一种利用可靠性框图建立筒仓煤炭码头装卸系统的可靠性分析模型，建立了基于离散事件动态系统仿真模型的筒仓煤炭码头装卸系统可靠性分析方法，针对具体港口的筒仓煤炭码头装卸系统建立了仿真模型,并对多工艺线路的筒仓煤炭码头装卸系统的可靠性进行了分析。

关键词：煤炭码头； 筒仓； 可靠性； 仿真

1前言

对于筒仓煤炭码头来说，船舶到港的随机性和配煤需求的多样性影响着装卸生产的稳定性，配煤需要至少2种以上品种的煤炭同时从筒仓出煤。它们可能来自堆场一条筒仓线上，也可能需要来自不同的筒仓线，混合的品种数越多，则同时启用的生产线或生产设备就越多。这不仅对工艺系统的可靠性要求高，而且对生产组织的水平要求更高，系统可靠性或生产组织水平达不到要求，将会影响整个码头生产的稳定性或节奏。因此，需要对筒仓煤炭码头装卸系统的可靠性进行研究，分析其对装卸生产的影响，提高初步设计的工艺系统对抗不确定性因素的干扰及保持稳定性的能力。

筒仓煤炭码头装卸系统的可靠性可表示为在相应的工艺流程下，在规定的时间内完成煤炭翻车进仓、出仓装船等功能的概率。装卸系统的可靠性取决于单机的可靠性，分析系统可靠性，首先需要获得单机可靠性数据，建立单机可靠性模型。在此基础上，根据单机与系统可靠性函数关系来分析系统的可靠性。对于可修复的机械设备或系统，其可靠性不仅包括狭义可靠性，还应包括维修因素在内的广义可靠性。因此，港口单机设备可以通过可靠度、故障率、维修度、平均维修时间、修复率和稳态有效度等指标来描述单机可靠性。本文采用稳态有效度作为筒仓煤炭码头装卸系统的主要可靠性指标[1]。

2筒仓煤炭码头装卸系统的串、并联可靠性问题

装卸系统通常可分为3大类，即串联、并联和混联系统。可通过分析系统单元的串、并联关系，依据系统可靠性分析理论计算系统的可靠性指标。

串联系统的主要特点是系统组成部件必须全部完好才能正常工作，这种系统只要有一处(部件)发生断点(故障)，则整个系统无法工作。串联系统的稳态有效度计算公式为：

(1)

式中：A表示系统可靠性指标，一般用稳态可靠度；Ai表示系统各单元的可靠性指标，一般是各单元设备的稳态可靠度。

并联系统的主要特点是系统组成部件必须全部发生故障时系统才会发生故障，当有一个及以上的部件正常工作，则系统正常工作。并联系统的稳态有效度计算公式为：

(2)

混联系统可等效成若干个串联和并联系统，可利用串联和并联系统可靠度计算方法分析计算其可靠度。

获得筒仓煤炭码头装卸系统内部各单元装卸设备的可靠性指标后，再利用系统内部的串、并联关系计算整个系统的可靠性指标。主要步骤如下：

(1)根据装卸系统的工艺流程，确定系统的串、并联关系，画出系统可靠性框图；

(2)根据历史数据计算出各组成单元的可靠性指标；

(3)基于串、并联系统可靠性指标计算方法，计算整个系统的可靠性指标。

3筒仓煤炭码头装卸系统可靠性

3.1某筒仓煤炭码头装卸系统串、并联可靠性分析

某港口筒仓煤炭码头装卸系统可分为翻车进仓系统和出仓装船系统，现对其翻车进仓系统进行串并联可靠性分析。

由港口筒仓煤炭码头翻车进仓的工艺流程，分析物料在设备间的装接路径，明确流程间的串、并联关系，即可得到翻车进仓系统的可靠性框图，如图1所示。

图1　翻车进仓系统的可靠性框图　注：CD10-CD13为翻车机，BF、BH、BD均为皮带机，CT5-CT8为卸料小车

翻车进仓线各机械设备的可靠度如表1所示。

故翻车进仓系统的稳态有效度为：

(3)

由港口给出的各个单机设备的可靠度，由公式(3)可得翻车进仓系统的稳态有效度为Rj= 0.999 999，可知系统的稳态有效度接近于1，说明系统至少有一条线可以工作的概率基本达到100%。采用同样方法求得出仓装船系统的稳态有效度为0.999 999。

表1　翻车进仓线各机械设备可靠度

按照系统可靠性串、并联方法得到的筒仓煤炭码头装卸系统的稳态有效度，只是码头能完成基本装卸任务的可靠性。筒仓码头装卸系统具有多工艺线路的特点，只要有一条工艺线路正常，则可认为整个装卸系统是正常的。显然，此种方法得到的筒仓煤炭码头装卸系统可靠性还没有精细地描述多工艺流程的筒仓煤炭码头装卸系统可靠性问题。因此，为了深入细致地分析筒仓煤炭码头装卸系统的可靠性，需要分析装卸系统不同线路数能够同时正常工作的概率。但是传统的数学方法对这个问题很难求解，因此提出了一种建立离散事件动态系统仿真模型来分析筒仓煤炭码头装卸系统可靠性的方法。

3.2基于WITNESS的筒仓煤炭码头装卸系统可靠性研究

模型说明如下：

(1)WITNESS作为一款强大的离散事件系统仿真软件，提供了一系列用于构造仿真模型的基本元素。这些元素包括物理元素和逻辑元素。建立仿真模型首先需要根据实际码头装卸系统各实体的功能及特性，将其抽象成仿真模型元素。根据实体特性，一个实体可抽象成不同的元素类别，在建立模型时，需根据模型建立的目的，选择更高效、精准的元素。

某筒仓煤炭码头的主要实体与该系统WITNESS仿真模型物理元素之间的关系如表2所示。

(2)模型边界。系统故障维修服务模型的边界为各类故障的到达对应设备和故障排除各设备恢复正常工作；系统工作流模型的边界为虚拟工作流进入翻车进仓线和流体离开出仓装船线。

(3)模型总体布局。依据某筒仓煤炭码头的平面布置与工艺图，建立仿真模型。

(4)仿真模型主要数据。各设备的故障到达时间间隔(即故障频率)、故障修复时间，均属于随机变量。

(5)参数统计。根据仿真目的，统计有关数据，如一条线发生故障不能工作的概率及累计时间、 多条线发生故障不能工作的概率及相应累计时间、系统整体故障率及系统出现故障的累计时间等。

表2某筒仓煤炭码头装卸系统主要实体与WITNESS模型元素的关系

序号系统实体模型元素类别作用或性质1进仓皮带机故障Part临时实体,指数分布2卸料机故障 Part临时实体,指数分布3给料机故障 Part临时实体,指数分布4出仓皮带机故障Part临时实体,指数分布5装船皮带机故障Part临时实体,指数分布6装船机故障 Part临时实体,指数分布7翻车机故障 Part临时实体,指数分布8翻车机故障处理Machine维修设备,指数分布9进仓皮带机 故障处理 Machine维修设备,指数分布 10卸料机故障处理Machine维修设备,指数分布11给料机故障处理Machine维修设备,指数分布12出仓皮带机 故障处理 Machine维修设备,指数分布13装船皮带机 故障处理 Machine维修设备,指数分布14装船机故障处理Machine维修设备,指数分布15故障累积时间 Variable变量,统计时间16翻车进仓工作流Fluid流体17出仓装船工作流Fluid流体

表3　翻车进仓系统的仿真实验数据

通过修改随机数流，做4次仿真试验，得到翻车进仓系统的仿真实验数据如表3所示。

根据仿真试验数据，4条翻车进仓线中，有1条线因故障不能工作的概率比较大,其平均概率为17.8668%；有2条线不能同时正常工作的概率为0.8946%；3条线和4条线因故障同时不能工作的概率都很小，分别在0.034%和0.0119%，为小概率事件。基于以上的可靠性数据对筒仓煤炭码头的吞吐量进行估算[3]，结果显示，设计的筒仓煤炭码头装卸系统的可靠性基本达到要求。

4结语

筒仓煤炭码头工程是一个创新型的码头工程，其装卸系统可靠性的高低将直接影响码头通过能力和经济效益。这种基于离散事件动态系统仿真模型的方法可以得到较传统计算方法更为精准的可靠性数据，可以为筒仓煤炭码头设计预期吞吐量时的系统可靠性达标情况提供参考。

参 考 文 献

[1]卢明银. 系统可靠性[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008：3-15.

[2]张舒,贺铭革. 专业散货码头装卸系统可靠性分析方法[J]. 物流工程与管理, 2010(32)：60-62.

[3]艾弯，周强. 煤炭码头装卸工艺系统维修性预测[J]. 起重运输机械, 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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