摘 要

近年来，我国航运事业蓬勃发展，柴油机作为船舶的核心动力设备，在航行过程中运行工况多变、工作条件复杂、使用环境较差，十分容易发生故障。此外受海洋环境隔绝，机舱容量限制，航行中柴油机发生故障难以修复，情况严重时还会导致各种事故，甚至可能对船员生命安全产生威胁，造成一定财货损失。船舶柴油机的可靠性与航行安全、航运成本等息息相关，因此开展船舶柴油机的可靠性研究具有重要意义。

近几十年发展，在柴油机设计制造领域，我国已有一定经验积累，能满足基本可靠性水平，本文主要从柴油机的使用管理、维修保养角度出发，研究船舶柴油机的可靠性，主要结合可靠性技术、模糊集理论，运用故障树分析、模糊故障树分析等技术手段对柴油机多发故障进行分析，为轮机人员检修柴油机提出建议，提高其检修工作效率，对提高柴油机的可靠性具有一定参考价值。

本文首先介绍了柴油机可靠性分析的理论基础，再将故障树分析法应用于柴油机可靠性分析中，结合柴油机滑油系统温度异常这一故障，建立故障树，进行定性定量分析。最后针对柴油机故障情况复杂、故障数据难以统计等情况，引入模糊集理论，选择柴油机冒蓝烟故障为实例进行模糊故障树分析。

关键词：柴油机；可靠性分析；故障树；模糊故障树

Abstract

In recent years, our shipping industry has been booming. As a power output device for ships, diesel engines have a poor working environment, complex operating conditions, and varying operating conditions. They are prone to failure. In addition, due to the isolation of the marine environment, the capacity of the engine room is limited, and it is difficult to repair the diesel engine during navigation. If the engine is in serious condition, it will result in marine accidents and even human and property losses.The reliability of marine diesel engines is closely related to the safety of navigation and shipping costs. Therefore, it is of great significance to carry out the reliability study of marine diesel engines.

In recent decades, in the field of diesel engine design and manufacturing, China has accumulated certain experience and can meet the basic reliability level. This paper mainly studies the reliability of marine diesel engines from the perspective of the use of diesel engines, maintenance and maintenance, and mainly combines reliability. Technology, fuzzy set theory, fault tree analysis, fuzzy fault tree analysis and other technical means are used to analyze common diesel engine faults, provide advice for turbine engineers to overhaul diesel engines, increase their working efficiency, and have certain reference value for improving the reliability of diesel engines.

This paper firstly introduces the theoretical basis of diesel engine reliability analysis. Then, the fault tree analysis method is applied to the reliability analysis of diesel engine. Combined with the fault of diesel engine lubricating oil system, the fault tree is established and the qualitative and quantitative analysis is performed. Finally, aiming at the complex fault condition of diesel engine and the difficulty of statistics of fault data, the fuzzy set theory was introduced and the fuzzy fault tree analysis was selected by taking the blue smoke fault of diesel engine as an example.

Key Words：Diesel engine；Reliability analysis；Fault tree；Fuzzy fault tree

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2 可靠性技术发展的现状与发展趋势 1

1.3 船舶柴油机可靠性发展的现状与趋势 2

1.4 本文研究的主要内容和结构安排 3

1.4.1论文主要研究目标 3

1.4.2 论文主要内容及结构安排 3

1.5 本章小结 4

第二章 柴油机可靠性基本理论 5

2.1 可靠性相关概念 5

2.1.1 可靠性的定义 5

2.1.2 可靠性分类 5

2.2 船舶柴油机可靠性指标 6

2.3 船舶柴油机故障分布规律 7

2.3.1 柴油机结构及故障分析 7

2.3.2 船舶柴油机故障分布 10

2.4 本章小结 11

第三章 故障树与模糊故障树可靠性分析理论 12

3.1 故障树分析方法概述 12

3.1.1 故障树分析法简介 12

3.1.2 故障树建立规则及步骤 13

3.1.3 故障树的数学模型 14

3.2 故障树的定性、定量分析 15

3.2.1 故障树的定性分析 15

3.2.2 故障树的定量分析 17

3.3 模糊数学理论 18

3.3.1 模糊数学概述 18

3.3.2 模糊集与隶属函数 18

3.3.4 模糊语言变量 20

3.4 模糊故障树理论 21

3.4.1 模糊故障树概述 21

3.4.2 故障树分析的模糊算子 22

3.4.3 底事件模糊重要度 22

3.5 本章小结 24

第四章 传统故障树分析与模糊故障树分析实例应用 25

4.1 传统故障树分析应用 25

4.1.1 滑油系统温度异常原因分析及故障树建立 25

4.1.2 滑油系统温度异常故障树定性分析 27

4.1.3 滑油系统温度异常故障树定量分析 28

4.1.4 结果分析 31

4.2 模糊故障树分析应用 32

4.2.1 柴油机冒蓝烟原因分析及故障树建立 32

4.2.2 柴油机冒蓝烟模糊故障树定性分析 32

4.2.3 柴油机冒蓝烟模糊故障树定量分析 34

4.2.4 结果分析 38

4.3 本章小结 38

第五章 总结与展望 39

5.1 总结 39

5.2 展望 39

参考文献 40

致 谢 41

附 录 42

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

船舶可以看做是一个远隔陆地的独立系统，船舶只要离港开航，就只能依靠随船人员解决所有问题，再加上海上环境复杂，气象条件恶劣，任何部件发生故障都有可能导致海损事故发生，结果不仅影响航行任务的顺利完成，还有可能危及船员自身、造成财产或货物损失，严重情况下还会对海洋环境产生较大污染。因此保证船舶在较长时间内安全、可靠、稳定地运行，是保证航行任务顺利完成的必要条件。近年来，随着许多新技术成果相继在船舶上广泛应用，船舶逐渐向巨型化、信息化、无人化、高能效化等方向发展。这些新的发展趋向，都对船用机械设备的可靠性提出了更为严格的要求^[1]。船舶柴油机是最重要的船舶机械，不管作为动力装置，还是作为发电机原动机都占据绝对领导地位，是船舶中价值最高的机械设备，是船舶机械的心脏，其可靠安全地运行是保证安全、经济、可靠地航行地基本的条件。而船舶柴油机结构组成复杂（包含各大运动件和固定件）、工作环境恶劣（承受高温高压、交变应力），易发生故障，维护修理和备件补充比较困难。这些条件都大大降低了柴油机运行的可靠性，从而影响船舶运行的可靠性^[2]。因此对船舶柴油机可靠性失效模式进行定性和定量分析，有助于提高柴油机的使用性能和安全系数,技术性能、经济指标、工作寿命等，能减少柴油机的故障，降低维修工作量，对保证船舶航行安全和船员人身安全、防止海洋环境污染有着重要意义。

1.2 可靠性技术发展的现状与发展趋势

以市场需求为导向、以行业发展为推动、以工程实践为目的，这是国外可靠性技术得以迅速发展的三大要素^[3]。可靠性技术发展雏形始于二战期间，首先在军工装备领域得到应用，以维持和提高军用产品（如飞机、火箭及电子元件）的可靠性，保证作战安全。

德国研制V-II火箭时，拉瑟推导了概率乘积公式并算出V-II火箭可靠度约为70%，首次定量表达了产品可靠性。美国对可靠性的研究始于20世纪50年代初期，二战期间美国空军飞机屡出故障，美方高度重视这一情况，开始意识到提高产品可靠性的重要性。美国成立相关部门开展了数年关于电子元器件可靠性的调研分析并发布了著名的“AGREE”报告，对可靠性技术的发展提出了重要的指导意见。20世纪60年代，美国开始展开机械设备可靠性研究，首次将故障模式影响分析 (FMEA)等可靠性技术应用于“阿波罗计划”登月火箭的研制开发，这一事例在学术界引起了巨大轰动，各国争先开展可靠性技术的研究。因此可靠性技术发展源于军工电子产品，始于德国、美国。

我国的可靠性研究始于上世纪50年代，但刚开始发展的进度十分落后，直到60年代初期才进行了有关可靠性评定的独立、开创性的研究工作;70年代初期，我国成立专门组织对高可靠性电子元器件进行研究试验，奠定了我国可靠性数学发展的基础;80年代，我国吸收国外先进技术并结合国情，各部门联合在广州、上海、西藏等地建立了各种类型的试验基地制定了一系列可靠性相关基础标准，我国可靠性技术研究得以飞速发展，尤其在军工装备制造领域取得较为出色的成绩；90 年代初，我国可靠性工作稳步推进，可靠性技术发展进步突出，可靠性软件分析技术也形成一定雏形，并在不断拓展^[4]。虽然我国可靠性技术研究开展时间较早，但与西方发达国家相比，技术经验积累较少，还有巨大的提升空间与发展潜力。

现代可靠性技术得到长足发展，应用到产品的开发设计，运维保养各个环节。从研究领域来看，可靠性理论形成了可靠性数学、可靠性物理、可靠性工程3个独立学科^[5]。其常用技术主要有零部件有限元分析、故障模式与后果分析（FMEA）、可靠性框图建模（RBD）、故障树事件树分析（FTA、ETA）、可靠性分配、预计、贯穿失效数据统计分析、可靠性增长试验、风险（CA）分析等内容^[6]。另外，许多诸如贝叶斯理论、改进后的蒙特卡洛模拟法、模糊集理论、粗糙集理论、优化理论，专家知识理论^[7]等逐渐兴起的算法也在可靠性理论领域得到广泛运用。随着计算机程序开发技术的发展，可靠性技术逐渐与软件技术结合，各国相继开发了许多可靠性分析软件以供各行业使用，但是现有可靠性分析软件都是指定应用环境而开发的，主要在军事国防、航空航天和高精密电子仪器等领域使用较多，其拓展性和通用性较差。国外可靠性分析软件开发较早，功能较为齐全，发展非常成熟，流行的可靠性分析软件如附录A所示。

1.3 船舶柴油机可靠性发展的现状与趋势

船舶柴油机可靠性研究主要基于可靠性物理研究和可靠性工程研究两个领域，而在零部件的可靠性数学研究领域投入较少，相关数学模型都较为缺乏。在国外，柴油机可靠性研究有近20多年的技术积累，发展逐渐走向成熟。强度研究、刚度分析、有限元计算分析、模态分析、零部件可靠性分析、整机可靠性预计等研究方向都有所涉及^[3]。而且随着计算机技术、人工智能理论的发展，许多新兴技术如模糊集、粗糙集理论、支持向量机、神经网络等也相继应用于柴油机可靠性计算分析^[8]。国内船舶的可靠性研究工作始于90年代初，主要对连杆、活塞等结构相对简单的构件进行有限元静强度分析，对于受力复杂的大型构件难以进行定量分析研究。到90年代末期，计算机技术迅速发展、有限元分析软件得以完善，积累了大量材料的原始疲劳数据，在模态分析与噪声控制等研究领域也取得突破性的进展，使得对复杂构件可靠性分析成为可能^[9]。

总体而言，柴油机的可靠性研究工作基本在以下几个领域内进行：

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