深海调查绞车可靠性与摩擦性分析毕业论文.doc

青岛理工大学本科毕业设计论文 深海调查绞车可靠性与摩擦性分析毕业论文 目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1深海调查绞车概述11.1.1绞车带缆收放系统31.1.2 各绞车系统的结构和功能41.2 研究深海调查绞车的意义及目的、51.3 国内外深海调查绞车的现状和常用绞车51.3.1 背包式舷梯绞车61.3.2 气动平移舷梯绞车71.3.3 平行式分体绞车91.3.4 转角式分体绞车101.3.5 电动软梯绞车111.4 本课题研究的主要内容111.5 小结12第2章 绞车可靠性分析132.1 故障树分析法132.1.1建立系统故障树的基本步骤132.1.2故障树中使用的符号142.1.3故障树的定性分析142.1.4故障树的定量分析152.2 绞车组成和工作状态分析162.3卷筒材料的选择和技术要求172.3.1卷筒外壳材料的选择和技术要求172.3.2轴承座的选用和技术要求172.3.3轴承的选用及润滑172.3.4密封圈的设计和选择182.4卷筒轴承的失效192.4.1卷筒轴承失效机理192.4.2 卷筒轴承失效的故障树分析202.5密封件的失效222.5.1密封件失效的形式222.5.2密封件失效的故障树分析232.5.3预防密封件失效的措施252.6润滑脂的失效262.6.1物理力学因素引起失效262.6.2化学因素引起的失效262.6.3杂质引起的失效272.7 卷筒故障树分析及改进282.7.1 卷筒故障树示意图282.7.2卷筒轮毂失效分析302.7.3 牵引卷筒上钢缆张力分析312.7.4 储缆卷筒钢缆分析342.8 本章小结35第3章 绞车卷筒建模与有限元分析373.1绞车卷筒建模373.1.1 UG NX软件介绍373.1.2建立卷筒几何模型383.2 ANSYS简介423.2.1 软件功能简介423.2.2 前处理模块PREP7433.2.3 求解模块SOLUTION433.2.4 后处理模块POST1和POST26453.3 卷筒壳体的有限元分析463.4 轴承座的结果分析513.5卷筒轴的结果分析533.6 本章小结56第4章 卷筒轴承的弹流润滑分析574.1几何关系574.2无量纲参数584.2.1计算载荷参数584.2.2 计算速度参数604.3 载荷参数对润滑性能参数的影响614.3.1 载荷参数对压力分布和油膜厚度的影响614.3.2载荷参数对二次压力峰的影响634.3.3 载荷参数对最小油膜厚度的影响644.4 速度参数对润滑性能参数的影响654.4.1速度参数对压力分布和油膜厚度的影响654.4.2速度参数对二次压力峰的影响684.4.3速度参数对最小油膜厚度的影响694.5 本章小结70参考文献71致谢73附件174附件284 83第1章 绪论 随着世界海洋探索的不断深入，深海钻探、调查取样等各种新设备、新技术也随之应运而生，尤其是随着海洋开发领域的逐渐扩大以及海洋调查深度的不断加深，使得对深海调查绞车的可靠性与工作效率越来越高。所以分析和研究海洋深海调查设备就成了深海钻探开发工作中的重要组成部分。 深海调查绞车是深海调查仪器投放和回收的特种甲板设备。它在深海取样、CTD调查等工作中起到了很重要的作用。传统的调查绞车通常采用单卷筒和导缆辊子的方式，在浅海调查中具有负载小、系统简单等特点，能很好的完成投放和回收工作，但随着调查深度和范围的不断扩大，钢缆的长度也越来越大，目前最大要求长度超过10 000m，下放仪器后钢缆和仪器的重量会使钢缆的张力很大，导致钢缆不能在卷筒上均匀整齐的排缆，经常停止工作来调整钢缆位置不仅降低了工作效率，而且钢缆之间摩擦和挤压，会加剧钢缆磨损，缩短使用寿命，所以传统的绞车不能够满足深海调查工作的需要。目前国际上以美国的DYNACON为代表的公司针对传统绞车在深海调查中的这些缺点作了很多的研究工作，取得了大量的成果，并有了较成熟的产品。他们采用了牵引机构和储缆机构分离的技术，来解决钢缆张力大和排缆之间的矛盾，工作时钢缆在牵引卷筒上缠绕几圈，释放掉大部分的张力后可以整齐地缠绕在储缆卷筒上传统的单卷筒绞车通常采用电动或者液压的驱动方式，系统只驱动一个卷筒，不需要复杂的控制，而深海调查绞车在结构上分成了牵引机构和储缆机构等几部分，系统需要一个控制及时和传动精度高的系统来控制这几部分协调工作，使牵引卷筒和储缆卷筒速度保持一致，以免二者之间的钢缆过松或者过紧，影响绞车的工作，甚至会损坏钢缆。1.1深海调查绞车概述 如图1-1所示，深海取样绞车在结构上主要由牵引卷简、储缆卷筒、直角排缆器及传动和控制部件组成的。牵引卷筒带有68个缆槽，是绞车的承载部分，储缆卷筒是绞车钢缆的储存机构，根据文献所述，在放缆或者收缆时，控制储缆卷筒的速度，可以调整牵引卷筒和储缆卷筒之间钢缆的张力，使其保持在牵引卷筒前钢缆(负重端)张力的1015之内，钢缆受力处于平衡状态，不会在牵引卷筒上滑动，同时可以顺利地缠绕在储缆卷筒上。图1-1 绞车收放系统机构示意图 深海调查设备与支持母船通过一条脐带缆相连，从母船获得动力并传输信息这条缆通常也是深海调查设备的起吊缆，深海调查设备脐带缆收放绞车是其入水和回收的重要设备。浅海作业时深海调查设备脐带缆绞车一般采用单卷筒的结构，承担脐带缆的提升和储存工作。但是随着人类对海洋研究范围的不断扩大和海洋开发技术的发展，深海调查设备的作业深度不断加深。随着脐带缆长度的加长，在深海调查设备的收放过程中会出现以下变化： （1）由于深海调查设备在水中一般呈中性浮力状态，因此在深海调查设备入水后绞车的负载主要是脐带缆和中继器的水中重量，脐带的重量与入水深度成正比，作业不大时，主要是中继器的水中重量。随着作业深度的增加，脐带缆的重量也随之不断增加，并将超过中继器的水中重量，逐渐成为脐带缆绞车的主要负荷。 （2）由于脐带缆长度的增加，同时受导向轮入角的限制，绞车的长度不可能太大，造成脐带缆在绞车上的缠绕层数增加，绞车卷筒的容纳体积相应增加，使得绞车的半径和转动惯量随之增大，所需驱动力矩也大大增加。 （3）脐带在绞车上各层之间的张力变化较大，在深海调查设备出水前张力最小，而在深海调查设备出水后浮力消失重量突然增大，导致绞车最外层缆张力远大于出水前缠绕的张力，这会产生外层缆进入内层，造成脐带缆排列混乱，并容易使脐带缆受到严重的损坏。为解决单卷筒绞车在收放长缆时存在的问题，大深度深海调查设备的脐带缆绞车可采用双绞车结构，将脐带缆的储存和提升功能分离，即由牵引绞车承担提升功能，由储存绞车承担储存功能，能够使脐带缆在储存绞车上的缠绕张力在一个较小的范围内变化，避免出现上述问题。针对深海深海调查设备脐带缆收放的需求，对双绞车收放系统的结构形式、受力状态和最大驱动功率等方面进行了研究，以作为此类绞车设计的指导。1.1.1绞车带缆收放系统 系统的构成和工作原理 绞车带缆收放系统由牵引绞车和储存绞车组成，牵引绞车布置在深海调查设备 收放A 型架的后面，储存绞车顺序布置在牵引绞车的后面，见图1 所示。 牵引绞车由结构相同、顺序排列的两个绞盘构成，每个绞盘上带有多个平行缆槽。连接深海调查设备 中继器的脐带缆通过A 形架上的导向轮后进入牵引绞车，在两个绞盘上交替缠绕，再通过导向轮进入储存绞车。储存绞车为卷筒结构形式可容纳全部脐带缆，轴线沿脐带缆收放方向布置在牵引绞车后方。脐带缆由牵引绞车进入储存绞车，通过导向轮和排缆机构在卷筒上缠绕。绞车工作时，脐带缆由负重端进入牵引绞车，依次在牵引绞车的两个绞盘上缠绕多圈后（通常有6 个缆槽），两个绞车盘同步驱动，由缆槽与脐带缆之间的摩擦产生提升力。由于脐带缆在牵引绞车缠绕圈数较多，在牵引绞车出缆处的张力相对于入缆处大大减少。因牵引绞车的“放大”作用，储存绞车只需保持一个较小的张力（通常只需提升力的1/20），就可以满足提升深海调查设备的需要。采用这种双绞车结构可以解决以下问题： （1）将提升和储存功能分开，由牵引绞车产生提升力，避免了由于缠绕半径变化对驱动力矩的影响，减小了最大驱动力矩。同时将负荷分配在两个绞盘上，也减少了单个驱动机构的功率。 （2）将储存绞车沿轴向布置，卷筒长度不再受排缆轮偏角影响，卷筒长度可大大增加，使脐带缠绕层数控制在较小范围内，也减小了转动惯量的增大，降低储存绞车的驱动功率。 （3）脐带缆在卷筒上缠绕的张力远小于脐带缆的提升力，因此即使在深海调查设备出水的瞬间，提升力突然增大，脐带缆最外层的张力仍然能够维持在一个很小的张力范围，可以避免外层缆进入内层。1.1.2 各绞车系统的结构和功能储存绞车 储存绞车由卷筒，排缆机构，以及导向轮组成。排缆机构包括排缆丝杠、排缆轮及行程开关。结构和功能如下： （1）卷筒 卷筒的主要功能为容纳脐带缆，并为牵引绞车提供初始张力。卷筒结构要求如下：卷筒的直径不得小于最小曲率半径（脐带缆正常工作的最小半径）；卷筒必须要足够容纳所有的缆；为了缆能够整齐排布，必须控制缠绕的层数，一般不超过6 层；在卷筒上制作螺旋槽，使缆在槽中排布可改善滚筒的受力，便于缆在滚筒上均匀排布。 （2）排缆机构 排缆机构包括导向杆、传动丝杠、排缆轮、行程开关等。导向杆和传动丝杠平行于卷筒轴线安装，且与卷筒位置固定。排缆轮安装在导向杆上，由丝杠带动在卷筒长度范围内移动，排缆轮的半径不小于脐带缆的最小曲率半径。绞车进行收放时，储存绞车每转动一圈，排缆轮移动一个导程的距离，保证脐带缆在卷筒的出入缆方向始终与卷筒的轴线垂直，使缆在卷筒上紧密排列。行程开关安装在丝杠的两端，当收放到每一层的最后一圈时，排缆轮触动行程开，控制丝杠转动换向，储存绞车进入下一层脐带缆的收放。 （3）导向轮 导向轮的作用是将脐带缆从牵引绞车引导至储存绞车的排缆轮，其数量和位置应根据脐带缆转向过渡需要确定。导向轮的半径不得小于脐带缆的最小曲率半径。牵引绞车 牵引绞车由结构相同、前后排列的两个绞盘组成，如图1-2 所示。右边为绞盘1，左边为绞盘2，每个绞盘有多个环形缆槽（通常6个即可满足需要）。深海调查设备 收放时，脐带缆由绞盘2第1道缆槽水平入缆，绞盘2 第1 道缆槽起引导作用不受力，随后进入绞盘1，在绞盘1第1道缆槽缠绕180，缆从上端进入（实线表示）下端出（虚线表示），再进入绞盘2 缠绕180，缆从下端进（虚线表示）上端出（实线表示），依次缠绕2 个绞盘的各缆槽，最后缆从绞盘1 最后一道缆槽水平出缆，绞盘1 最后一道缆槽只起引导作用不受力。由于绞盘缆槽和缆的摩擦力作用，牵引绞车入缆的张力远小于出缆的张力。这样牵引绞车与脐带缆的摩擦力提供的深海调查设备收放时主要的拉力。图1-2 牵引绞车1.2 研究深海调查绞车的意义及目的、收放绞车是海洋石油铺管船上重要的铺管调查设备之一，主要用于铺管过程中弃管以及后续重新铺管是的收管，也可用于其他拖曳和起重等辅助工作。收放绞车由双滚筒摩擦绞车和储存缆车组成，储存缆车的主要作用是储存钢缆。在钢缆收放过程中，要求排缆器将钢缆整齐地排列在滚筒上。 因此，本课题研究从可靠性分析、运动分析及力学分析以及卷筒轴承润滑分析等方式进行求解和不断改进设备使用的可靠性。研究成果对于提高深海调查绞车的使用寿命有较大的应用价值，从而提高使用的可靠性与生产效率。1.3 国内外深海调查绞车的现状和常用绞车随着我国海洋勘探能开发力度的不断加大和国内技术水平的不断提高，研究和开发属于我国自主知识产权的海洋调查设备及海洋调查绞车是从事石油装备研究人员的当务之急。我国在陆地和海洋石油勘探开发方面已积累了几十年的经验尽管受国内基础工业和技术条件等多种因素的限制，发展速度相对较慢，但就铺管设备和铺管绞车等硬件设施而言，我国已完全具备自主研发的能力。 从国内目前的情况分析，建议初步设计研制时可考虑从实际使用条件出发，先从研制单滚筒绞车开始，采取分步骤。按阶段开发措施，即由浅水到深水，由小吨位到大吨位的思路来开发调查绞车则比较稳妥。另外国产化调查绞车的研制不仅充分借鉴外国产品的先进经验，不断跟踪调查作业新工艺、新方法，而且还应考虑不同海域的作业要求等特点，如我国在南海尽管已经做了许多工作，但至今没有在南海进行大规模的深水油气生产。国外调查绞车的发展状况：目前调查船设备的开发研制方面，美国、意大利、荷兰、挪威等国家起步较早，发展速度较快，荷兰SAS公司成立于1896年，自1896年开始生产铺管调查绞车，至今仍然是铺管船设备的著名供应商。其产品从浅水到深水成系列发展，已经生产了百余套铺管作业设备，其中铺管绞车拉力级别已经从250KN发展到5000KN。意大利Remacut成立于1952年，1974年开始涉及海洋铺管调查作业设备。美国Westech公司是世界著名的海工设备制造商，研制海洋铺管调查绞车已有近30多年的历史。荷兰Bodewes公司是生产大型绞车的专业制造商，其生产研制的绞车多为海洋深水项目设备。 下面列举几种国内常用的船用绞车：1.3.1 背包式舷梯绞车主要用于船舶系泊是升降舷梯以及船舶进港时升降引水员梯时使用，共分为五种规格6kN、8kN、10kN、12kN、16kN。工作原理与结构特点该绞车是国内首创的新型电动舷梯绞车，其最大特点是，将吊架与升降绞机合为一体，布置紧凑，本绞车结构合理，节省甲板面积，是舷梯设备实行模块造船的一种理想形式。除电动机配备制动器刹车外，齿轮箱采用涡轮、涡杆自锁结构，工作可靠，由一名操作者可移动按钮盒，在旁边操作舷梯的收放，提升和下降，操作方便可靠，在停电时亦可手工操作。本绞车形式分左、右机型，左右对称制作。图1-3 背包式舷梯绞车 维护保养：齿轮箱每运转50小时后应清洗换油，但每年至少更换一次，润滑油牌号为N68（GB443-89）机械油，油面应达油标心。卷筒两端轴承座内每6个月加注润滑脂ZG-3(GB491-87）一次。经常检查各部件有无松动，软梯及扶手绳是否损坏，接头是否牢靠，如有损坏及时修复，谨防事故发生。表1 主要技术参数支持负载 6kN 8kN 10kN 12kN 16kN工作负载 18kN 24kN 30kN 36kN 48kN钢索直径 8 9 11 12 13电机功率380V 50Hz 1.5kW 2.2kW 3.7kW 3.7kW 5.5kW440V 60Hz 1.8kW 2.5kW 4.0kW 4.0kW 6.3kW电机转速380V 50Hz1350r/min1315r/min1350r/min1350r/min1350r/min440v 60Hz1655r/min1625r/min1670r/min1670r/min1655r/min工作方式30min提升速度6m / min1.3.2 气动平移舷梯绞车主要用于游轮生舷梯及引水员梯的升降、平移，系气动马达驱动，安全可靠。工作原理及结构特点该舷梯绞车是国内首创的气动舷梯绞车，其最大特点是，结构简单，吊架与气马达合为一体，一台绞车完成起升、平移两种动作，布置紧凑，齿轮箱采用涡轮涡杆自锁（该结构为ISO7364所推荐形式）结构，运行平稳，工作可靠，操作简便，由一名操作者在舷梯的收放，升降，使提升和收放动作连续完成，此绞车也可手动操作舷梯，无需再甲板上另外安装绞车买节省了甲板面积，是舷梯设备实行模块化造船的一种理想形式。图1-4 气动平移舷梯绞车表2 主要技术参数工作负载812kN1316kN支持负载2436kN3948kN钢索直径911mm1213mm气马达功率3.55.5 PS5.57 PS耗气量3.55.5 /min5.57 /min气压0.50.7MPa提升速度3.510m /min 1.3.3 平行式分体绞车工作原理与结构特点 该绞车卧式安装于甲板上，并分有对称制造的左右机型。本绞车由法兰电动机或气马达、减速齿轮箱、卷筒、双向棘轮扳手等部件组成，并没有手动收放装置。电动绞车设有联锁限位开关，气动绞车设有连锁阀、过滤器、油雾器等。减速齿轮箱采用三级渐开线圆柱直齿轮传动，传动轮通过键与轴联接，轴的支撑处没有滚动轴承，在第二级大齿轮与轴连接处采用螺旋式载荷自制制动装置。表3 主要技术参数电动绞车工作负载812kN1316kN支持负载2430kN3948kN钢索直径9912mm1315mm电机功率380V 50Hz2.2kW3.7kW440V 60Hz2.5kW4.0kW点击工作方式30min提升速度510m/min气动绞车工作负载812kN1316kN支持负载2436kN3948kN钢索直径911mm1213mm气马达功率3.55.5PS5.57PS耗氧量3.55.5/min5.57/min气 压30min 提升速度5-10m/min1.3.4 转角式分体绞车图1-5 转角式分体绞车表4 主要技术参数电动绞车工作负载812kN1316kN支持负载2430kN3948kN钢索直径912mm1315mm电机功率380V 50Hz3.7kW5.5kW440V 60Hz24.0kW6.3kW电机工作方式30min提升速度510m/min气动绞车工作负载812kN1316kN支持负载2436kN3948kN钢索直径911mm1213mm气马达功率3.55.5PS5.57PS耗氧量3.55.5/min5.57/min气压30min提升速度510m/min1.3.5 电动软梯绞车工作原理与结构特点启动软梯绞车是由气马达驱动蜗杆减速器及一级开式齿轮，使卷筒低速转动，由于传动中没有制动装置，故选用可以自锁的蜗杆减速器。根据软梯特点，卷筒设计成直径较细，两端挡板较高的结构形式。本绞车在停气时也可手摇。在放置手柄处设有联锁阀，如果取走手柄，联锁阀关闭气源，手柄放回原处，联锁阀锁住手柄，气源开通。通过手轮，链轮传动，绞车可以在座驾上轴向移动，以满足在不同位置收放软梯，供人员上下。表5 主要技术参数 额定负载 2000N支持负载3000N起升速度4.825.5m/min 容绳量22m气马达型号Pending 功 率3.5PS 转 速1200r/min 工作气压0.50.7MPa耗 气 量3.5/min 移动方式手动 Manual维护保养减速器内注入N68（GB443-89)机械油，油面应达油标中心，每年更换一次。卷筒两端轴承座内每6个月加注润滑脂ZG-3(GB491-87）一次。经常检查各部件有无松动，软梯及扶手绳是否损坏，接头是否牢靠，如有损坏及时修复，谨防事故发生。1.4 本课题研究的主要内容本课题在总结和汲取前人研究的基础上，计划采用机械可靠性设计原理与摩擦学性能分析对深海调查绞车可行性的研究。主要研究内容与思路如下：1) 深海绞车可靠性分析。主要演绎的方法找出对影响绞车的安全高效的工作的事件直接因素和可能的原因。2) 卷筒受力分析和运动分析：主要采用有限元分析绞车在工作过程中卷筒的各项指标。3) 卷筒轴承润滑分析，结合软件通过流体润滑数值分析们提出改进意见。1.5 小结深海调查绞车作为海洋调查仪器投放的设备，它的性能好坏是调查任务工作效率很重要的因素之一，同时还影响着钢缆和绞车的使用寿命，所以，各个国家的研制单位都非常重视对它的研究。在综合分析影响深海调查绞车的可靠性因素的基础上，建立了对深海调查绞车可靠性进行模糊评价的评价指标体系，提出用于深海调查绞车的可靠性模糊综合评价的多目标多级模糊综合评价的数学模型。 第2章 绞车可靠性分析2.1 故障树分析法故障树分析方法是目前故障诊断中使用较多的方法之一，也是一种安全可靠的分析方法，它在系统的故障经验的基础之上，采用逆向推理将系统级的故障现象顶事件与最基本的故障原因（底事件）之间的内在联系表示成树状的网络图，各层事件通过“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑关系相关联。它通常将系统的故障状态称为顶事件，然后找出系统故障和导致系统故障的各原因之间的逻辑关系。并将这些逻辑关系用逻辑符号表示出来，由上而下逐层分解，直到不能分解为止，推导出各故障和各单元故障之间的逻辑关系，利用这种逻辑关系从观测到的顶层事件出发，逐渐向下进行分析，最终找出对应的底层故障原因。通过对这棵故障树的进一步分析，可以判断最不希望的故障的产生过程和系统失效的原因(或原因组合)，还可以判定故障发生的可能性，确定系统的薄弱环节，从而为改进系统设计提供依据。因此，FTA分析法具有以下特点：（1）故障树分析具有很大的灵活性；（2）它是一种图形演绎的方法；（3）通过故障树可以定量地计算复杂系统的故障概率及其他可靠性参数，为改善和评估系统可靠性提供定量数据；（4）进行FTA的过程是一个对系统更深入认识的过程。应用故障树分析故障时，主要包括以下基本步骤，见图2-1。图2-1 基本步骤2.1.1建立系统故障树的基本步骤 （1）首先选择和确定顶事件。顶事件是整个系统最不希望发生的事件，也是进行逻辑分析的故障事件。 （2）其次再对顶事件进行分析。寻找引起顶事件发生的直接的必要和充分原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系。 （3）分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件，如同步骤(2)中对顶事件那样进行处理。 （4）重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止，即建成了一棵倒置的故障树。2.1.2故障树中使用的符号（1）主要事件符号矩形符号：表示故障事件，在矩形内注明故障事件的定义。它下面与逻辑门相联，表明该故障事件是逻辑门的一个输出。它可以表示除底事件以外的所有中间事件和顶事件。圆形符号：表示底事件，也称基本事件。只作为逻辑门的输入而不能作为输出。（2）逻辑门主要类型与门：表示输入事件同时发生输出事件才发生，这种逻辑关系称为事件交。或门：表示输入事件中至少有一个发生，则输出事件发生，这种关系称为事件并。（3）故障树用的转移符号，如表1表1 故障树转移符号2.1.3故障树的定性分析 对故障树定性分析的主要目的是为了找出导致顶事件发生的各种原因和原因组合，识别导致顶事件发生的所有故障模式可以用于指导故障诊断和维修方案。（1）割集和最小割集割集为故障树中一些底事件的集合，当这些底事件都发生时，顶事件必然发生，若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集，该割集就是最小割集。一个最小割集代表系统的一种故障模式，故障树分析的一个主要任务就是要寻找故障树的全部最小割集。将导致系统故障发生最小故障模式的集合称为最小割集。设故障树中有n个底事件,c为某些底事件的集合，当其中全部底事件都发生时，顶事件才发生，则称c为故障树的一个割集。若c是一个割集，而任意去掉其中一个底事件后就不是割集了，这样的割集称为最小割集。换言之，一个最小割集是包含了最小数量而又必须的底事件的集合。（2）求最小割集的方法求最小割集的方法通常有两种：Fussed法和Semanderes法。Fussed法又称下行法,下行法是求最小割集的常用方法，该方法的要点是利用“与门”增加割集的容量、“或门”增加割集的数目这一性质。该算法沿着故障树自上而下进行，即从顶事件开始，依次将上排底事件置换为下排底事件。遇到与门，将门的输入横向并列写出，遇到或门则门的输入竖向串列写出，直到全部的门都被置换为底事件为止,即可求得全部割集。得到全部割集后，再应用集合运算规则将全部割集加以简化、吸收，去掉那些非最小割集部分，剩下的即为故障树的全部最小割集。（3）最小割集的定性比较按每个最小割集所含底事件数目(阶数)进行排序，在底事件发生概率较小，差别相对不大的条件下：(a)阶数越小的最小割集越重要。(b)在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要。(c)在不同最小割集中重复出现次数越多的底事件越重要。2.1.4故障树的定量分析对故障树定量分析的任务是定量的计算顶事件发生概率和底事件重要度，从而对系统的可靠性、安全性作出评估。定量分析采用早期不交化法，即将若干个相关联的事件的并集分解成互不相容事件的并集，对顶事件的特征量进行了精确计算。底事件概率重要度反映了底事件发生概率的变化对顶事件发生概率的影响程度，它可以用来衡量降低各底事件的发生概率对于降低顶事件的贡献的大小，从而确定哪个底事件的发生概率对顶事件发生概率的影响最大。底事件发生概率重要度的计算方法是，在故障树所有底事件相互独立条件下，第i个底事件的概率重要度计算公式为： （2-1）式中：为故障树的顶事件发生故障概率函数。由故障树的最小割集可以计算出顶事件的发生概率。常用方法是利用容斥原理计算。底事件结构重要度说明了底事件在故障树结构中的重要程度，它表示底事件在故障树结构中所占地位对顶事件造成的影响程度，它并不表示底事件发生概率的特征，仅从故障树所描述的逻辑关系中判断底事件的关键程度。故障树中第i个底事件的结构重要度计算公式为： (2-2）式中：是故障树的结构函数2.2 绞车组成和工作状态分析图2-2 深海调查绞车组成示意图 如图2-2所示，深海取样绞车在结构上主要由牵引卷筒、储缆卷筒、直角排缆器及传动和控制部件组成的。牵引卷筒带有68 个缆槽，是绞车的承载部分，储缆卷筒是绞车钢缆的储存机构，在放缆或者收缆时，控制储缆卷筒的速度，可以调整牵引卷筒和储缆卷筒之间钢缆的张力，使其保持在牵引卷筒前钢缆（负重端）张力的10%15%之内，钢缆受力处于平衡状态，不会在牵引卷筒上滑动，同时可以顺利地缠绕在储缆卷筒上。导缆轮和排缆丝杠等部件组成直角排缆器，在不改变牵引卷筒和储缆卷筒间钢缆张力的情况下，可以减小钢缆在储缆卷筒上的排缆角，而且能够适应不同直径的钢缆，它的传动精度和响应速度是影响储缆卷筒上钢缆能否排列整齐的重要因素。直角排缆器和储缆卷筒协调运动，可以使牵引卷筒和储缆卷筒之间钢缆的张力同牵引卷筒前钢缆的张力相适应。由以上分析可知，深海调查绞车此种结构形式主要有以下的特点： （1）由于船舶随波浪的上下运动而导致的钢缆张力突变，经过牵引卷筒衰减后，钢缆张力值很小而且稳定，不会影响储缆卷筒的排缆； （2）较小张力的钢缆缠绕在储缆卷筒上，可以避免大张力钢缆长期的弹性变形变为永久的塑性变形，从而延长钢缆的使用寿命； （3）缠绕在储缆卷筒上的低张力钢缆不会由于互相积压和叠加造成钢缆的磨损，而且对卷筒筒体和轮缘的作用力也会很小。2.3卷筒材料的选择和技术要求2.3.1卷筒外壳材料的选择和技术要求卷筒通常用无缝钢管制成外壳，为节省材料费、降低成本，也可使用有缝钢管做外壳，但焊缝要求较高，以免刮破胶带。现在也有使用 PVC 管材，玻璃钢、橡胶、陶瓷管做外壳，后几种好处是耐腐蚀、不生锈、密度小，除玻璃钢外承载负荷比钢管低。2.3.2轴承座的选用和技术要求轴承座一般有铸铁轴承座和冲压轴承座两种。现在针对这两种轴承座的优缺点进行分析，比较如下。 表2-2铸铁轴承座和冲压轴承座性能及技术要求对比从表2-2中可以看出，冲压轴承座使用起来要比铸铁轴承座占很多优势。因此，铸铁轴承座有逐渐被淘汰的趋势。2.3.3轴承的选用及润滑目前主要使用的是深沟向心球轴承和圆锥滚子轴承。在工作环境较为恶劣的环境下，一般采用圆锥滚子轴承。通常设计中轴承采用大游隙球轴承，在运行过程中干化的润滑脂始终处在滚动体之间，不能自动排出，从而加快轴承的磨损降低使用寿命。为了克服此不足并增大卷筒承载能力，设计中应采用承载能力大的圆锥滚子轴承，在运行过程中干化的润滑脂可自动排出滚动体。在卷筒轴承的选择上，早期通常采用204、205系列滚动轴承。随着专用轴承的不断涌现，现在一般倾向于使用专用轴承，这样可以大大地提高轴承的整体质量。轴承是卷筒的重要部件，其选用是否适当，质量优劣，关系着卷筒的使用寿命。在运转过程中，卷筒的转速较高，主要承受径向力，但同时承受着一定的轴向力。根据以上特点及卷筒成本，实际制作中一般采用深沟球轴承。305轴承的制造精度为G级，游隙为基本组，保持架一般采用低碳钢板冲压而成。该轴承对卷筒两端轴承座及轴的同心度要求较高，内圈和轴采用过渡或小过盈量配合，实际运转中，卷筒噪声大，保持架易生锈。过度磨损是滚动轴承的主要失效形式，而润滑不当、润滑剂品种或成份不合适是造成过度磨损的关键因素之一。因此，在选择滚动轴承的润滑方式、润滑剂品种时必须高度重视。从润滑方式看有两种方式：一次性注油润滑，这种不适合于长期运转的卷筒，当卷筒处于后期磨损时，其运行阻力增大较快，同时轴承的寿命也较短； 可注油式润滑方式，这种方式可以保持轴承处于良好的润滑状态，同时又可以将轴承滚道内的污物排除，提高轴承的使用寿命，卷筒运行阻力基本维持恒定。滚动轴承所用润滑剂分为三大类，即润滑油、润滑脂和固体润滑剂，其中润滑脂的应用最为广泛。卷筒因其结构的限制和使用条件的要求，一般采用脂润滑。煤矿中常用的润滑脂有三大类：钙基润滑脂、钠基润滑脂和锂基润滑脂。钙基润滑脂俗称黄油，是最早使用的脂，价格低廉，耐水性较好，防水性一般，适用于6080以下温度，有的品种使用温度可达120，但价格也相应上升，耐热性差，不可加热溶化使用，以免变质。钠基润滑脂的使用温度高于钙基，各项性能与钙基相近，但它的耐水性差，适用于干燥的工作环境。锂基润滑脂有极好的剪切安定性、很好的耐水性、防锈性、抗氧化性以及较好的耐磨性和抗压性，而滴点可达190甚至更高，摩擦系数比一般脂低，允许轴承有较高的工作转速。锂基润滑脂的价格偏高，也不能与其它脂混用。2.3.4密封圈的设计和选择卷筒密封性能的好坏，对于卷筒的使用寿命有很大的影响。密封是为了防止外界灰尘、煤粉、水分等侵入轴承。轴承密封结构是影响卷筒使用寿命和运转阻力的一个重要因素。若密封不好，轴承就容易失效。在通用机械中，轴承的密封结构主要有三种方式：迷宫式密封，这种密封方式运转阻力小，防尘性能好，但是防水性能差，密封效果稍差，而且，迷宫式密封的卷筒在低温下工作时，其旋转阻力较常温下成倍增加，低温地区使用时一定要注意，有的采用径向式迷宫，也有的卷筒使用双套，效果更好，但较繁琐；接触式密封，密封效果较非接触式好，但是运转阻力偏大，用于旋转速度不太高的情况；组合式，这种是结合前面两种优点的一种混合密封方式。2.4卷筒轴承的失效 2.4.1卷筒轴承失效机理在理想的运转条件下，滚动轴承在任何应用中都将因疲劳而最终停止运转。然而，由于卷筒运转的环境恶劣，卷筒轴承的密封难以保证，致使卷筒轴承失效。导致卷筒轴承失效的原因十分复杂，除了常规的疲劳失效外，固体颗粒、腐蚀性的气体和液体侵入滚道，润滑脂老化，配合零件不同心和密封间隙不适当等都可导致卷筒轴承的实际使用寿命大大低于计算的名义寿命。卷筒的使用寿命主要取决于轴承及密封的性能，如果卷筒具有良好的密封性能(如采用组合密封)，那么卷筒的使用寿命就能大大延长。轴承不仅对卷筒使用寿命有重大影响，而且对卷筒旋转阻力也有一定的影响。测试结果表明：轴承的摩擦阻力约占卷筒旋转阻力的1/41/8。分析国内卷筒轴承失效的原因，主要包括如下几个方面：1) 疲劳破坏。滚动轴承在工作过程中，滚动体和内(外)圈不断地转动，滚动体与滚道接触表面受脉动载荷的反复作用，首先在表面下一定深度处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面，形成疲劳点蚀，致使轴承不能够正常工作。一般来说，疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式。2) 正常磨损。滚动体和滚道由于有相对运动，因而就会产生磨损。滚动轴承的座圈滚道严重磨损将影响轴承的正常工作，破坏轴承与壳体、轴与轴的正确配合关系，产生噪声。产生的主要原因可能是座圈内落入沙尘、金属碎屑等异物，或者污物和磨损的铁屑进入润滑油脂就会破坏滚道面的油膜形成，甚至造成局部应力集中，加剧磨损发生。润滑油不足及润滑油质量不符合要求等也会产生磨损。3) 表面胶合。机油质量、牌号不符合发动机用润滑油要求，保管不当，进水使机油变质(变成土黄色)，失去润滑功能。润滑不好时，相对运动表面会有胶合现象。这是因为局部发生温度过高，金属晶粒从一个表面转移到另一个表面，严重时会引起疲劳剥落。这种情况常常发生在滚动体端面和导环发兰面上。如果轴承配合过松，会出现内外圈与轴或轴承座相对转动而引起表面胶合。4) 塑性变形。当轴承转速很低或间歇摆动时，在很大的静载荷或冲击载荷作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限，产生塑性变形(滚道表面形成变形凹坑)，而使轴承在运转中产生剧烈振动和噪声，若变形量超过一定范围，将导致轴承不能够正常工作。这种情况一般发生在低速运转的轴承上。5) 腐蚀。轴承内部含有水分或者化学成分，油膜无法保护金属表面， 迅速导致轴承生锈或化学腐蚀。6) 电蚀。由于在设备上进行焊接时，不正确的焊接方法，导致焊接电流通过轴承，引起轴承表面电蚀。7) 气蚀。因转速变化引起润滑油流速的改变，油中产生气泡，气泡破裂时产生的压力连续冲击合金表面，导致合金表面损伤而造成的。这种现象在高速、大负荷时尤为剧烈。8) 剥落。承受负荷而又相对运动的接触表面，由于反复承受负荷，使表层金属成片状剥落下来，致使轴承不能正常工作。9) 使用维护以及保养不良，润滑密封不良的原因，轴承内外圈、滚动体、保持架等都会发生断裂、破碎，同上述剥落一样，众多因素都会导致轴承失效。10) 轴承烧伤。滚动轴承的轴承内，外圈及滚动元件一般用高纯度的特种铬合金钢制成，硬度相当高。但如果润滑不良、润滑油质量不符合要求，润滑油不清洁，混有异物或者润滑油不纯，所含的化学杂质(酸性氧化物等)侵入到轴承滚动体引起的，氧化物产生主要是机油高温氧化的结果。温度低于l50时，腐蚀较为缓慢。使用时应注意润滑油和冷却水的温度，切忌在高温下工作。轴承选型不当、安装欠妥都可能使轴承烧伤，使轴承滚道、滚动体回火损伤。11) 轴承本身的制造质量差，引起的失效。12) 轴承的装配质量较差，引起轴承失效。 2.4.2 卷筒轴承失效的故障树分析（1）建立轴承失效的故障树在对卷筒轴承进行失效模式与原因分析的基础上, 运用故障树原理与方法, 建立轴承失效故障树。以卷筒轴承失效作为顶事件, 第一步找出直接导致顶事件发生的各种可能的因素和因素组合,由于它们任何一个发生都会导致顶事件发生, 因而用逻辑或门符号将它们连接起来。其次再找出引起第一步中各因素发生的直接原因, 如塑性变形是由“冲击、振动”“安装失误”和“过载”等原因引起的。循此格式逐级向下演绎, 直至找出各个基本事件(底事件) 为止, 并用一定的逻辑门符号连接起来, 这样就得到如图所示卷筒轴承失效的故障树。 图2-3 卷筒轴承失效故障树示意图卷筒轴承失效为T，M1为疲劳破坏，M2是轴承的塑性变形，M3为润滑失效，M4是轴承腐蚀，M5是其他因素，M6安装失误，M7过载、冲击振动，M8油温过高，M9油质不合格，M10为系统失效，X1为疲劳点蚀，X2是正常的疲劳磨损，X3是主轴偏心，X4为主要螺栓失效，X5为突然过载，X6为超载工作，X7是过载，X8为冷却装置失效，X9是环境温度高于600C，X10牌号错误，X11杂质，X12变质，X13油路堵塞，X14元件失效，X15漏油，X16气蚀，X17电蚀，X18剥落，X19轴承烧伤，X20制造质量和装配质量差。（2）轴承失效故障树的定性分析通过计算，轴承失效故障树共有19个最小割集, 其中18个一阶最小割集, 1个二阶最小割集。最小割集为：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8,X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20。一阶割集只包含一个底事件, 也即只要这个底事件失效, 系统即失效。二阶割集包含两个底事件, 必需这两个底事件同时失效, 系统才失效。因此, 要提高轴承的可靠性, 必需首先提高所有一阶割集中底事件的可靠性。（3）轴承失效故障树的定量分析综述故障树的定量分析包括顶事件的发生概率和概率重要度。通过计算将全部底事件按概率重要度由大到小排队，就得出底事件的重要度顺序。当系统发生故障时，可根据底事件概率重要度的大小顺序寻找故障原因，制订相应的维修方案或应急措施。表2-3 轴承故障的定量分析事件名称符号发生的概率概率重要度结构重要度疲劳点蚀X10.250.28510.2851正常的疲劳磨损X20.250.28510.2851主轴偏心X30.020.02280.0228主要螺栓失效X40.050.05700.0570突然过载X50.150.17100.1710超载工作X60.100.11400.1140过载X70.080.09120.0912冷却装置失效X80.030.00170.0342环境温度高于450CX90.050.00170.0570牌号错X100.030.03420.0342杂质X110.020.02280.0228变质X120.020.02280.0228油路堵塞X130.120.13680.1368元件失效X140.150.17100.1710漏油X150.100.11400.1140气蚀X160.050.05700.0570电蚀X170.050.05700.0570剥落X180.200.22810.2281轴承烧伤X190.160.18250.1825制造质量和装配质量差X200.120.13680.1368通过计算的底事件的概率重要度和结构重要度可以看出轴承的疲劳点蚀和过度磨损是造成轴承失效的主要原因，另外过载、元件失效和轴承的制造装配质量也是重要的影响因素，其他各因素也不同程度的影响卷筒轴承正常的工作。因此，我们通过故障树分析找出了影响卷筒轴承失效的原因，并及时的采取措施避免轴承运转时的失效。2.5密封件的失效 2.5.1密封件失效的形式卷筒密封件常用的材料有聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和尼龙等。这些材料的耐热性能和导热性能较差，受热后容易发生老化、分解和变质，引起尺寸不稳定。失效形式有： 1）密封件的老化：密封件的强度、弹性及抗溶胀性能下降，发粘，变硬和变脆等。 2）元件磨损严重：密封件密封表面出现偏磨，沿轴向有凹凸不平的划痕，沿圆周方向有深度不同的沟槽。 3）损伤：唇口撕裂，局部严重变形，密封表面被锐器损伤，局部出现凹凸不平以及断裂等。 4）扭曲：密封件出现局部翻转、麻花形扭曲；沿圆周面塑性变形不均，局部出现不规则凹槽和凸起等。 5）膨胀：唇口软化、发粘和局部剥离等。 6）烧蚀：支承环烧蚀，唇口碳化等。2.5.2密封件失效的故障树分析（1）建立密封件失效的故障树 通过对密封件失效的原因分析和故障模式分析，建立卷筒轴承密封件失效的故障树如图2-4所示。图2-4 密封件失效的故障树示意图X1油液与密封材料相容差，X2油液质量差，X3选用密封件不当，X4局部造成变形，X5花键、螺纹的失效，X6为安装槽偏小，X7密封截面过大，X8流体中的固体微粒，X9粗糙度过低，X10加工纹理不合理，X11油液污染，X12密封件的存放不当。（2）密封件失效的定性分析：橡胶密封件的失效主要表现为密封处的泄露和密封件的损坏，最终导致失去密封性，产生泄露。密封件的失效轻者影响卷筒轴承工作，浪费能源和污染环境，重者会引起爆炸，失火，甚至危害安全。因此，准确判断橡胶密封件的失效原因，并采取相应措施是十分必要的。密封件失效的原因主要有：1）选型不当：选型不当或选用不合格的密封件，常常会出现换一个坏一个的现象。2）装配质量不高：在实际统计中发现安装不当是造成密封件失效的主要原因，装配时强行压入，造成密封件局部变形以及密封面被花键或螺纹等锐边处的毛刺划伤等均会造成密封件失效。3）油液选用不当：油液选用是否适当主要表现在与橡胶密封件材料的相容性方面。如果所用油液与密封材料的相容性差，将加速橡胶变质、膨胀、老化以及产生不沉性油泥，加速密封件的磨损。4）密封件的过度磨损是运动密封件损坏的主要原因