海水液压水下作业工具系统可靠性设计及试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文海水液压水下作业工具系统可靠性设计及试验研究姓名：赵立志申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：刘银水20090531华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 海水液压水下作业工具系统以海水为工作介质，可以避免矿物油作介质时存在的一系列问题，应用在深海环境具有系统简单、效率高、作业深度不受限制等突出优点，将成为水下作业工具的发展方向。华中科技大学在已有的研究基础上于 2007 年成功研制出移动式海水液压水下作业工具系统。本文应用可靠性理论对该系统进行了设计，并进行了试验研究。在方案设计阶段，对系统建立任务可靠性模型与数学模型进行可靠性预计，验证设计方案的可靠度达到可靠性指标要求，方案可行。利用失效模式、影响与危害度分析方法，找出系统中各元件存在的所有失效模式，利用危害性矩阵图确定系统的薄弱环节、关键元件，并提出了预防及改进设计的建议。综合运用降额设计、人机工程学设计等方法对系统进行了可靠性设计，简化了系统结构，减轻了系统重量，减少了系统失效环节，提高了它的可靠性。设计与加工完成后，对海水泵、水压溢流阀等关键元件及整个系统进行试验研究，验证了元件及系统的性能均达到设计要求。同时还在试验过程中验证了FMECA 提出的改进措施取得了良好的效果。最后在海上进行现场试验，系统及元件在现场试验过程中运行平稳，各项性能均达到要求。关键词：水液压技术 工具系统 可靠性分析 可靠性设计 试验研究 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIABSTRACT Seawater hydraulic underwater tool system using seawater as the working fluid solves some problems caused by using oil working fluid,when used in deep sea environment it owns many great advantages including simple system,high efficiency,unrestrained working depth etc.It will be the developmental direction of underwater tools.Huazhong University of Science and Technology had successfully developed a mobile seawater hydraulic underwater tool system in 2007 based on the original techniques.In this paper reliability theory was used to design this system,and then experimental studies on the system were carried out.On the project design stage,the reliability task model and mathematical model of the system were established to predict the reliability of the system,which had been validated and confirmed feasible in the following progress.All the failure modes of components had been found out through the method of Failure Modes,Effect and Criticality Analysis.Criticality matrix had been used to dig out the weakness and components of the system,and some suggestions on failure prevention and improvement design were given in this paper.Derating design and ergonomics design methods were synthetically used during the reliability design to simpilify the system,decrease the weight,reduce the links of failure modes and improve the reliability of the system.Experimental study has been carried out on the system and critical components such as seawater pump and seawater relief valve after they were designed and manufactured,through the experiment the performance requirements of the system had been validated.And the experiment showed that the improvement measures in FMECA obtained good effects.Finally ocean experiment have been launched,during which the system and components had all run stably,the system achieved all the functional requirements.Key words:Water Hydraulics,Tool System,Reliability Analysis,Reliability Design,Experimental Study 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于 （请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日保密，在 年解密后适用本授权书。不保密。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 课题的来源及目的课题的来源及目的 本课题来源于项目“海水液压动力系统及水下作业工具”和国家自然科学基金项目“水压变量泵关键基础技术研究”(No.50405031)。目的在于研制一套直接以海水作为工作介质的水下作业工具系统。本文用可靠性设计方法设计一种简单、轻便、可靠的移动式海水液压水下作业工具系统，在确保实现其功能的同时，提高其可靠性和寿命，并最终提高工具系统的作业能力。1.2 本课题的意义本课题的意义 二十一世纪是海洋的世纪，人类科技发展迅速，对海洋的开发利用也达到了一个新的高度，海洋疆土成为世界沿海各国争夺的利益所在。当前人类遇到了资源短缺、人口膨胀与环境恶化三大难题，在持续发展的压力面前，人们将目光投向了占地球表面积的71的辽阔海洋。人类通过海洋开发，把海洋的潜在价值转化为实际价值，为人类的生存和发展创造了条件。随着“海洋国土”意识的提高，海上国防、科研、环保、勘测、调查和管理等各类海上活动日益增多，我国沿海各省市都已把发展海洋经济作为“十五”期间的重要战略目标，海洋战略成为世界所有沿海国家发展战略的重中之重。海军在现代战争中起着越来越大的作用，随着我国海军的壮大，部队经常需要进行援潜救生，打捞沉船，维修与保养船舶，建造、检查、维修港口和水下建筑等水下作业。因此研究能够用于海洋开发和海军国防的装备对我国有重要的战略意义。目前用于海洋作业的工具包括电动、气动、油压工具，以及更为复杂的水下作业机器人等，电动、气动以及油压的工具能够完成某些水下作业任务，但是效果不理想，存在很多难以避免的缺点1-4：(1)电动工具 电动工具不受水深影响、实际能耗率低，但是电对绝缘性有很高的要求，在大深度海下作业时，高压环境下电动工具对海水的密封性提出了非常高的要求，需要复杂的绝缘系统。防水电机质量较普通电机要大得多，有时还需要使用减速器来调整转速，相同功率的工具中电动工具重量比相应的液压工具要重 5-10 倍，体积也要大些，导致其使用相对不便，而且由于绝缘性要求太高，其可靠性相应下降。(2)气动工具 由于气动技术本身的特点，一般采用开式系统，压缩空气做功后直接华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2排放到系统外。在海下使用时，排出的大量气体会影响潜水员的正常操作，尤其是气泡会干扰潜水员视线，降低了工作效率，甚至对潜水员的安全构成威胁。由于气动系统的工作压力一般较低，平衡水深的压力随着作业深度的增大而相应增加，能耗变大，工具的效率降低，导致设备的体积重量急剧增加，因此一般只能在较浅的范围内使用。在水下作业工具中，相同功率的工具中气动工具体积与重量最大，效率最低。(3)油压工具 油压工具相比以上两种工具其使用寿命长，安全可靠，可以不需要变速装置而实现均匀调速，具有输出功率大、功率重量比大、体积小等优点，已广泛应用于中浅深度作业并开始用于大深度作业。液压工具是目前水下作业中使用最多的，但是油压工具也存在很多不足，油的粘度大使得系统进油和回油管沿程功率损失大，能耗变大，工具的效率降低，导致设备的体积重量增大。液压系统的泄漏问题不可避免，液压油的泄漏将会造成海水污染，而海水介质侵入到系统中也会破坏系统元件，降低系统的可靠性与使用寿命。针对电动、气动与油压工具的不足，国际上进行了以海水代替矿物油作为工作介质来驱动水下作业工具的研究。实践表明，以海水驱动的水下作业工具有如下优点5-6：(1)节省液压油，降低使用成本；(2)水介质能够阻燃，海水液压工具系统满足军事装备安全性要求；(3)既不会污染生态环境，也不会因为水进入系统而降低工作可靠性；(4)海洋水温变化小，粘度也变化小，因此海水液压系统的工作性能稳定；(5)水的粘度只有液压油的四十分之一，管路压力损失小；(6)海水液压驱动的工具系统可以设计成开式系统，直接从海洋中吸水，加压做功后，再直接排回海中，因而无需携带水箱，不用冷却器、回水管，不但简化了系统，减小了体积，降低了重量，而且不需要压力补偿装置，作业工具的工作水深不受限制；(7)如果采用潜水承压电动机驱动海水泵，能够把海水液压工具系统的动力站放在水下，使作业深度和作业范围大大增加；(8)动力源与作业工具间仅用一根直径较小的压力软管相连，受风浪及海流的作用力小，潜水员操作轻便，降低了劳动强度；(9)能够在水下更换作业工具，或者进行简单的维修。由于海水液压驱动水下作业工具的优点突出，国际上一致认为它是今后水下作业工具的必然发展方向，是水下作业工具的最佳选择7-10。海水液压水下作业工具系统对我国海洋战略有重要意义。为了满足海上抢险救生及海洋开发的迫切需要，华中科技大学于二十世纪九十年代初即开展海水液压传动技术及海水液压水下作业工具系统的研究，在 2002 年海水液压动力系统海上试验成功的基础华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3上，2007 年开发了移动式海水液压水下作业工具系统，并已小批量生产和投入使用。海水液压水下作业工具系统的研制面临着一系列的关键技术问题，如腐蚀、摩擦磨损、污染及泄漏和效率等11。除此之外，深海这样一个特殊环境对海水液压水下作业工具系统的可靠性提出了更高的要求。水下作业是一件非常困难的事情，除了面临像太空一样的失重之外，深水作业的能见度非常低，甚至“伸手不见五指”，还要面对深海潮流、礁石、淤泥及微生物的威胁，在很多情况下需要依靠潜水员的经验来作业。在陆地上非常简单的动作，如拧螺母等，在水下作业时都变得非常困难。可以说，深海作业的难度和危险程度丝毫不亚于太空。因此，对于水下作业工具的总体要求是在完成预定功能的情况下，要使系统及工具简单可靠，降低操作人员的劳动强度，提高工作效率。在研制过程中需要遵循“试验-分析-改进-试验”的增长试验过程来逐渐提高系统的性能与可靠性。1.3 国内外研究现状国内外研究现状 英、美等西方发达国家于上世纪 60 年代末在海军的资助下最早开始海水液压水下作业工具系统研究，1967 年 Vickers 公司开始研究高压海水液压泵材料，随后美国海军舰船研究中心及土木工程实验室开始了海水液压元件的研究包括高压海水液压泵和马达，美国土木工程实验室在 1984 年后研制出首套由内燃机提供动力的压力为 13.8MPa，流量为 45L/min 的海水液压水下作业工具系统，作业工具有冲击扳手和旋转式螺旋桨清洗刷、冲击钻等作业工具，后将该系统交付美国海军水下工程队（UCT）使用。英国土木工程实验室于 1978 年开始研究海水液压驱动的水下作业工具12-15，并于1988 年研制出压力分别为 14MPa 和 10MPa 的柱塞式海水液压泵和马达，开发了相应的海水液压水下动力工具。芬兰 Tampere 科技大学与 Hytar Oy Water Hydraulics 公司合作从事海（淡）水液压系统的研究与应用工作16，于 1995 年研制出新型轴向柱塞式海水液压泵及马达，压力达到 1421MPa、流量为 30L/min。德国 Hauhinco 公司和日本小松制作所也都先后研制出海水液压柱塞泵和比例伺服阀等海水液压元件17-19，并将其应用于海水液压作业工具系统中。我国也有很多科研机构开展了水下作业工具的研究工作，哈尔滨工程大学曾进行过油压驱动和电力驱动的水下作业工具研究20-21，由于电动与油压工具固有的一些缺陷，限制了其进一步的发展。海水液压水下工具系统由于其突出优点成为了研究的主要方向，我国在此领域的研究比较晚，目前尚处于起步阶段，华中科技大学液压与气动技术研究中心在李壮云教授的带领下最早在国内开展水液压技术的研究工作，研制出了海水轴向柱塞泵、柱塞马达华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4以及溢流阀、调速阀、卸荷阀等各种控制阀，取得了丰硕的实质性成果。2002 年成功研制出“海水液压动力系统”，与此配套开发了砂轮打磨器和钢缆剪切器等水下作业工具，2006 年又在已有的基础上开发了几种工具，目前共研制成功五种旋转型工具，三种往复型工具，同时正在不断的对工具的种类进行丰富，进行更深入的研究工作。可靠性是一门涉及面很广的交叉学科，世界各国尤其是发达国家都对该领域高度重视。我国的可靠性工作在 20 世纪 50 年代展开，可靠性工程在航天、机械、电子等各领域取得了不同程度的进展，80 年代后我国的可靠性工作迅速发展，可靠性不断推广，给国民经济及企业带来了巨大的经济效益，据 1978 年测试，我国电视机 MTBF 不足 500 小时，年返修率高于 95%，在我国重视产品质量可靠性工作后，国产名牌彩电的 MTBF 平均超过 3 万小时，各行各业的可靠性工作都得到了重视与发展，取得了异常明显的成绩。液压系统往往是单件生产，难以利用统计学的方法进行分析。海水液压水下作业工具系统的研制过程中，某些新设计元件的可靠性有待进一步提高。液压系统通常进行定性的可靠性分析，并利用可靠性的方法进行分析，提出改进措施，提高系统可靠性。1.4 关键技术关键技术 海水液压水下作业工具系统的研制过程中要解决由海水介质的特点所导致的腐蚀磨损、气蚀、泄漏等技术难题，提高系统的性能与可靠性。在该系统的研制过程中面临以下关键技术问题：(1)海水介质条件下密封腐蚀等问题 由于海水的粘度小、润滑性差，且腐蚀性较强，气化压力高等特点，合理的选择水下作业工具材料的防腐和密封形式对于提高工具的使用寿命和可靠性非常重要。(2)系统可靠性预计 设计方案能否满足要求，需要对其进行可靠性预计，在缺少可靠性数据的情况下选用合理的方法对设计方案进行可靠性预计，验证其是否满足可靠性指标(3)系统的可靠性分析 海水液压水下作业工具系统属于新产品，需要针对液压系统单件生产的特点进行可靠性分析，找出系统的关键元件，提出改进措施，提高系统的可靠性。(4)系统的定性可靠性设计 系统的复杂程度影响到可靠性，需要综合利用定性可靠性设计的方法简化系统减少失效环节提高可靠性，利用人机工程学理论，考虑人的生理特点，使得系统操作与维护简单方便，减少人为差错引起的故障，同时故障发生时能够尽快排除故障恢复正常工作。(5)系统的试验研究 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5设计与加工完成后，对海水泵、水压溢流阀、水压流量阀等关键元件及整个系统进行试验研究，通过试验验证改进措施的效果，包括实验室模拟试验与海上现场试验。1.5 本文的主要研究工作本文的主要研究工作 本文在对海水液压系统的可靠性设计中，对方案的可靠性进行预计，验证设计方案的可靠度是否达到可靠性指标要求，利用 FMECA 技术方法对其进行可靠性分析，针对液压系统单件生产的特点进行了试验研究。本文主要研究工作如下：(1)对海水液压水下作业工具系统进行研究，在此基础上提出设计方案，建立可靠性任务模型与数学模型，对系统的可靠性进行预计，验证系统方案的可靠度达到可靠性指标要求，设计方案符合要求。(2)对系统进行了可靠性分析，找出所有的故障模式，对其发生的频度、产生的影响与危害度进行分析，利用危害性矩阵图找出危害度最高的实效模式，确定系统中自制的海水泵、水压溢流阀及水压流量阀为关键元件，提出具体的改进措施。(3)对各种液压元件进行设计计算，对需要外购的元件进行选型与采购。通过选用不锈钢及高分子材料等防腐蚀材料，刷防锈漆、选用合理密封形式等措施，解决了海水相对液压油的特殊理化特性带来的腐蚀、泄漏、气蚀等问题。(4)利用标准化集成化设计方法简化了系统，减轻了重量，对各种元件进行合理布置，减小系统的体积，使得新的系统更简单、更轻便。利用人机工程学理论，将需要人工操作的装置进行合理的集中布置，便于操作人员的控制，减轻工作强度，提高操作性。考虑使用可靠性进行可维修性设计，使得系统日常维护更加简单，发生故障后能够更方便的进行检修，提高了系统的可靠性。(5)在设计分析完成后，绘制图纸进行加工，对其进行安装调试，对关键元件与整个系统进行了试验研究，通过试验找出系统存在的早期失效问题，提出改进措施，提高了系统的可靠性，通过试验验证了各项指标达到设计要求。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 62 海水液压水下作业工具系统的可靠性预计海水液压水下作业工具系统的可靠性预计 结合技术要求提出系统方案，设计方案确定后要建立可靠性模型预计其可靠度，如果无法达到可靠性指标的要求，必须对方案进行改进，直至达到设计要求。2.1 系统的主要技术指标系统的主要技术指标 本文结合需方的使用要求提出了该系统的性能指标与可靠性指标，包括系统的流量、压力、重量等。主要技术指标如下：系统压力：10-12MPa 系统流量：20-25L/min 补水系统扬程：10m 补水系统流量：25L/min 增压压力：35MPa 增压流量：8.4ml/次 补水系统小车重量/尺寸：160kg/1100700800mm 泵站小车重量/尺寸：240kg/1300700650mm 胶管外径/内径/最大工作压力：20mm/13mm/30MPa 动力源电制：AC380V，50Hz 平均无故障工作时间 MTBF：/120 小时 平均故障修复时间 MTTR：2 小时 2.2 系统设计方案系统设计方案 在对海水液压水下作业工具系统进行前期研究的基础上，提出系统设计方案，其原理如图 2.1 所示。该系统主要由以下几部分组成：(1)泵站 其功能是为作业工具提供一定流量的高压水源，动力源由 4-吸水过滤器、5-船用电动机、6-海水泵、7-高压过滤器、8-水压流量阀、9-海水泵压力表、10-水压溢流阀、11-旋转型工具卸荷阀等组成。水压溢流阀 10 用于调定系统的工作压力，旋转型工具卸荷阀 11 处于打开位置保证系统在空载时启动，同时只有该阀处于卸荷状态才能够更换工具。由船用电机带动海水泵运行，输出的高压水经过高压软管 21 驱动旋转型作业工具。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 1-海水过滤器 2-补水泵 3-潜水电机 4-吸水过滤器 5-船用电机 6-海水泵 7-高压过滤器 8-水压流量调节阀 9-海水泵压力表 10-水压溢流阀 11-旋转型工具卸荷阀 12-增压器开关阀 13-增压器 14-往复型工具卸荷阀 15-增压器压力表 16-快换接头 17-手动换向阀 18-单向阀 19-海水液压缸 20-快换接头 21-软管 22-手动换向阀 23-海水液压马达 24-单向阀 图 2.1 海水液压水下作业工具系统原理图(2)补水系统：其功能是为高压水泵 6 的入口提供稳定的水源，防止气蚀现象的出现，补水系统由 1-海水过滤器、2-补水泵和 3-潜水电机等组成。补水泵经由过滤器从海洋中吸水，输出的水进入海水泵的吸入口，保证海水泵吸入充分，从而减少由于吸入真空度过高产生的气蚀对水泵的影响，提高海水泵的可靠性和寿命。(3)增压系统：其功能是为往复型作业工具系统提供更高压力的水源，增压器可以实现增压比为 3.2 的增压，可将海水液压泵输出的压力提高到 35MPa 左右，从而达到提高往复型作业工具的切割直径，而且减小工具重量的目的。该系统由 12-增压器开关阀、13-增压器、14-往复型工具卸荷阀、15-增压器压力表等组成。增压系统的出口通过软管16 直接接到往复型工具入口，带动往复型工具工作。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 82.3 系统可靠性建模系统可靠性建模 可靠性模型包括基本可靠性模型和任务可靠性模型，两种可靠性模型的区别为：前者是用以预计和分配基本可靠性要求，即估计产品组成单元故障引起的维修与保障费用，而后者是用以预计和分配可靠度，即估计产品在执行任务过程中完成规定功能的能力。在可靠性设计中对可靠性比较低的部件常采用冗余设计，由于增加了备用件，对于整个系统的基本可靠性来说增加了不可靠性因素，系统的基本可靠性降低，而对于任务可靠性则有很大提高。在本文的研究中，首要任务是要提高系统的使用可靠性，因此选择建立任务可靠性模型22-23。(1)建立模型的基本原则与假设 海水液压水下作业工具系统比较复杂，元件数量众多，需要简化模型，因此需要充分地分析系统的特点，抓住分析中的主要矛盾，并做如下假设：系统和单元只有正常和故障两种状态，没有中间状态。各单元相互独立，即某一单元的正常和故障对其他单元的正常或故障状态不产生影响。所有连接方框的箭头没有可靠性值。单元故障的出现是随机的，其寿命服从指数分布，失效率为定值。只分析硬件的可靠度，认为人员的操作与电控系统是完全可靠的。(2)可靠性模型的建立 根据海水液压水下作业工具系统的工作原理来建立任务可靠性模型如图 2.2 所示 图 2.2 海水液压水下作业工具系统任务可靠性框图 补 水 泵 水 压溢流阀电 动 机 吸 水过滤 器 系 统卸荷阀补 水泵 过滤器 补水 电机 海 水 泵 高 压过滤器刀 具流 量控制阀换向阀 液 压 缸 传动 机构 换向阀液压 马达 传动 机构 增 压器卸荷阀增压器增 压器 开关阀刀 具管道 总成 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9典型系统的可靠性模型有串联结构、并联结构、串并联混合结构、表决及复杂结构等多种类型。海水液压水下作业工具系统的任务可靠性模型为其所有组件构成的串联模型，其数学模型为：Rs(ts)=R1(t1)R2(t2)Rn(tn)(2.1)式中：Rs(ts)系统可靠度；Rn(tn)第 i 个单元可靠度 i=1，2，n；ts系统工作时间；ti第 i 个单元工作时间 i=1，2，n。n 为整个系统的基本单元数。2.4 系统的可靠性预计系统的可靠性预计 新研制产品的可靠性预计24-30，没有可靠性数据的支撑，在此情况下可以用相类似产品的数据，可以利用成熟的相似产品所得到的经验数据来估计新产品的可靠性。成熟产品的可靠性数据来自现场使用评价和实验室的试验结果。这种方法用于产品自身可靠性数据不足的情况下的可靠性预计，同样在产品研制的任何阶段都适用。(1)可靠性预计过程 海水液压水下作业工具系统作为一种新产品，其可靠性数据目前尚不充分，因此需要根据以下三方面的经验结果：我校所进行的海水液压元件的可靠性试验结果以及曾研制的海水液压动力系统；根据现有的资料获得的国外相似产品的可靠性试验的结果；传统的油压元件与系统的可靠性试验统计结果；在此认为海水液压水下作业工具系统在使用期间，其可靠度服从指数分布：()exp R tt=(2.2)其中 R(t)系统可靠度函数；元件的平均失效率，小时1；t元件的正常工作时间，小时。海水液压水下作业工具系统各元件的可靠性分布参数如表 2.1 所示，MTBF 是考虑滤芯、刀片更换及海水泵换油等正常维护过程在内的时间，MTTR 是该系统发生故障时由使用人员进行维修的平均故障维修时间。各参数按现有数据中最恶劣的工况选取。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10表 2.1 海水液压水下作业工具系统零部件可靠性与维修性数据 元件或零件名称(10-6 h-1)MTBF（103h）(h-1)MTTR（h）补水过滤器 32.5 30.8 2 0.5 补水电机 12 83.3 0.5 2 补水泵 30 33.3 1 1 吸水过滤器 32.5 30.8 2 0.5 船用电动机 12 83.3 0.5 2 海水泵 920 1.1 0.4 2.5 出口过滤器 32.5 30.8 2 0.5 溢流阀 450 2.2 0.67 1.5 高压泵卸荷阀 25 40 2 0.5 胶 管 50 200 2 0.5 流量阀 340 2.9 0.67 1.5 增压器开关阀 25 40 2 0.5 增压器 40 25 0.5 2 增压泵卸荷阀 25 40 2 0.5 换向阀 120 8.3 1 1 液压缸 300 3.3 1 1 液压马达 180 5.56 0.67 1.5 传动机构 120 8.3 1 1 刀具 50 20 2 0.5 快换接头 5 200 2 0.5 本系统中各元件的寿命（可靠度）服从指数分布：()eitiR t=(2.3)系统总体可靠度：NS1()()iiR tR t=(2.4)N1N1()eeeiiiStttSiR t=(2.5)华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11式中：NS1ii=系统的总故障率；i第 i 个单元的故障率。系统的平均无故障工作时间为：NS111iiMTBF=(2.6)修复率指修理时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修理的概率，可表示为(t)。对于服从指数分布的系统，则修复率为常数。则平均修复时间 MTTR 是修复率的倒数：即每个单元的平均修复时间为：1iMTTR=(2.7)其中i为第 i 个单元的故障率。系统的平均修复时间为：11niiniiMTTRi=(2.8)根据表 2.1 的经验数据及以上公式计算可靠性指标 旋转型工具平均无故障工作时间：N6111113981202511.5 10SiiMTBFhhh=往复型工具平均无故障工作时间：N6111113671202721.5 10SiiMTBFhhh=系统的平均故障修复时间为：N1N11402.51.822.0769iiiiMTTRhi=乙丙华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19丁，他们是危害度最高的四种情况，甲点代表的情况为所有严酷度为同时故障模式概率为 C 的故障模式，乙点代表的情况为所有严酷度为同时故障模式概率为 D 的故障模式，丙点代表的情况为所有严酷度为同时故障模式概率为 C 的故障模式(C)，丁点代表的情况为所有严酷度为同时故障模式概率为 B 的故障模式。危害度最高的故障模式如表 3.3 所示。表 3.3 关键故障模式列表 序号 元件 故障模式 故障原因 严酷度类别 故障模式概率等级设计改进措施 1 海水泵 主要摩擦副磨损，烧盘，咬死 摩擦副结构或材料不合理过滤器失效 C 合理的摩擦副方案设计和充分的摩擦副试验注意维护保养，定期更换滤芯 2 高压过滤器 滤网破裂 滤网堵塞后压差过大造成滤网破裂 C 适当增大过滤器的容量 定期更换滤网 3 液压马达 主要摩擦副磨损，烧盘，咬死 摩擦副结构或材料不合理 过滤器失效 C 合理的摩擦副方案设计和充分的摩擦副试验注意维护保养，定期更换滤芯 4 溢流阀 溢流阀失去调压作用 调压弹簧断裂 D 合理选择弹簧的材质或表面处理方法 5 流量阀 无法调节流量 调节弹簧断裂 D 合理选择弹簧的材质或表面处理方法 6 溢流阀 溢流阀失去调压作用 介质过渡污染导致阀芯卡死 C 预防介质污染 7 增压器 无法增压 梭阀卡死 C 预防介质污染 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 208 潜水泵过滤器 网孔堵塞 海洋悬浮物的附着 B 将过滤器高置，远离海底混浊区外装防护罩 9 吸水过滤器 网孔堵塞 海水介质中的固体颗粒 B 适当增大过滤器的容量 10 高压过滤器 网孔堵塞 海水介质中的固体颗粒 B 适当增大过滤器的容量 定期更换滤网 3.3.5 系统 FMECA 结论与建议(1)结论 海水泵等元件为系统关键元件的结论与可靠性预计结论一致 通过危害度矩阵分析并得到了系统关键的元件为海水泵、水压溢流阀、水压流量阀，与可靠性预计的结论相同。海水液压水下作业工具系统总共有 59 个故障模式，其中严酷度为类的故障为0，类的共 11 个，类的共有 44 个，类的 4 个。综合考虑故障模式发生概率等级，危害度最大的是上表所列的 10 种故障模式，对它们均可定为关键的故障模式。(2)建议 加强对整个系统的污染控制 上述 10 种关键故障模式中，有 7 项直接由污染物引起，在系统中设计时需将过滤器的容量加大，并适当提高过滤精度，同时要注重提高关键元件的抗污染能力。对关键元件进行可靠性指标进行控制 在上述 10 中关键故障模式中，除了 7 项与污染控制有关的故障模式外，另外 3 项与海水泵、水压溢流阀、水压流量阀等三个关键元件有关，他们需要在设计中按照上述FMECA 表中提出的改进建议进行改进以充分提高其可靠度，进行合理的摩擦副设计并进行充分的摩擦副试验，按照可靠性增长试验的“试验分析改进试验”过程不断找出存在的故障模式，进行改进，提高元件的可靠性。3.4 本章小结本章小结 本章对海水液压水下作业工具系统的功能进行了定义，按照 FMECA 的步骤进行分析，找出了系统中的薄弱环节与关键元件，得到与可靠性预计相同的结论，需要对海水泵、水压溢流阀、水压流量阀进行改进设计，提高其可靠度，并进行可靠性增长试验，提高元件的可靠性，进而提高整个系统的可靠性。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 214 海水液压水下作业工具系统的可靠性设计海水液压水下作业工具系统的可靠性设计 在可靠性分析后明确了系统存在的各种故障模式，并得到了改进建议，在此结合FMECA分析结果进行设计。可靠性工程的重点应该放在设计阶段，因为其可以提高系统的固有可靠度。在此综合采用降额设计、人机工程学理论等方法对海水液压水下作业工具系统进行可靠性设计，提高系统的固有可靠度，提高系统性能，使得其符合简单、轻便、可靠的要求。4.1 提高可靠性的方法提高可靠性的方法 海水液压水下作业工具系统属可维修系统，应将维修性设计考虑进来，进行广义可靠性设计。广义可靠性将可靠性和维修性均包括在内，其衡量尺度为有效度，它可用下式表达：MTBFAMTBF+MTTR=(4.1)从上式可以看出增大有效度的途径有两种，降低故障率或提高维修率，也就是要在产品的可靠度和维修度两方面进行提高。在系统的方案设计、结构设计时都要利用降额设计等方法进行以提高可靠性为目的设计。机械可靠性设计包括定性可靠性设计和定量可靠性设计43-45，由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制可靠性定量设计的推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。而在机构或系统的设计中一般采用定性可靠性设计。4.2 系统的可靠性设计系统的可靠性设计 方案设计是提高系统固有可靠性的关键阶段。这是由于系统在满足功能要求的前提下，方案拟定阶段最便于设计者充分发挥主观能动作用，使系统组成最简单，使用最方便。定性可靠性设计的方法很多，常用的包括：预防故障设计、简化设计、降额设计和安全裕度设计、余度设计、耐环境设计、人机工程设计等46-50。4.2.1 系统设计过程中运用的可靠性设计方法(1)在满足系统功能要求条件下，减少元件数量 原有“海水液压动力系统”的设计方案较为复杂，本方案对系统进行了简化，在保证系统功能的前提下减少元件数量，减少失效环节，提高系统的可靠性。原方案原理如图 4.1 所示，新方案见图 2.1，新系统相比原海水液压动力系统使用增压器代替手摇增压泵，可以减轻操作人员的劳动强度，减少因疲劳引起的误操作，同时由于采用了增压器而省掉11-单向阀与15-蓄能器，方案更加简单。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 图4.1 海水液压水下作业工具系统原方案原理图(2)零部件设计合理选材 海水介质的理化特性与液压油不同，有很强的腐蚀性，同时粘度小，润滑性差。摩擦副采用高强韧的耐磨材料，如有机高分子材料，同时水压元件选用 1Cr18Ni9Ti 或 316L 等不锈钢，对海水泵与过滤器的壳体的铝材质进行阳极氧化处理提高其耐腐蚀性，对特殊元件的摩擦副部分进行渗氮处理提高硬度和耐磨性。(3)多采用可靠性好的标准化液压元件 系统中有的液压元件在市场上有成熟的产品，无须自主研制，选用成熟的产品往往能够提高系统可靠性，且节省加工成本。在整个系统中除海水泵、水压流量阀等几个元件为实验室自主产品外，其他的如增压器、海水液压马达、补水泵、快换接头等元件均可通过外购获得，系统中有三个高压球阀，分别为系统卸荷阀、增压器卸荷阀及增压器开关阀，可以直接从厂家采购，在江苏与浙江等沿海地区有非常多的厂家可以生产不锈钢高压球阀，因此选用质量较好的国产YJZQ 系列高压球阀即可，无须自主研制。图4.2 采购的标准元件 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23(4)提高系统抗污染能力和密封性能。液压系统70%以上的故障是由于介质污染而引起的，因此要提高系统的可靠性必须重视本身抗污染能力，在本系统选用的元件中对清洁度要求最高的为增压器，其过滤精度要求为10，该精度对系统的过滤装置的设计提出了很高的要求，因此在未来的改进中需要对增压器进行合理改进，提高抗污染能力。选用密封性能好的元件也可以提高系统的抗污染能力。(5)降额设计 有意识地降低某些元器件的使用规范，令其在低于其额定工况的条件下工作，可有效地降低其失效概率，从而使整个系统有更高的可靠度。计算过程中需要的电机功率为5.6kW，实际选用7.5 kW 电机，可以延长其寿命。系统的流量为25L/min，过滤器的过流量设计为50L/min，增大系统的过滤能力并延长滤芯更换周期。(6)环境防护与安全防护设计 海水液压水下作业工具系统，设计成移动式，在船舶甲板上工作时，在风浪的条件下，由于车轮的原因，随船摇摆容易出现侧滑撞击带来危险，因