船舶柴油机可靠性分析.doc

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上海海运学院交通运输工程硕士论文船舶柴油机可靠性的分析

目录

引言………………………………………………………………………1

第一章绪论…………………………………………………………………3

1.1可靠性分析研究的背景………………………………………………3

1.2机械产品的可靠性研究………………………………………………5

1.3柴油机可靠性研究概况及比较………………………………………7

1.4本论文对船舶柴油机可靠性分析研究的有关内容…………………9

第二章船用柴油机可靠性的概念及其理论分析…………………………10

2.1可靠性基本概念……………………………………………………10

2.2故障的分类模式机理及其特点……………………………………16

2.3可靠性特性的分布规律及其分析…………………………………18

2.4故障分布的预测………………………………………………………21

2.5基于柴油机可靠性框图的数学模型………………………………23

2.6基于强度-应力干涉的可靠性数学模型……………………………26

2.7故障树分析法…………………………………………………………29

2.8本章小结……………………………………………………………33

第三章柴油机可靠性分析………………………………………………33

3.1主要零部件的磨损分析……………………………………………33

3.2柴油机整机可靠性分析实例…………………………………………35

3.3柴油机设计和工艺可靠性案例及分析………………………………39

3.4人为因素对可靠性影响的分析……………………………………44

3.5提高柴油机可靠性的技术管理措施………………………………50

3.6本章小结……………………………………………………………54

第四章现代柴油机动力装置可靠性发展…………………………………56

4.1为确保主要零部件的可靠性所采取的措施…………………………56

4.2提高可靠性与智能化船用柴油机的发展…………………………57

4.3现代柴油机动力装置可靠性的发展…………………………………58

结论…………………………………………………………………………61

致谢……………………………………………………………………62

参考文献……………………………………………………………………63

引言

2004年9月3日，早上8时，“宝中128”轮从连云港驶往上海宝钢电厂，途经北槽航道时，主机突然故障被迫在航道抛锚。

当时正值大潮汛，锚泊中的155米长、宽24米的“宝中128”轮，将阻碍航道，威胁来往船舶。

2004年9月14日，“银航油501”轮载4300吨汽油由大连返回泉州的途中，主机发生故障，当时海面风力7级。

船舶和船上18名船员急需救助。

2004年9月17日11时，杂货船“育龙”轮在青岛附近的海面上突发主机故障，船舶失去动力，“育龙”船上有船员33人，实习学生119人。

“育龙”轮总长139.3米，型宽20.8米，型深11.4米，满载吃水8米，空载吃水4.6米，总吨9091，载重吨9860吨。

考虑险情重大，海事局立即启动海上应急预案，由救助拖轮拖带至青岛港。

1999年3月25日，琴海108轮自马来西亚驶往中国北海港，途中船舶主机发生故障，主机不能启动的原因是：

主机各缸空气启动阀启动活塞的密封环失去弹性，气密较差，已存在隐患，加上第七缸启动空气阀阀盘断裂，该气缸完全失去气密，导致进入各缸的启动空气压力不足而无法启动。

因条件所限，经两天多抢修，仍无法修复主机。

船舶发出求救信息，雇请拖轮，构成海损。

…………

这些事件都是由于船舶柴油主机可靠性问题造成的,如机械元件故障,或系统故障或人为故障.它涉及到设计、制造工艺、使用等多个环节。

因此如何保证船舶柴油机及其系统的可靠性和安全性就成为一个安定亟待解决的问题。

这是因为：

船舶航行条件具有特殊性，复杂性，容易引发事故。

船舶柴油机系统结构复杂，工作条件恶劣，容易造成故障。

在海上解决修理和备件会发生一定的困难。

可能导致海损事故，影响运输，对人员生命和财产造成危害、给海域带来污染。

船舶动力系统自动化程度大大提高，机电设备更趋复杂，给可靠性带来新的挑战。

由于船舶日趋大型化，对船舶主机的要求日益提高。

如单机、单缸功率越来越大；进一步降低燃油消耗率；平均有效压力已达1.90-1.95MPa，最高燃烧压力在15.0-15.59Mpa；采用高压比、高效的新型增压器。

采用电子调速器系统、电控燃油喷射系统、高压共轨燃油喷射系统、智能化电子控制系统。

柴油主机是民用船舶中价值最高的配套设备，主机的价格一般占总船价的10％左右。

故障对高投资的船舶营运和维修造成很大的经济损失。

由于经济发展较快，船舶大量增加，动力系统产品质量存在较大问题。

航运业发展迅速，船员素质有待提高。

可靠性受到船员诸多人为因素的影响。

我国内燃机（包括柴油机）可靠性较差，使用寿命短，大约是进口机型的三分之一至二分之一，90年代已将提高内燃机可靠性和耐久性作为首要目标。

尽管，船用柴油机动力装置本身的发展非常重视可靠性，厂商不断改进结构，完善机型系列、逐步提高强化度，提高零部件寿命。

但这并不能使系统的可靠性得到完全改善。

人们逐渐认识到，传统的凭经验定性孤立的分析方法已远不能适应现代航运的要求。

为了提高柴油机的可靠性，必须在设计、建造、安装和运行管理中引起进一步的重视。

工程领域的现代管理思想、技术有助提高船用柴油机的可靠性。

本论文将以此为背景展开讨论分析。

论文用可靠性理论中的概率统计的方法从船用柴油机可靠性的基本概念入手，在理论上定量和定性地分析、计算船用柴油机的可靠性，确定柴油机及零部件可靠性的科学的评价指标，研究分析船用动力装置故障特征的宏观规律及外界条件对故障的影响。

进行磨损分析，目的是对零、部件的缺陷进行检验并预报其寿命。

在收集资料的基础上，分析船用柴油机可靠性与整个动力系统、保养维修、操纵使用、零备件储备的关系，掌握船舶动力系统整体可靠性，确立各设备可靠性对整体影响的评价方法。

从人机系统工程学的角度出发，对船机复杂的人—机—环境系统进行全面地分析，从人（船员）物（包括机器、环境、管理等）两方面着手，对影响船舶柴油机的可靠性的各个环节进行剖析。

介绍船机系统的人、机、环境概况，分析人为因素对船舶柴油机可靠性的影响。

提出提高船舶柴油机动力装置可靠性的有效措施。

第一章绪论

1.1可靠性分析研究的有关背景

可靠性的研究是在第二次世界大战期间为了保证军用产品高可靠性而发展起来的。

据记载早在第二次世界大战德军在开发火箭时，就意识到了可靠性问题。

早期的研究主要是在美国对于军用电子装置的可靠性方面。

。

50年代初期，德国可靠性专家拉瑟提出了对可靠性问题采用定量的，用统计方法处理的基本原理，人们把他称为“可靠性之父”。

1957年AGGREE发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了在研制及生产过程中对产品的可靠性指标进行试验、验证的方法，提出了电子产品在生产、包装、存储和运输等方面要注意的问题及要求等。

这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。

从此，可靠性发展成为一门独立的工程学科。

随着科学技术的飞速发展，工业产品日趋复杂化，人们对产品的可靠程度要求越来越高，于是可靠性工程作为一门综合性的边缘工程学科也越来越受到重视。

在这短短的40年间，在工业发达的国家已被运用于航空、航天、原子能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站设备、建筑、食品加工、通讯、医药等领域，成为当今世界科技中仅次于环境科学和计算机的一门非常活跃的学科。

传统的可靠性都是以一种量化的方式来定义，如“产品在规定条件下和规定时间内，（无故障地）完成规定功能的概率”。

今天，可靠性工程己经发展到包括各种其它问题，其中一些问题的定性特征更甚于定量特征，一些问题的度量更加困难。

当前的趋势说明可靠性工程的研究重点正在转向预防失效的方法，而不仅仅是描述失效发生概率或为失效发生概率建立模型。

这种趋势的重要体现是更加重视实用的可靠性高加速应力试验技术，通过发展军民两用的故障诊断和预测技术来提高产品的可靠性、维修性和安全性。

美国六七十年代就将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机、发动机等机械产品，设了四个技术咨询委员会:

诊断与检测、故障、设计和技术推广。

日本以民用产品为主，最显著的成绩是将故障模式、影响分析（FMEA）等技术成功地引入机械工业的企业中，还十分重视机械产品的可靠性试验、故障诊断、寿命预测和故障原因分析技术的研究和应用。

前苏联对机械可靠性的研究十分重视，在其二十年科技规划中，将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一。

发布了一系列可靠性国家标准，这些标准适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品。

在各类机械设备的产品标准中，例如液压、润滑系统、发动机、起重机、挖掘机械、汽车等，还规定有可靠性指标或相应的试验方案。

重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理，作为保证机械产品可靠性的重要手段。

我国，最早也是由电子工业部门开始开展可靠性工作的。

80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视。

可靠性理论研究现状。

全概率分析方法，研究了传统的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系，提出了考虑多种因素，主要是有初始损伤条件下的结构系统可靠性数学模型。

80年代在这些研究的基础上，系统可靠性技术与有限元法、计算机应用技术和实用概率网络分析理论相结合，可靠性理论逐渐由元件级水平向系统级水平过渡，对于串并联系统出现了不少可靠度计算理论。

故障树分析方法FTA（faulttreeanalysis），对大型复杂系统来说是一种有效的定量和定性的分析方法，其借助于网络搜索技术识别结构系统的主要失效模式，并通过概率网络评估方法PNET（probabi1isticnetworkevaluationtechnique）综合给出系统的失效概率。

极限分析法、概率型的极限状态分析法，从网络分析理论的角度看应当属于失效模式、影响及危险性分析一类。

从本质上讲它是传统的极限载荷和现代概率论及数理统计观点的某种方式的精致结合。

目前，复杂机械系统可靠性的研究逐渐变得十分活跃。

1.2机械产品可靠性研究概况

现代优质产品的要求是功能强、效率高、消耗低、价格低、和可靠性高。

而可靠性作为产品的重要指标将成为产品竞争的焦点。

在我国，机械产品的可靠性低一直是困扰着机械行业发展的主要问题之一。

因机械产品是由若干各零件所组成，所以，为了提高产品的可靠性首先必须提高零部件的可靠性。

由于可靠性是产品在使用过程中的质量指标的重要反映，因此，可靠性问题的特点是产品的可靠性与产品的设计、制造、使用和管理各阶段都有密切相关。

但各阶段在为产品创造最经济而又具有所要求的可靠性水平中的作用是不同的。

设计阶段能为产品的可靠性水平奠定基础，制造和使用阶段是保证产品可靠性设计指标的实现。

显然，为了提高产品的可靠性，首先必须在设计上满足可靠性要求。

从概念上理解，可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

当用概率来量度这一能力时，就是可靠度。

对机械产品的可靠性研究开始于60年代初期，它的发展与美国航天计划有关，当时，由于机械故障而引起的事故很多，例如，1963年同步通讯卫星SYNCOMI号由于高压容器断裂引起的故障在空中坠毁。

从1965年起，NASA（宇航局）开始机械可靠性研究。

从60年代起，可靠性工程技术和管理从最早的航空航天、尖端武器和电子产品等工业逐步推广应用到包括原子能、机械、船舶、建筑、通讯、医药等许多工业部门。

在机械可靠性的研究中，材料疲劳强度方面的成就为其提供