船舶柴油机可靠性分析硕士学位论文 精品.docx

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船舶柴油机可靠性分析硕士学位论文精品

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

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。

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，同意学校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　　　　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。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

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了理论和试验基础，这些成就包括：

制定了疲劳试验数据的统计处理方法，从而可以作出材料的全概率疲劳曲线，提出了“薄弱环节”强度模型和明确材料疲劳寿命的分布函数，将疲劳过程作为随机过程，说明损伤累计是非线性的，发展了断裂力学的新分支—概率断裂力学。

经过近10年的发展，机械可靠性研究的模式已基本确定，即借鉴材料的疲劳特性，对零部件进行特性参数修正，运用强度—应力干涉模型，计算和确定其可靠度。

而且，在国外一些机械设计书中已将应力—强度分布干涉理论作为可靠性研究与评估的一种基本的内容。

在我国，可靠性研究的起步虽比国外较晚，但发展速度很快，研究水平和应用领域在迅速扩大。

比如，在理论研究方面，以电子领域和机械行业的航天航空领域为代表，使概率断裂力学得到前所未有的发展，总结出多种适用不同场合和零部件的强度—应力概率分布模型，并在工程中推广应用。

可靠性理论基础的发展使可靠性分析技术的精度和适用范围日趋扩大，也得到广大科技工作者的认可。

可以说：

正是由于可靠性理论的成熟和在电子、航空航天行业的成功应用，使机械行业传统的静强度设计理论逐渐退出历史的舞台。

可靠性理论的应用，使设计思想发生了根本的变化。

可靠性指标虽然是产品质量指标的一个具体体现，但它不同于传统的产品质量。

现代可靠性关心的t>0的质量，即明天的质量，而传统质量管理关心的是t=0的质量，即今天的质量或出厂检验时的质量。

另外传统的质量管理是从制造阶段开始的，而现代可靠性必须从设计开始，可靠性的指标是贯穿于从设计到报废的全过程。

另外，大量的工程实践也表明：

零件的材料强度、零件的结构尺寸及其所承受的载荷等参数均是服从一定的分布规律的随机量。

这与可靠性概率计算中的计算前提是完全吻合的，而传统的静强度设计中不涉及参数的随机性，而是用安全系数来较核零件的可靠性。

从可靠性研究领域来看，现代可靠性研究主要包括以下三方面内容：

①可靠性数学：

主要研究各种可靠性问题的数学模型和数学方法；

②可靠性物理：

研究失效现象及其机理和检验的方法等；

③可靠性工程：

研究产品的失效现象及发生的概率，包括可靠性分析预测、试验、评定和控制等。

1.3柴油机可靠性研究概况及比较

对于内燃机来说，在可靠性研究领域内主要研究可靠性工程和可靠性物理，而对于内燃机零部件的可靠性数学和数学模型的研究相对要少得多。

内燃机的可靠性研究历史在国外有近20多年的历史，从有限元计算小到模态分析从强度研究到刚度分析均比较成熟。

在国内，将可靠性应用在内燃机零部件的评估上仅10年的时间。

在此期间，由于国内的基础研究及基础疲劳特性参数较少，开展工作难度也较大，在90年代初期，我国的工程技术人员对内燃机零部件的可靠性分析主要集中在连杆、曲轴等结构相对简单的构件上。

对于大型机体的复杂受力构件的研究，由于结构、受力状况、变形及危险部位都非常复杂，可靠性研究工作难以定量研究，如果仅定性研究，又达不到研究的目的。

所以，在90年代初期主要以有限元分析为基础进行静强度分析。

到90年代末期，由于计算机软硬件技术的的发展及大型有限元分析软件功能的不断完善，再加上材料的原始疲劳数据的大量积累，对机体这样复杂的构件进行大量的可靠性评估已成为可能。

对于机体这样复杂的构件，其在工作状态下的受力是非常复杂的，它在正常工作时既有拉、压、弯曲、剪切等三向应力复合作用，又要受到来自发动机内部及外部的各种振动冲击的作用。

单纯地分析强度远远不能满足其工作的需要，因此有必要对于振动引起的损坏及由于振动引起的噪声进行研究。

国内在模态分析与噪声控制等方面的研究也己收得可喜的成绩。

尤其是理论分析方面的成果，为工程应用奠定了基础。

但在90年度初期，我国对内燃机零部件的有限元分析表现为两头重的倾向。

一方面为侧重于对大型内燃机的关键构件的详细有限元分析，这主要是由于大型内燃机的研制费用高、研制周期长，并且大型内燃机单位体积功率和单位重量功率的要求比一般中小型发动机要求的指标要高，所以对大型内燃机的机体、缸盖、活塞、连杆的分析工作比较多。

另一方面是民用内燃机行业中对特小型内燃机零部件的有限元分析及优化设计，其需求环境为我国对小型内燃机的工艺、材料等方面的应用与国外有较大的差距，致使相同设计的零部件在使用过程中出现可靠性差异较大的现象。

比如，摩托车上的零部件等等。

对于中小功率内燃机的结构分析相对上述两方面要稍微差一些。

究其原因是80年度设计的内燃机产品结构偏于保守，在可靠性方面暴露的问题比性能方面暴露的问题相对要少，故在中小型内燃机的研究方面主要侧重于性能研究和提高。

对于像机体这样大型复杂零件进行可靠性评估难度是非常大的，一是机体的强度及分布函数没有现成的资料可查，对机体分布函数的参数估计完全凭经验，难免出现一定的误差。

二是机体危险部位并非一处，且形状各异，强度极限高低各异，不能按某一极限值确定整个机体的强度分布。

三是可靠性分析需进行多点评估。

四是应力分布的测量工作量非常大，需对不同部位进行实物动态应力测试才能确定。

鉴于以上的难度，对机体进行理论上的可靠性评估的研究一直处于探索研究阶段，无成熟的规范，但对机体进行实物可靠性研究工作各研究单位及生产企业一直在根据各自的实际情况进行着。

比如，有的企业对机体的评估按整机条件全速全负荷进行台架考核．有的企业对整机进行超供油10％的全速全负荷台架考核，有的企业是实行装车跑合10万公里耐久试验等不尽相同，还有的企业或研究所单独对机体零部件实行实物疲劳试验或超载实物疲劳试验。

以上的办法各不相同，效果也不同，整机台架全速全负荷考核可以真实地反映机体实际工况下的机械负荷和热负荷及振动等各种因素的影响，是最真实的，但成本与试验周期较长，试验费用较大对整机其它零部件的要求严格、实现起来比较困难，对机体单独进行可靠性试验，虽然能够单独反映机体所受的机械载荷，但其损坏与整机损坏有一定差别。

另外，单独对机体进行的可靠性试验最终也需要整机试验验证，其构件试验与整机试验之间的联系较难确定，需大量的前期试验数据。

而我国目前此方面资料与数据非常少、单独开展此方面研究即可确定零部件可靠性难度较大，以上两种情况都需要在机体实物已经具备的情况下才能进行。

无论是远洋、沿海的船舶，还是内河的机动船舶，或是海军的舰船，均需要有可靠的推进柴油机和其他辅助柴油机。

因而，近几年柴油机的设计、研制．生产、使用部门,都十分重视柴油机的可靠性的分析与研究。

在提高柴油机的技术、经济指标的同时，积极努力地减少柴油机的故障，提高使用寿命，降低维修工作量，千方百计的提高柴油机的可靠性。

为了确保船用柴油机的可靠性，必须在设计阶段就引进