【《深海收放系统故障问题研究》13000字】

PAGE9深海收放系统故障问题研究目录TOC\o"1-3"\h\u11843第一章绪论 131491.1深海收放系统的概述 1105431.2课题研究的目的和意义 216531.3国内外深海收放系统的研究现状 320661.3.1国外收放系统的研究现状 3223701.3.2国内收放系统的研究现状 3193691.4本文的主要研究内容 4276751.5本章小结 526400第二章收放系统总体方案设计 693312.1传统收放系统单卷筒结构的缺点 6222772.2收放系统双绞车结构方案 7242212.3收放系统双绞车结构的优点 933542.4本章小结 92123第三章收放系统故障分析 10162413.1故障树分析法简介 10106883.1.1建立故障树的基本步骤 10239953.1.2故障树中使用的符号 11170283.1.3故障树分析法的优点 12178373.1.4故障树分析法的缺点 12196053.2绘制故障树的软件选择 13225013.3故障树分析 1387813.3.1电机故障 13227193.3.2卷筒轴承故障 1493053.3.3启动跳闸 1594563.3.4系统不启动 16103473.3.5运行不正常 17163593.4本章小结 1716025第四章收放系统寿命分析 18128664.1寿命分析的定义 1826864.2收放系统卷筒寿命预测 1884054.2.1卷筒的设计参数 1857854.2.2卷筒筒壁的径向压力计算 1923354.2.3卷筒侧板的轴向压力计算 20316224.2.4卷筒的材料及其疲劳性能 20138504.2.5卷筒静结构分析 21168874.2.6卷筒疲劳寿命预测 21227234.3收放系统减速机寿命预测 22239734.3.1影响减速机寿命因素 22189094.3.2减速机主要参数 22206204.3.3寿命计算 22262864.4本章小结 2316679第五章收放系统故障识别与动态性能预测系统界面设计 24186395.1PyQt软件 24254915.1.1PyQt的介绍 24228485.1.2PyQt的优点 24216955.2界面设计 243535.2.1主界面设计 24163975.2.2故障诊断界面设计 2642295.2.3寿命分析界面设计 27110275.3本章小结 2825396结语 29338参考文献 31PAGE9第一章绪论1.1深海收放系统的概述如今，人们已经将目光由陆地资源投向了深海，尤其是对于世界上最深的马里亚纳海沟。但是过去的传统式深海探测设备的使用深度较浅，已经无法满足深层海洋探测作业的需求。随着世界海洋勘探的不断深入，深海钻井、调查、取样等各种新设备和新技术也随之产生，特别是随着海洋开发领域的逐步扩大和海洋调查的深入，深海设备收放系统的可靠性和工作效率越来越高。深海油田的不断发展，促进了深海水下设备的发展。与收放系统及其一起使用的缆绳的长度增加，水下重量增加，绞车滚筒缠绕层数增加，缆绳所受到的张力大大增加。收放系统在铺设和回收深海设备的过程中，容易在母船的升沉运动中，由于水下设备的牵引力和缆绳张力太大，导致绞车磨损、故障，甚至缆绳断裂、水下工作设备的损失破坏以及其他的不希望出现的现象。因此，对深海收放系统的分析和研究已经成为深海作业必不可少的前提条件。深海收放系统是释放和回收测量仪器的专用探索设备。它在深海取样、调整CTD检查等工作中发挥了非常重要的作用。传统的测量绞车常常采用导缆滚轮以及单卷筒的形式，在浅海调查工作中，这种结构具有载荷较小、系统比较简单的特点，可以完美地完成释放、回收的工作，可是随着调查范围以及调查深度的不断扩大，缆绳的长度越来越长，目前对缆绳长度的最大要求已经超过了10000米，释放水下作业设备后，缆绳以及设备的重量会导致缆绳张力过大，导致缆绳在卷筒上分布不均匀，排列随意，为此，工作人员经常必须停下工作来调整缆绳的位置，这不仅降低了深海作业的工作效率，而且，缆绳之间的摩擦与挤压会导致缆绳的磨损，大大缩短收放系统的使用寿命，因此，传统的收放系统不能满足深海作业的要求。目前，以美国DYNACON公司为主，对深海作业中传统收放系统的缺点进行了大量研究，已经取得了极大地成果，使得产品更为成熟。将牵引绞车和储缆绞车的功能分离，这解决了缆绳拉力大以及缆绳之间存在的问题，缆绳在牵引绞车上缠绕几圈，释放掉大部分张力后，再来到储缆绞车上整齐排列。传统的单筒收放系统通常仅采用电动或者液压驱动，控制简易，而深海收放系统分为牵引机构和储缆机构，控制很复杂。该系统需要及时控制，通过高精度传动系统来控制牵引绞车和储缆绞车的运行速度，避免电缆太松或太紧，影响正常工作，甚至损坏缆绳。1.2课题研究的目的和意义我国于2016年5月1日实施了《深水法》，在“十三五”发展规划中，规划所需的事情中有十分之一以上与海洋工程相关，其中包括深海空间站、深海实验平台“龙宫一号”的突破、海洋探测的发展、海底资源的开发利用、海上作业装备系统等几项重大海洋工程。中国科技部还发布《深海关键技术与装备》专项通知，着力推进海洋开发，推动海洋工程装备产业化，为我国深海探索提供科技支撑，加快发展深海领域领先技术。一方面，由于资源的减少，各国掀起了探索新资源的热潮。特别是深海资源，其中蕴藏着丰富的石油，天然气，矿产，生物资源等，为了确保海洋环境的可持续健康发展，防止资源勘探开发活动对海洋环境的破坏，需要跨越式开发深海的先进设备；另一方面，随着蛟龙号，海龙号等现代深水技术设施的成功开发，科研区开始向深海集中，促进了我国深水工业的可持续发展，深水设备的产业化，市场化，也为国际化奠定了基础。这不仅促进了高质量海洋技术和装备的发展，也加速了中国海洋的发展。载人潜水器、水下机器人等深海水下作业设备，是当前最先进的海洋水下作业设备。水下机器人、深海拖航等深海作业不仅需要缆绳来提供拉力，将设备缓慢的在海洋中下潜释放，而且需要脐带缆给水下设备提供电力、氧气等所需要的物资，同时通过脐带缆，将画面、声音等信息及时的传回海面。随着深海绞车与水下作业设备的快速发展，对于海底地质测绘、深海水质探测、海洋钻井、深海生物研究等领域也仿佛如鱼得水，发展迅速。对深海水下作业的工作深度的不断增加，脐带缆的长度与重量也不断增加，而巨大的长度和重量变化又使得在水下面临的未知风险越来越多，面领的危险程度有增无减。本设计的研究是为了配合水下工作设备的释放与回收，设计一个收放系统，可以大大减小脐带缆的张力大小变化，并且能将脐带缆整齐的排列在绞车卷筒上，防止嵌缆、缆绳磨损等故障，确保收放系统与水下工作人员的安全得到保障；使工人能够在甲板控制平台上及时有效地操作绞车，从而控制深海设备的精确运动，使水下作业如采样、维修、施工等任务能够顺利完成。1.3国内外深海收放系统的研究现状1.3.1国外收放系统的研究现状国外对收放系统的研究起步较早，目前除深海收放系统外，普通收放系统的技术也基本上已经趋于成熟，开始对收放系统的关键核心部位开始下一步的更新升级，开发了多功能高科技收放系统。尤其是在深海领域，配备深海操作设备的收放系统正在逐步发展。在先进技术和大量经验的基础上，掌握收放系统开发的关键技术和主要组件，在使用功能和设计方面具有显著优势。美国的挖掘机绞车，挪威的起重机，德国的液压钻机均采取了波浪补偿，起重补偿，张力补偿等一系列补偿，这些补偿系统可以防止船舶随波逐流。此外，芬兰的吊臂起重机采用张力补偿，荷兰的捕鱼设则采用皮带轮带动液压装置作为补偿方式。行星轮不仅可以提高系统的载荷大小，而且利用合适的行星轮，可以得到适当的减速比，但是行星轮会导致系统的工作效率降低。对此，美国的G.White设计了一种同时兼顾系统工作效率与工作性能的行星轮传动机构，将高齿行星轮与滑轮组相结合，最终该机构达成了性能优异、安全有保障、符合标准的要求。挪威的生产的MH-500-20型绞车，将联轴器、减速器分开，分别安装在绞车卷筒的两端，这样的设计可以实现多动力同时驱动系统。在日常工作和正常工作中，通过液压来控制减速器转速的变化，并且将控制直接传递给收放系统。美国在近来还研发了一种更加便于人员操作的绞车系统，该系统考虑到了传统绞车换挡的复杂操作，新型绞车系统不但变速范围大，而且变速档位也减少了，通过变频电动驱动该系统。整体的结构简单，操作简便。1.3.2国内收放系统的研究现状尽管我国对绞车的研究起步较晚，但是对于收放系统的研究却是发展迅速。从新中国成立以来，中国就开始对苏联的绞车收放系统开始了学习，没有过多停留，新中国马上开始了浅水绞车收放系统的自主设计研发，在浅水领域迅速发展起来，先后开发了200米和500米的浅水绞车，500米的船用锚绞车，600米的船用底栖绞车和1200米的海上电缆。从20世纪90年代以来，中国在浅水收放系统领域获得的成就上，开始转向对深海收放系统进军。有浅水收放系统的研究经验作为基础，很快就对深海收放系统的关键技术进行了技术突破与改善。时至今日，国内许多海洋领域与机械领域的专家，对深海收放系统展开了深入的研究，获得的成果也已不计其数。中国科学院自动化研究所的陈育喜、张竺英提出了深海ROV脐带电缆绞车的设计研究，主要介绍了配合深海作业设备使用的脐带缆问题。海洋探索深度的增加，收放系统使用的缆绳长度增加，水下重量增加，绞车滚筒缠绕层数增加，脐带缆所受到的张力大大增加。陈院士分析了脐带缆长度增加带来的相关问题后，选择利用绞盘卷筒分担牵引与储缆两种功能的设计。武汉市第二船舶设计研究所的邓志勇、张浩力设计了一种可以实现张力保护自动收放脐带缆的新型绞车装置。该设计提出了张力控制方案，保护缆绳不受张力变化的负面影响，为整个采集系统的正常使用和深水作业设备的有效性提供了保护。设计的亮点在于利用收放系统的主动排线功能，解决了传统的手动储缆方式，大大提高设备的速度和工作效率。中国科学院沈阳自动化研究所张奇峰、康守权主要研究了水下工作设备的回收系统的控制方式，结合缆绳张力变化问题及收放系统的整体外形，设计了整个储缆系统的结构方案，分析了缆绳中张力的变化过程，提出了遥控水下机器人脐带缆绞车的设计与分析。中船重工第710研究所周晓明、裴华刚，设计了一种新型的控制技术方案，这种控制技术不像以往传统的工作人员进行手动控制，而是采取自动控制，并且将ARM控制与伺服控制相结合，这种新型控制系统，大大减少了工作人员繁琐的操作步骤。此外，周晓明和裴华刚海设计了与这种控制系统相匹配的机械结构，这种机械结构能够有效的降低收放系统工作时的传动损耗，而且结构简单，工作人员可以轻松地对系统进行控制，更好地适应复杂的海洋情况。1.4本文的主要研究内容本课题为无动力的深海探测设备回收和释放的绞车装置，由两部分组成，牵引绞车和储缆绞车，牵引绞车是拖拽负载的主驱动单元，储缆绞车用来把大量缆绳进行有序存储。海洋收放系统的工作环境非常复杂，在风浪的作用下，会使收放系统受到极大地影响，因此，对收放系统进行故障诊断与寿命预测就显得极其重要。对此，本人的主要研究内容如下：1、通过了解课题的背景、意义和国内外发展情况，并对系统涉及的关键技术或难点进行文献分析，对整个收放系统的工作原理进行了解，对系统的结构设计与电气控制部分学习，最后对研究的收放系统对象进行虚拟三维建模用于后期系统中的可视化显示。2、学习认识收放系统结构和实现形式，调研了解相关的各种故障类型种类形式，分析交互式三维模型可视化的实现形式，针对故障的不同类型，进行故障树分析，并对建模的故障部位进行高亮展示。3、对涉及嵌缆、缆绳漂移、缆绳抖动等常见收放系统故障进行分类整理，编写收放系统故障识别相关算法，并对收放系统动态性能预测的方法与应用进行研究，编写收放系统性能预测相关算法。4、针对上述功能，开发一个研究收放系统故障识别与动态性能预测的系统。1.5本章小结本章主要介绍了深海收放系统，阐述了深海收放系统研究的目的和意义，从国家高端技术层次对收放系统的必要性以及收放系统存在的缺陷等方面进行了全面分析。在详细介绍的基础上，进一步讨论了国内外深海收放系统的发展状况。最后，介绍了深海收放系统设计中的创新点和难点，确定了本文的研究内容和研究方向。第二章收放系统总体方案设计2.1传统收放系统单卷筒结构的缺点过去在进行浅海作业时，海洋绞车一般采用单卷筒结构，用于收放和储存缆绳【4】。但是随着人类对海洋更大范围的不断探索和深海作业深度的不断加深，绞车的缆绳长度在不断增加，而且随着缆绳的长度改变，会出现如下的变化：对浅海进行探索时，缆绳长度不大，相比于深海探测设备，缆绳的密度小，质量轻，重量远小于深海探测设备，可以忽略不计，所以缆绳和绞车受到一个恒定的张力。可是随着海洋探索深度的增加，缆绳将不能够再无视，甚至会超过水下作业设备仪器的分量，这使得缆绳的重量成为了绞车的主要工作负荷。由于缆绳长度增加和方向盘角度的限制，绞盘的长度不能太长。因此，绞盘上的缆线缠绕圈数只能增加，绞盘卷筒的体积也只能增大，这导致绞盘的半径只能扩大，转动惯量也随之上升，所需的驱动力矩最终大大提升。绞车卷轴上各段缆绳之间张力的变化很大。深海探测设备在出水前的张力最小，但是，深海探测设备出水后，失去了浮力的帮助，重量骤增，绞车最后一段的绳中张力远远大于出水之前的张力，这会导致缆绳磨损，长期以往，严重更会导致缆绳的断裂、深海探测设备的丢失以及深海工作人员的伤亡。2.2收放系统双绞车结构方案左侧为牵引绞车，右侧为储缆绞车电缆先进入牵引绞车，在两个绞车上交互缠绕，两个绞盘同时驱动，通过导向轮进入绞车。牵引绞车产生拉伸力，经过绳索和滑轮之间的摩擦力作用，减弱了一部分绳子的张力。再经过几次摩擦，摩擦力导致绳子的张力减弱，就会以极低的张力进入绞车之中。此时，由于张力保持在较小的范围中，所以可以有效地对齐并存放缆绳。【19】排缆机构需要时刻保证与卷筒相垂直，以防出现嵌缆，缆绳排列不整齐，堆积等问题；还要保证入绳端与卷筒之间同步运动，一旦不同步，会导致缆绳松动或过紧，加剧缆绳磨损。牵引绞车建模储缆绞车建模2.3收放系统双绞车结构的优点本课题为无动力的深海探测设备回收和释放的机械装置，它由两部分组成，牵引绞车和储缆绞车，牵引绞车是拖拽负载的主驱动单元，储缆绞车用来把大量缆绳进行有序存储。该设计的优点如下：1、分离牵引功能和储缆功能，从牵引绞车中提供提升力，避免了线圈数变化引起的半径变化导致驱动力矩受到影响，因此降低了系统所需的最大驱动扭矩。另一方面，负载分散在两个绞车上，单个驱动机构的功率也降低了【19】。2、因为储缆绞车在竖直的方向上配置，所以储缆筒的长度不会受到导向轮角度的制约，储缆筒的长度也可以大幅增加，将缆绳的绕组层数控制在较小范围内。此外，为了防止惯性力矩的增加，还降低了绞车的驱动功率【19】。3、缆绳缠绕时所产生的张力远小于缆绳提供的拉力，因此，即使在深海探测设备提升出海面时，升力突然增大，绳子最外层的张力也会保持在较小的变化范围内，这样可以有效的防止外层缆绳嵌入内层【19】。2.4本章小结本章介绍了本设计的收放系统总体方案为双绞车功能分离模式，分析了过去传统收放系统结构在面对深海作业存在的缺陷以及风险，在此基础上介绍了收放系统双绞车结构的设计方案，将牵引绞车与储缆绞车功能分离，这样一来降低了收放系统的驱动功率与缆绳张力，可以防止收放系统因为缆绳张力过大而造成的缆绳磨损甚至断裂，导致水下设备的丢失与水下工作人员的安全隐患。第三章收放系统故障分析3.1故障树分析法简介故障树分析又称FTA，这是一种自上而下的推断性故障分析，它使用布尔逻辑组合低级事件并分析工作之中管理者希望可以避免甚至消除的故障事件【20】。故障树分析法主要应用在要求安全可靠的工程领域，通过建立故障树来分析故障产生的来源，并且给出消除安全隐患或验证特定系统运行不正常可能性的最佳方法。故障树分析还用于航天、核生化、制药、石化等高风险行业，以及社会保障制度失效等其他领域的风险识别。故障树分析也用于软件工程中，和故障原因调试与排除的技术密切相关。3.1.1建立故障树的基本步骤故障树分析的方法有很多种，但最常用的方法可以分为几个步骤。故障树可以分析不需要的事件（或顶部事件），但只能分析一个。结果可以与其它故障树联系起来，成为基本事件。尽管意外事件的性质可能会有很大的不同，事件可能是发电系统晚了0.25ms发电，未检测到的货舱失火，或是洲际导弹随机的意外发射等，但其故障树分析的分析过程都相似。处于对人工成本和工作量的考虑，一般只会将事件中可能出现的最严重的故障进行故障树分析。故障树分析可分为五个步骤：1.定义要探究的不需要的事件：定义不需要的事件可能非常困难，但有些事件很容易分析和观察。对系统设计有充分了解的工程师或有工程背景的系统分析员最适合定义和列出不需要的事件。不需要的事件可用于故障树分析。故障树分析只能对应一个不需要的事件。2.获取系统信息：如果你选择了一个不希望发生的事件，那么所有影响不希望发生的事件及其发生概率的因素都应该被研究和分析。要知道确切的概率需要花费大量的成本和时间，而这几乎是不可能的。计算机软件可用于研究相关概率，并可用于低成本系统分析。系统分析员可以理解整个系统。系统设计者知道关于系统的所有知识，这对于避免遗漏任何可能导致不必要事件的原因非常重要。最后，列出所有事件和概率，以绘制故障树。3.绘制故障树：选择一个不需要的事件并对系统进行分析后，在了解事件的所有原因（包括发生概率）后，可以绘制故障树。故障树由或门和门组成，定义了故障树的主要特征。4.评估故障树：在为不需要的事件绘制故障树之后，我们需要评估和分析所有可能的改进方法。也就是说，我们需要进行风险管理，努力完善制度。这一步导致下一步，即控制已识别的风险。简言之，这一步将试图找到降低意外事件发生概率的方法。5.控制已识别的风险：此步骤将随系统而变化，但主要重点是确认在所有风险已识别后，已使用所有可行方来降低事件的发生率。3.1.2故障树中使用的符号与门：当且仅当所有输入条件满足时，输出事件才会出现。或门：只要有一个及以上输入条件满足时，输出事件就会出现。异或门：当且仅当一个输入条件满足时，输出事件才会出现。中间事件：表示需要对该故障原因进行深层分析的故障。基本事件：表示该故障已是基本故障或者无需对其进行深层分析。未展开事件：表示一些发生概率极低的故障或者无需对其进行深层分析。3.1.3故障树分析法的优点故障树分析法具有的优点如下所示：（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）通过提供定量数据来提高故障结构和评估系统的可靠性，能够量化复杂系统的故障概率以及其他可靠性参数；（4）进行故障树分析的过程是一个对系统更深入认识的过程。3.1.4故障树分析法的缺点故障树分析法具有的缺点如下所示：（1）故障树分析法常用在分析事故原因，但难以推测由于某些原因而导致的事故发生的可能性。（2）故障树分析法是用于分析针对某一个特定的事故，而不能针对整个过程或整个设备系统作出分析，因此故障树分析法具有局限性。（3）故障树分析法要求分析人员必须对其所分析的目标系统非常熟悉，并且能够熟练和准确地对故障成因进行下一步分析。然而，由于每个人的主观意识不同，面对同一种故障系统，不同人员的故障分析会千差万别，甚至结果截然相反。（4）对于比较复杂的系统，绘制故障树的步骤比较繁琐，绘制的故障树也比较繁杂，计算也更加复杂，给最后所进行的定性分析、定量分析带来巨大的困难。（5）由于需要对系统进行定量分析，就需要提前确定所有的基本事件各自发生的概率，不然就无法对故障树进行定量分析。

3.2绘制故障树的软件选择故障树绘制软件采用Edraw。Edraw，即亿图图示，它是一种基于矢量的绘图工具，它包括了许多实例库和模板库。它可以方便地绘制各种专业的业务流程图、组织结构图、业务流程图、程序流程图、数据流程图、工程管理图、软件设计图、网络拓扑图等。它可以更方便，更快地阐述设计思想和创造灵感。在设计中，采用全拖动操作，结合4600多个常用图形模板库和自定义实例库，最大限度地减少了用户的操作步骤；在设计中，我们不仅可以充分利用固有的材料，还可以学习借鉴别人的作品。3.3故障树分析3.3.1电机故障当出现电机故障时，可能是由于电机轴损坏或定子与转子摩擦所引起。当系统检测出为哪种故障之后，便可进行下一步检测。当电机轴损坏时，故障来源可能是轴承损坏、扭矩过大或者系统超负荷工作。轴承损坏的来源则是负载过大或润滑不良；超负荷工作会导致疲劳点蚀以及疲劳磨损。当定子与转子摩擦时，故障来源可能是定子与转子不同轴、转子磁铁损坏或者轴承损坏。轴承损坏的来源则是负载过大或润滑不良。3.3.2卷筒轴承故障当出现卷筒轴承故障时，可能是由于结构件损坏或润滑失效所引起。当系统检测出为哪种故障之后，便可进行下一步诊断。当结构件损坏时，故障来源可能是超负荷工作、润滑不良或者负载过大。超负荷工作会导致疲劳点蚀以及疲劳磨损。当润滑失效时，故障来源可能是油温过高或油质不合格。当油温过高时，会有三种故障来源：系统过载、冷却装置失效或环境温度过高。当油质不合格时，故障来源为：润滑油牌号错误、油质含有杂质或者润滑油变质。3.3.3启动跳闸当出现启动跳闸故障时，可能是由于绞盘主电机电流过大、三相不平衡或绞盘辅助电机电流过大所引起。当系统检测出为哪种故障之后，便可进行下一步检测。当绞盘主电机电流过大时，故障来源可能是转子卡死、绞盘主电机刹车未松开或负载过大。绞盘主电机刹车未松开会导致变频器故障、电磁铁损坏与刹车线路故障。当绞盘辅助电机电流过大时，故障来源可能是转子卡死、绞盘主电机未松开或负载过大。绞盘主电机刹车未松开会导致变频器故障、电磁铁损坏与刹车线路故障。3.3.4系统不启动当出现系统不启动故障时，可能是由于绞盘主电机不运转、跳闸或储缆张力小所引起。当系统检测出为哪种故障之后，便可进行下一步检测。当绞盘主电机不运转时，故障来源可能是绞盘主电机损坏、绞盘主变频器故障、收揽时近地五米以内、编码器连接故障、负载张力超限或变频器通讯故障。编码器连接故障则是由编码器故障、线缆接头松动、编码器机械连接松动或编码器卡故障造成的。当储缆张力小时，故障来源可能是储缆电机故障、储缆力传感器故障、AD模块故障或编码器连接故障。储缆电机故障可能是由于储缆电机损坏或储缆电机缺相。编码器连接故障则是由编码器故障、线缆接头松动、编码器机械连接松动或编码器卡故障造成的。3.3.5运行不正常当出现运行不正常故障时，可能是由于结构件损坏所引起或是运行有噪音。当系统检测出为哪种故障之后，便可进行下一步检测。当运行有噪音时，噪音来源可能是轴承响动或电机螺栓松动。轴承响动则可能是由轴承损坏或轴承缺少润滑所引起的。轴承损坏的原因则是负载过大或润滑不良。当结构件损坏时，故障来源可能是负载过大、润滑不良或是系统超负荷工作。系统超负荷工作则会导致疲劳点蚀与疲劳磨损。3.4本章小结本章对故障树分析法进行了说明，分别介绍了故障树分析法的建立步骤、故障树分析法的常用符号以及选择它的优点。接着选择了亿图图示作为故障树绘制软件，对亿图图示进行了介绍，然后将电机故障、卷筒轴承故障、启动跳闸、系统不启动和运行不正常这些常见绞车故障进行了故障树绘制。第四章收放系统寿命分析4.1寿命分析的定义随着科技与社会的进步发展，越来越复杂、越来越精密的装置设备开始出现，这些设备往往对于寿命与性能有着极高的要求。从流水线上的加工设备，到卫星、航母、发电站，到船舶上面的收放系统，这些复杂庞大的装置设备，要求能够有良好的寿命与安全可靠的工作性能。因此，对于设备的寿命预测分析，就显得极为重要。剩余寿命，常常称为剩余有效寿命，它代表着设备从现在开始还能够继续工作的时间。由于设备庞大复杂，一个系统往往包含着许多的结构，对于该系统的寿命预测，会受到系统各个部件的影响。所以，对收放系统的寿命分析，我从收放系统卷筒寿命和收放系统减速机寿命上着手计算。4.2收放系统卷筒寿命预测4.2.1卷筒的设计参数收放系统的卷筒如图所示，卷筒设计参数如下：①缆绳直径9.4±0.3mm；②缆绳曲率半径≥200mm；③缆长2000m；④额定载荷20kN；⑤额定速度1.5m/s；⑥卷筒长度1400mm；⑦卷筒直径410mm；⑧每层绳圈数：145；⑨线圈层数为9层。4.2.2卷筒筒壁的径向压力计算绞车作业时，缆绳的出绳端连接负荷，绳被储存到滚筒的绳槽上，同时筒壁产生径向压力。假设绞车刚好达到系统的最大工作载荷，径向压力如下计算：式中：A为缠绕系数，当缠绕9层时，A=4.5；qr为对卷筒壁造成的的径向压力，单位为MPa；T为绞车最大工作载荷，单位为N；r为卷筒的半径，单位为mm；B为卷筒的总长，单位为mm；代入计算得qr4.2.3卷筒侧板的轴向压力计算当缆绳多层缠绕在滚筒上时，内层缆从外层被挤压，对侧板施加轴向压力。假设该压力均匀分布在滚筒侧板上，轴向压力如下计算：q式中：qz为对卷筒侧板造成的轴向压力，单位为MPa；n为缆绳储缆层数；T为绞车额定载荷，单位为N；Dn为最大缠绕直径，单位为mm；Do代入计算得qz=0.674.2.4卷筒的材料及其疲劳性能卷筒的材料为Q460D。由于其拉伸强度极限和屈服极限，当横截面应力超过该静强度极限时，材料就会被破坏或变形，最终机械结构被彻底破坏。材料名称为低合金高强度结构钢，牌号为Q460D，标准为GB/T1591-1994。低合金高强度结构钢是通过在碳结构钢中加入少量合金元素而制备的。其韧性比碳结构钢高，焊接性、塑性、韧性、加工工艺性强，耐腐蚀性高，强度高，且具有低冷脆临界转变温度。这种钢材料中不但存在一定量的硅（Si）、锰（Mn）等基本元素，而且还存在如钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）、铝（Al）、钼（Mo）、氮（N）和稀土等微量元素。它的牌号表示方法与\t"/item/%E4%BD%8E%E5%90%88%E9%87%91%E9%AB%98%E5%BC%BA%E5%BA%A6%E7%BB%93%E6%9E%84%E9%92%A2/_blank"碳素结构钢基本相同。适用于制造建筑桥梁船舶车辆铁道高压容器锅炉汽车拖拉机大型钢结构及大型军事工程等方面的结构件。它的力学性能优异：密度：7850kg/㎥；弹性模量：2.08×1011抗拉极限：558MPa；屈服极限：474MPa。而疲劳极限和静强度极限之间的关系为，材料的疲劳极限远远低于静强度界限。部件形成微小的裂缝，此处裂缝是循环负荷重复后的应力值最大的地方，应力持续作用，使得裂缝逐渐变深，最终导致破裂。绞车工作时，运行速度较慢，负载周期频率低，是低周疲劳状态。S式中：Smax是在负载循环下，材料的疲劳极限，单位为MPa；N4.2.5卷筒静结构分析满足最大应力负载时，结构同时受到最大径向压力和最大轴向压力的作用。卷筒的应力主要集中在两侧的筒壁上，在内壁达到最大值，最大应力为322MPa，比材料的屈服强度极限小得多，为474MPa，满足静强度要求。连接处的应力比较集中，此外，应力主要作用在侧板、支承板以及汽缸壁的连接位置处。受径向压力和轴向压力的影响，卷筒主体结构的形变较小，形变大部分出现在卷筒两边的筒壁与侧板处，筒壁受到径向压力的影响，因而被挤压向内形变，最大形变量为0.42278mm，满足要求。4.2.6卷筒疲劳寿命预测卷筒的绳长长度为2000m，收放系统工作绳速为1.5m/s。当绞车正常运行时，完全收放一次缆绳需要缠绕九层缆绳，载荷循环9次，因此约每22.2min卷筒完成载荷循环9次，它的疲劳状态属于低周疲劳。根据载荷周期数计算疲劳寿命，卷筒两侧筒壁受到的应力比较大，疲劳寿命较低，而内壁的疲劳寿命最低，最低的载荷循环次数为3.16×106次。因为卷筒每完成9次载荷循环大约为22.2min，所以完成每次循环约为2.467min，卷筒不发生疲劳破坏可以循环3.16×104.3收放系统减速机寿命预测4.3.1影响减速机寿命因素影响减速机寿命的因素有很多。减速机的各部件都可能会影响减速机的寿命。例如电动机、驱动轴、滚动轴承、联轴器、传动零件、外壳、箱盖、附件、键和齿轮等，其中齿轮是最重要的要素。另外，密封和润滑方式也会影响减速机的寿命。4.3.2减速机主要参数减速机型号为KAF37DRE80M4减速电机。主要参数如下：①额定功率0.75KW；②满载转速32r/min；③额定转矩2.2；④主动轴的材料为45号钢，调质处理；⑤主动轴上的轴承的型号为:6206。4.3.3寿命计算查表可知:d=30mm,外径D=62mm,宽度B=16mm,基本额定动载荷C=19.5KN,基本静载荷CO=111.5KN,极限转速32r/min。根据已知条件，轴承预计寿命Lh=10×300×16=48000h，轴承寿命约5.5年。因为nI=473.33(r/min)，两轴承径向反力：FR1=FR2=1129N，求得轴承内部轴向力FS=0.63·FR，所以FS1=FS2=0.63·因为FS1+Fa=FS2+Fa=0,所以FA1=FS1=711.8N，FA2=FS2=711.8N，FA1/FR1又因为e=0.68，所以FA1/FR1<e，FA2/FR2<e，x1计算当量载荷P1、P2：取fP=1.5，得P1=fp(x1FR1+y1FA1)=1.5×(1×1129+0)=1693.5N,P2=fp(x2FR因为P1=P2，所以P=P1=P2=1693.5N。因为ε=3,Cr=19500N,可得LH=106(ftCr/P)εn/30=106(1×19500/1693.5)3×473.33/30≈57772h＞48000h。所以预期寿命符合，所以减速机寿命为48000h，约为5.5年。4.4本章小结本章从收放系统的卷筒以及收放系统的减速机入手。针对收放系统的卷筒部分，计算了卷筒筒壁的径向压力以及卷筒侧板的轴向压力，接着分析了卷筒的材料及其疲劳性能，计算得到卷筒的疲劳寿命为129911.11h（约15年）；针对收放系统的减速机部分，分析了减速机的主要参数，计算得到减速机的使用寿命为48000h（约5.5年）。第五章收放系统故障识别与动态性能预测系统界面设计5.1PyQt软件5.1.1PyQt的介绍PyQt是一个用于设计GUI应用程序的软件。它是将Python编程语言和Qt库组合而成的。Qt库是目前最强大的库之一。PyQt由PhilThompson所开发。5.1.2PyQt的优点PyQt制作界面的优点如下：功能强大Pyqt实现了一个python模块组，它有300多类，近6000个不同的函数和方法，可以在windows、UNIX、MAC等大多数主流操作系统上运行，Pyqt采用双许可，开发者可以选择GPL和商业许可，在此之前，GPL版本只能在UNIX中使用。从pyqt4版本开始，GPL许可证可以在所有支持的平台上使用。容易操作PyQt界面设计采用模块拖拽式设计，在自己设定的界面上，可以拖拽诸如文本框、按钮、选项等控件，并对控件插入槽信号，就能实现界面转换、界面交互等功能，最后通过PythonEric6对界面进行编辑，就能把.ui文件转化成.py文件，完成界面的设计。5.2界面设计5.2.1主界面设计收放系统故障识别与动态性能预测系统由主界面和次界面所组成。界面背景选择绞车系统的三维建模如图所示。收放系统故障识别与动态性能预测系统主界面包括系统的标题与三个功能按键。系统标题名称为收放系统故障识别与动态性能预测系统。三个功能按键分别为[故障诊断]、[寿命分析]与[退出系统]。单击[退出系统]按键，便能实现退出系统，关闭操作窗口。5.2.2故障诊断界面设计单击[故障诊断]按键，进入系统次界面故障诊断界面。根据系统出现故障的位置，点击相应的按键，会弹出来与该故障相关的故障位置以及故障原因，并且提示出对于该故障的解决方案。在此次界面，单击[返回主界面]按键，即可返回系统主界面。5.2.3寿命分析界面设计单击[寿命分析]按键，进入系统次界面寿命分析界面。本界面通过对绞车的卷筒以及绞车的减速机的寿命计算，得出绞车的预测寿命。在此次界面，单击[返回主界面]按键，即可返回系统主界面。5.3本章小结本章对收放系统故障识别与动态性能预测系统的界面制作进行了介绍。分析了PyQt以及其应用特点，最终选用PyQt作为收放系统故障识别与动态性能预测系统的界面制作软件。系统主界面包括[故障诊断]、[寿命分析]与[退出系统]三个功能按键，用于实现主界面与次界面之间的转换。结语本文第一章主要对深海收放系统进行了概述，介绍了深海收放系统的研究目的、意义和作用，从国家发展、深海探索的必要性与收放系统存在的缺陷等方面进行了全面分析。在详细介绍的基础上，进一步讨论了国内外深海收放系统的发展状况。最后，介绍了深海收放系统设计中的创新点和难点，确定了本文的研究内容和研究方向。第二章介绍了本设计的收放系统总体方案为双绞车功能分离模式，分析了过去传统收放系统结构在面对深海作业存在的缺陷以及风险，在此基础上介绍了收放系统双绞车结构的设计方案，将牵引绞车与储缆绞车功能分离，这样一来降低了收放系统的驱动功率与缆绳张力，可以防止收放系统因为缆绳张力过大而造成的缆绳磨损甚至断裂，导致水下设备的丢失与水下工作人员的安全隐患。第三章对故障树分析法进行了说明，分别介绍了故障树分析法的建立步骤、故障树分析法的常用符号以及选择它的优点。接着选择了亿图图示作为故障树绘制软件，对亿图图示进行了介绍，然后将电机故障、卷筒轴承故障、启动跳闸、系统不启动和运行不正常这些常见绞车故障进行了故障树绘制。第四章从收放系统的卷筒以及收放系统的减速机入手。针对收放系统的卷筒部分，计算了卷筒筒壁的径向压力以及卷筒侧板的轴向压力，接着分析了卷筒的材料及其疲劳性能，计算得到卷筒的疲劳寿命为129911.11h（约15年）；针对收放系统的减速机部分，分析了减速机的主要参数，计算得到减速机的使用寿命为48000h（约5.5年）。最后第五章对收放系统故障识别与动态性能预测系统的界面制作进行了介绍。分析了PyQt以及其应用特点，最终选用PyQt作为收放系统故障识别与动态性能预测系统的界面制作软件。系统主界面包括[故障诊断]、[寿命分析]与[退出系统]三个功能按键，用于实现主界面与次界面之间的转换。参考文献[1]梁利华,孔繁增.电动光电复合缆绞车控制系统设计[J].船舶工程,2016(10):41-45.[2]TaeSanKim,SoYoungSohn.Multitasklearningforhealthconditionidentificationandremainingusefullifeprediction:deepconvolutionalneuralnetworkapproach[J].JournalofIntelligentManufacturing,2020(prepublish)；[3]周华伟,温旭辉,赵峰,张剑.一种具有预测功能的抗积分饱和PI速度控制器[J]，电机与控制学报,2012，15-21；[4]陈育喜,张竺英.深海ROV脐带缆绞车设计研究[J].机械设计与制造,2010(04):39-41.[5]康守权,张奇峰.遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析[J].海洋工程,2010(01):117-120.[6]赵俊海,刘涛,崔维成.新型机动型救生钟铠装缆绞车的研制[J].中国造船,2012,000(004):118-127.[7]邓智勇,曾钕钋,张浩立.一种新型张力保护自动收放脐带缆绞车装置[J].海洋工程,2010(03):107-111.[8]张舜.深海光纤细缆绞车设计关键技术研究[D].上海海洋大学.[9]SungkeunYooetal.Modelingandverificationofmulti-windingropewinchforfacadeoperation[J].MechanismandMachineTheory,2021(445):104105；[10]曾钦,严灿,毕仁贵.基于Workbench的深海钻机收放机构有限元分析[J].农机使用与维修,2019(8):44-47.[11]K.Krishnamoorthy,YinLin.ConfidencelimitsforstressstrengthreliabilityinvolvingWeibullmodels