镶环活塞Fe-Al复合层的缺陷风险研究.doc

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1、 中国石油大学（华东）硕士学位论文镶环活塞Fe-Al复合层的缺陷风险研究姓名：沈静涛申请学位级别：硕士专业：安全工程指导教师：雷毅；鲍永忠201205 关 键字： 镶 环 活塞； 复 合 层 ； 缺陷 ； 事 故 树 ； 层 次 分 析 法； 模糊评 判； 概 率 风 险分 猠 课题 意 义 体 和增 强材 料 两 类 所 处的 危 险状 况， 所 以复 合 机 构 被 破 坏 的方 式 可 能 有 多 种 ， 增 强材 料 一 般受 单 向 层 压 而 遭 到 破 坏 ， 基 体 则由于 垂直受力 而 遭 到 破 坏 。而 介 于 这 两 者之间 的载 则引起不同 的破 坏 形态。在 此基

2、础 上 提出许用值 的概 念 ， 即 使 复 合 结 构 存 在 缺 陷， 但并 不严重 ， 在 理论上 我们 是可 以允 许的 。上 海的 沈叔 曾【于 年 进 行 了 复 合 材 料结 构 的可 靠 性 设 计 ， 他以简支 架为 例， 以统 计 学为 研 究基 础 ， 论证了 一 种 新的 复 合 结 构 设 计 理 念 ， 他认为 复 合 结 构 的破 坏 是由于 ， 结 构 材 料 的弱 区与应 力 强区正好 处于 吻 合 ， 结 构 就 遭 到 破 坏 。并 按此理 念 设 计复 合 结 构 ， 论证此结 构 具有 更 好 的优 势 。张 汝 光【勘从自 己的角度提出了 复 合 材

3、 料结 构 的设计 观念 ， 他认为 从材 料 的观念 、 分类 、 性 能 和应 用上 看， 复 合 材 料 结 构 和常 规 的材 料 有 着 本质 的区别。对 复 合 材 料 的本 质 进 行 的详 细的 阐 述 ， 强调认识 复 合 材 料 结 构 的要点 ： 复 合 结 构 国内 外 对 缺 陷的研 究大多 集 中 在 复 合 材 料的缺 陷分析 上 。山东大学的马 呈新 确 的 分析 方 法。 在 事 故树 与 二 次 元 决 策图 转 换 过 程 中， 二 次 元 决 策图 的 变 量 的 选 择就 显 得 至的 技术手段 运 用 到安 全 系 统 的 设计和 分析 当中。 课题

4、 研究内 容 活 塞 一般 可分 为 柴 油 机 活 塞 、 汽 油 机 和通 用 型 活 塞 。活 塞 要 求有 很好 的 耐 热 性 和导 热 性 ， 一 般 风险 要 考 虑 ：风险 一 般 包括 ：风险 因 素， 风险 事件 和风险 损 失。的 因 素有 事故的 概 率和事故的 后 果 严 重 程 度 ， 因 此风险 可 以 用事故的 发 生 概 率和后 果 严 重 程 风 险 函 数一 般 用以 下式 子 来 表示】 ：风 险 按 照不 同 的标 准 进行分类 。 风 险 状 态简 单 的 说 是指 在 人 类 依靠 现 有的 科学 技 术 ，可 接受 的 经 济代 价 范 围 内，

5、是否 可以控制 。能够用 现 有技 术 手 段，付 出可 以接受 的 经 济代 价 ，能够消 除 降 低 的 风 险 ，叫做可 控制 风 险 状 态。现 有技 术 还 无 法 达到的 ，或者付 出巨 大 经 济代 价 得 不 偿失的 风 险 ，叫做不 可 控制 风 险 状 态。风 险 辨 识的 原则对 一个 系 统 而 言 ，存 在 的 风 险 因素 可 能很 多，有些具 有严 重的 事 故 后果 ，有些风 险 发 生之后对 人 的 生 命 和 财 产不 产生 影 响 或者 影 响 作 用 很小 。如 果 对 系 统 的 所 有风 险 都考 虑 进 去 ，工 作 是庞 大 的 ，也基 本 是不

6、 可 能的 ； 对 系 统 影 响 严 重的 风 险 没有考 虑 进 去 ，将导 致 分 析 的 失误 。因而 风 险 辨 识需 要 有针对 性 的 ，合理 的 选 择风 险 辨 识对 象，做到有的 放 矢 。风 险 辨 识一般 要 考 虑 ：危 险 因素 分 类 ：风 险 控制 是指 在 对 系 统 的 进 行 风 险 辨 识和 风 险 分 析 之后，针对 系 统 存 在 的 危 险 ，采 取 一 些措施 来 降 低这些风险 ， 具 体找出风险 发 生 的原 因 和影 响 因 素， 进 行 改 进 和控制 ， 或 者 降 低危 险 发 生 后 产 生 的后 果 。 在 事 故 发 生 前 ，

7、 降 低事 故 发 生 的概率 ， 在 事 故 发 生 后 ， 降 低事 故 的后 果 严 重 程度 ， 从而 使 风险 降低到 人们 可 以接 受 的范 围。镶环 活 塞 铸 造 缺 陷 分 析。 年 美 国 番 耶 却 拓操 作 过程中 主 要 运 用辖鹱 魑I烈 汉 辖稹 注 意 渗铝 的时 间和渗铝 温 度 ， 镶嵌 件 中 国 石 油 大学6 硕 士学位 论 文表 为 内 燃 机 、 铝活 塞 技 术条件 疶中 对复 合 层粘 结 质 量要 求 【 】 。 的 上侧 、 下 侧 和 底 面 都进 行 检 测 ， 而 我国 目 前只对 上下 侧 进 行 检 测 。 另 外 检 测 的

8、标 准也 因活塞 的 工 作环 境 和 加 工 工 艺的 不 同 ， 标 准略 有 不 同 。 在 镶环 活 塞 生 产 过 程 中 很 少有 复合层的 粘结强 度达 到 细 竦摹 辰 崆 慷 仍 之 间 就 可 以接 受。 中 国 石 油 大 学 6 硕 士学 位 论 文在 人机 系统中 ， 据统 计 因人的 失 误在 人机 失 误中 占约 。物的 因素和 环 境 因素 当 浇 注 界面 的 气 体 气 压大 于 渗 铝 液的 表 面 张 力的 时候， 气 体 就 会 脱离 界面 进 入渗 铝 液形当 气 体 逸过 渗 铝 液， 又 由 于 型 砂 的 透 气 性 的 原 因， 使气 体 滞

9、 留 在 渗 铝 液表 面 没 有 及时排出 ， 也 形 成 缺 陷 ， 呈 不 规则形 状 ， 为表 面 裂 痕缺 陷 。 由 于 此缺 陷 生 成 的 位 置也 主要在 浸渍层，所 以对 复合层的 粘 结强 度影 响 较 小 。 但 由 于 在 表 面 ， 对 活 塞 的 传 热和 密 封 等 造成 影 响 。可 以看 出 由 于 这种气 体 的 存在 可 能会 产 生 裂 痕和 气 孔 这两 种缺 陷 。 其 中 裂 痕缺 陷 对 活 塞的 质 量 影 响 较 为严 重 。 一方面 他 形 成 的 位 置在 扩 散层， 影 响 到 复合层的 粘 结质 量 ， 另 一方面由 于 产 生 在

10、 里 面 ， 不 便于 检 测 ， 需 用 无 损 检 测 探 伤 仪进 行 检 测 ， 增 加 了技 术 难 度， 也 增 加 了经 济 投入。 活 塞 基 体 的材 料 是 硅 铝 合 金， 活 塞 环 槽 是 铸 铁合 金， 活 塞 环 则 是 钛 类 合 金， 这 三 类 材 料一 旦 活 塞 环 卡 死 在 缸 套 内， 很 容 易 造成 别 的机械 故 障 ， 活 塞 环 被活 塞 巨大 的动 能 拉 断， 或 者 表 活 塞 局 部的温度 极限 值第 一 道环 槽大 点 处 ， 速 度 为 零 ， 力 最 大 ， 而惯性也 是 最 大 ， 活 塞 环 撞 击 活 塞 环 槽 ，

11、如此 往 复， 当 内燃 机成 镶 环 处 严 重 的磨损。 活 塞 环 槽 另一 种常见的机械 故 障 是 胶 着， 直 接 原 因 是 环 槽 内油 泥 堆 积物 胶 结 ， 活 塞 受 热裂碎 片敲 缸 事 故 发 生。 件 和 引 起 此事 件 发 生的 各 种 原因联 系 在 一 起 的 一 种 半定性定量研 究 方 法 ，是一 种 图 形演 绎 方法 。 其 特 点是思 路清 晰 、逻 辑 性强、简 单 明 了 。 事 故树 可以 利用基 本 事 件 发 生的 概 率 计 算 顶事 件 和 中间 事 件 发 生的 概 率 。 通 过 布 尔 函 数求取 最小割 集 ，找 出 引 起

12、 顶 事 件 发 生的 充 分 必要条 件 ；通 过 布 尔 函 数还可以 求出 顶 事 件 的 最小径 集 ，找 出 能 够 保 证 顶 事 件 不发 生的 充 分 必要条 件 。 概 率 发生 的 原 因。 事件有关 的所有事 故 原因 ， 确 定事 故 原因 并进 行影 响 分 析。编 制 事 故 树 是整 个 分 析 过 程的最 基 本 环 节， 首 先 通 过 对 被 研究 系 统 的风 险辨 识 ， 找到 系统 存 在 存 在 的各 种风 险， 和 影 响 这些风 险产 生的各 种风 险因 素 ， 确 立 中间事 件和 基 本 事 件，人 工 编 制 。个 事 件作为 结 果 输

13、出 ， 基 本 事 件必 须 经 过 逻辑门 与 中间事 件和 顶 事 件相连 。 工 作环 境温 度磁曷舄 卟 骺 鬻 篡 生弧 琻 求复 合层 缺 陷 事故树 的最 小 割集和 最 小 径 集过程 。最 害 集最 小 径 集：甔此 为 最 简 析 取 表达 式 ，所以最 小 割集分 别为 ： ，篨 ， 写出 事 故树 的 布 尔 代数此 为 最 简 析 取 表达 式 ，所以 最 小 割集为 ： ， 我 国的行 业 事 故故障概 率 数据 库 ， 数据 还 不 完善， 因 此 事 故树 基 本 事 件发 生概 率 改 为 故顶 事 件发 生的概 率 ：用或门连 接的项事 件发生的概 率 ：

14、中 国石 油 大 学 6 硕 士学 位 论 文通 常 的计算 方法是根据 容 斥定 理 ： 基 本 事 件的概 率 中 ， 人因 失误定 为 不 常 发 生， 铸件质 量 因 素 定 为 容 易 发 生， 工 作 环 境 因环 境 的基 本 事 件概 率 为 ： 硗飧 菥 槎 澹 杭窘 谟 跋 旄 怕 饰 # 一； 型砂松散危 险割 集 是指 这样 的基 本 事 件所 在的最小 割 集 ， 基 本 事 件状 态 改 变 ， 顶 事 件的状 态 随 之概 率 重要度 的计算 公 式为 ： 中 国石 油 大 学 6 硕 士学 位 论 文危 险重要度 的计算 公 式为 ：口 ， 中 国石 油 大 学

15、 6 硕 士学 位 论 文 概 率 重要度 顺序为 ： 操 作 不 当 嘌挡 蛔 情 绪因 素 饨 绺扇 生理 因 素 觳 椴 幌 存 在 中 国石 油 大 学 6 硕 士学 位 论 文概 率 重要度 顺序为 ： 裂痕缺 陷兹 毕夹 砂缺 陷。危 险重要系数顺序为 ： 裂痕缺 陷兹 毕夹 砂缺 陷。复 合 层 缺 陷事 故树 定 性分 析 ：要求等 都 可以 降 低缺 陷发 生概 率 。 事 故类 型 和 影 响 、危 险 度 分 析 方法 规 定 了 事 故的 严 重 程 度 ， 严 重 度 指 故障 类 型 对系 统 功能的 影 响程 度 ， 它 分 为 四 个等 级 如表 示 。对子系

16、统造 成 的 影 响可 忽 略不 计通 过 调 整 ， 故障易 于 消 除对系 统的 任 务 虽 有影 响， 但 可 忽 略导 致子系 统的 功能下 降子系 统功能严 重下降出 现 的 故障不 能立 即通 过 检 修 予以修 复系统的 功能严 重下降 灾 难性的出 现 的 故障须彻 底修 理 才能消 除 从 王景 智有限 元模 拟温 度 场 局部 平面图 ， 很容易 看 出 活 塞 表 面的 温 度 变化 梯 度 要比 活 塞 构 的建立是 层次分 析 的基 础 。 计 算比 较矩阵 的最 大 特 征 值 和 特 征 值 对应 的特 征 向 量 ， 并 进行归一 化 处理 ， 即为权重 向得

17、到的权重 向 量 必 须进行一 致 性检 验 ， 在 实际 应 用 中， 由 于 各个 因 素 可 能 并 不 完全绝 对用 公式和 公式进行但层次一 致 性检 验 。 根 据 层 次 分析标 度尺 表 建 立 各 层 对 其 上一 层 的 比 较 矩 阵 。 在 热 负 荷 作 用 下 ， 三 道 活 ， ，核 表 第 二 道 环 槽 重 要 度：，： 一 致 性检 验 符合， 所以 权重 向 量为层 次 单排序 结 果 。痕 缺陷 、气 孔缺 陷 和 夹砂 缺陷 对 准 则 层 因子 第 二 道 活 塞槽 的 影 响程 度比 较 结 果 如表 所示 。最 大特征 值 卣 飨 蛄縖 ，。髌

18、丽， ，对 方案 总排 序 按 公式 归 一 化 处 理：，所 以 从以 上 数 据看出 裂 痕 严 重 程度 大 于 气孔 的 严 重 程度 ， 夹 砂 的 严 重 程度 最低。复 合 层 机 械 负 荷 下 缺 陷 影 响 分 析对 活 塞 的 机 械 负 荷 的 分 析 也 采 用 前 人已 经研 究过 的 结果。 大连海事 大学 的 吴饭】经过 研 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文 最 大特 征 值 杂 奶卣 飨 蛄 縖 ， 。对特 征 向量按 公 式 进 行归 一 化 处理 ：豪鱼皇， 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文， 所以权重向量为 ： 【 ， 。一 致性检 验

19、符合 标 准 ， 所以权重向量为 层次 单 排序。计 算方 案 层对准 则 层中 的第 三 道 环 槽 的层次 单 排序。在机械 负 荷作用 下 ， 根 据 层次 分 析 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文兰 ， ， 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文一 致性检 验 符合 标 准 ， 所以权重向量为 方 案 层对目 标 层的层次 总 排序。缺 陷， 如 图 所 示 。根 据 层次 分 析标 度 尺 表建立 各层对其 上 一 层的比 较矩 阵。在机械 负 荷作用 下 ， 三 道 ，夯 ， 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文 ，一 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文一，!，

20、 ：，： ， 中 国石 油大 学 6硕 士学 位论 文方 案 总 排序为 ： 层次 分 析的方 案 层的因 子 为 ： 裂 痕 缺 陷、 气孔 缺 陷和夹砂 缺 陷。因 子 数 为 荼 层 次 分 析 法 对热 负 荷 和 机 械负 荷 耦 合 探 讨的 基础 之 上 ， 利用 层 次 分 析 理论 ， 从宏 观 上 对复 合 层 进 行 热 机 耦 合 分 析 ， 确 定 缺 陷的 危 害 程 最 大特 征 值 为 杂 奶 卣 飨蛄课 猍 。对特 征 向量按 公 式 进 行 归 一 化处 理：， 致 性 检验符合 标 准， 所 以 权 重 向量为 层 次 单 排 序 。 根 据 表荚 虿 鉈

21、 对目 标 层 的 层 次 综合 排 序 如 表。准则层 阅 勘 瓴 愕 娜 迪 蛄课 猍 ， 。 一致 性指标 表 粥 层 次总 排 序 ： “ 第 一道环 槽第 二道环 槽第 三道环 槽 所以 权重向量 为： 【 琌 ，。 层 次 分 析 法 对热 负荷 和 机械负荷 耦合探 讨其 中，“代 表 合成算 子 ，常 用 的 有 取 大取 小 运 算 K厝 。 峁 ； 加 权方法 等 。 其 中各权数 应满 足： 所以 最 后的 总 排序 为： 【 ，。 复 合 层 铸 造 缺 陷风 险分 析一 ： 复 合 层 的 缺 陷发生 概率 由 事 故树 计算 如 表籰 。 中 国石 油 大 学 6

22、硕 士学 位 论 文二 !觥 鲆 ； 预防 措施 探 讨过 三 个 月 。 遇 到 潮 湿 季 节 尽 量 缩短保 存期 。 镶 铸件保 存在 干 燥 通 风 处 ， 与 地 面要 有 一 定的高 中 国石 油 大学 6 硕 士学 位 论 文染无油 渍 ， 且 呈一 定程 度 的不 均 匀、 不 规 则 表面。 结论耋 口 匕 中 国石 油 大 学 6 硕 士学 位 论 文 【 空 湃 旯 猓春 喜 牧仙 杓 频幕 竟 勰 睢 綣 郑： 【 唐 义 号 飞机 典 型复 合 材料 结 构损 伤 力学 性 能 研 究 怕 【 哈尔 滨 ： 哈尔 滨 工程大 学 ， 【 】 【 】 甌 张 胜 斌 工程项 目风险 分 析 方法 研 究 】 吉林： 吉林大学 ， 甀 甈 甐 ， 瓵 琕 縍 琇 甊 ， 【 】 王 景智 ， 吴 坚 大功率中速 柴 油 机 活塞镶 圈 断 裂 的 有限元分 析 】 内燃机 工程， ， 【 】白 敏 丽， 沈 胜 强， 陈家 骅等 活塞环摩 擦热 对燃烧 室 部 件耦 合 系 统 的 传热 影响 模 拟研 究 】 内燃机 学 报，