孫大偉

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012)

0 引言

用于深海多金屬富鈷結(jié)殼勘探的深海1.5 m淺地層巖芯樣鉆機(簡稱深海淺鉆)，一直是大洋科學(xué)考察的必備勘探設(shè)備，在大洋科學(xué)考察工作中發(fā)揮著極其重要的作用。大洋科學(xué)考察中若深海淺鉆工作中出現(xiàn)故障，會對整個大洋航次的科考任務(wù)的順利完成造成很大的影響，因此提高深海淺鉆的工作可靠性十分重要。

1 深海淺鉆系統(tǒng)簡介

深海1.5 m淺地層巖芯取樣鉆機，用于4000 m以淺的海底硬質(zhì)基巖和較大面積礦石的取樣。作業(yè)時經(jīng)鎧裝光纖動力纜施放至海底，通過所帶攝像機觀察海底狀況，由甲板監(jiān)控系統(tǒng)操作進(jìn)行取樣。

整個鉆機系統(tǒng)包括高壓供電系統(tǒng)子單元、圖像傳輸與控制和視頻監(jiān)控系統(tǒng)子單元、液壓系統(tǒng)子單元等。確保系統(tǒng)工作的可靠性，就要分析深海淺鉆在作業(yè)條件下，各系統(tǒng)子單元產(chǎn)生故障的可能性，分析產(chǎn)生故障的原因，提出預(yù)防故障發(fā)生或者故障發(fā)生后的解決措施，從而提高整個系統(tǒng)工作的可靠性。

2 鉆機高壓供電系統(tǒng)可靠性分析

鉆機高壓供電系統(tǒng)是深海淺鉆工作的基本保障，確保高壓供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行主要是防止系統(tǒng)發(fā)生絕緣失效，系統(tǒng)高壓部分的供電電壓為2500 V，一旦絕緣失效，高壓電對鉆機系統(tǒng)造成的損傷是無法估量的。絕緣失效的表現(xiàn)形式為:

(1)絕緣表所測得的系統(tǒng)絕緣數(shù)值顯示值穩(wěn)定，但是數(shù)值低于20 MΩ，無法滿足系統(tǒng)的絕緣要求;

(2)絕緣表所測系統(tǒng)絕緣數(shù)值忽高忽低不穩(wěn)定。

造成絕緣失效的主要原因有:

(1)光電轉(zhuǎn)接盒密封失效進(jìn)水;

(2)光電轉(zhuǎn)接盒內(nèi)部的污染物顆粒過多;

(3)高壓連接纜與變壓器箱或光電轉(zhuǎn)接盒連接，因為內(nèi)部的卡簧安裝誤差導(dǎo)致密封失效進(jìn)水;

(4)萬米光纖纜因為鉆機多次下水作業(yè)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致光纖纜損傷，內(nèi)部光纖纜進(jìn)水，使系統(tǒng)絕緣失效。

針對以上可能造成絕緣失效的因素，為了增加高壓系統(tǒng)工作的可靠性，所采取的措施應(yīng)為:

(1)在設(shè)計之初，對于光電轉(zhuǎn)接盒的密封采用如雙O型圈密封等更高級別的密封方式，安裝過程中注意控制O型圈的預(yù)緊壓縮量為合適狀態(tài);

(2)裝配光電轉(zhuǎn)接盒之前，認(rèn)真清洗盒體和端蓋及內(nèi)部所有元器件，同時保證內(nèi)部的變壓器油清潔;

(3)在安裝與高壓連接纜對應(yīng)的變壓器端和光電轉(zhuǎn)接盒端的兩個纜接頭內(nèi)部的卡簧時，要采用專用工具安裝，防止其發(fā)生變形，影響裝配質(zhì)量，進(jìn)而影響系統(tǒng)密封效果;

(4)造成萬米鎧裝纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)的主要因素為下放和回收過程中，不可控制的海流沖擊因素導(dǎo)致，所以為防止鎧裝纜發(fā)生過多扭轉(zhuǎn)，應(yīng)在四級海況或者以下方可進(jìn)行淺鉆作業(yè)，一旦發(fā)生鎧裝纜扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致纜損傷使絕緣失效時，應(yīng)砍去已經(jīng)損壞部分的纜，然后重新硫化鎧裝纜和承重頭之間的連接，經(jīng)拉力測試合格后，方可繼續(xù)使用。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作可靠性分析

鉆機在海底尋址和取芯鉆進(jìn)的過程都需要視頻監(jiān)控，確保視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定工作對于提高取芯過程的效率和質(zhì)量有著重要的意義，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障則視頻信號發(fā)生異常，影響鉆機作業(yè)，視頻信號異常表現(xiàn)為:

(1)視頻信號不清晰，在屏幕上表現(xiàn)為白色帶狀線條或白色斑點;

(2)視頻信號時有時無，間隔為幾秒到幾十秒;

(3)視頻信號徹底中斷，無法恢復(fù)。

造成視頻信號異常的可能原因為:

(1)鉆機多次作業(yè)造成的光纖衰減或者光電轉(zhuǎn)接盒和控制桶中間的光纖纜接頭松動造成的;

(2)控制桶內(nèi)部電子元器件、電路板損傷或者內(nèi)部接線松動斷開。

為提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的可靠性，應(yīng)采取如下的措施:

(1)設(shè)計之初應(yīng)將光纖傳輸?shù)耐ǖ涝O(shè)計成雙通道互為備份的信號傳輸方式，一旦在用的光纖信號傳輸通道因光纖衰減發(fā)生信號異常，可立即更換備份光纖信號傳輸通道加以解決;

(2)在鉆機使用過程中，應(yīng)定期清洗光纖頭和光纖連接纜，不用的光纖插頭蓋上堵帽做好保護(hù);

(3)在設(shè)計之初，選用更適于低溫、震動等深海復(fù)雜環(huán)境下的控制桶內(nèi)部的元器件，控制桶內(nèi)部元器件與電路板之間的焊接或者線路焊接應(yīng)牢固、可靠。

(4)增加光纖連接纜與控制桶或者光電轉(zhuǎn)接盒連接的防松措施，如可設(shè)計特殊裝置或者在外部黏貼防水膠布等。

4 提高液壓系統(tǒng)工作可靠性的措施

液壓系統(tǒng)單元是整個鉆機系統(tǒng)的核心部分，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運行是淺鉆順利工作的必要條件。深海鉆機因液壓系統(tǒng)故障表現(xiàn)的現(xiàn)象及產(chǎn)生原因如下。

(1)液壓系統(tǒng)壓力正常，鉆機動作失效?？赡茉蛉缦?因為海底地形復(fù)雜，鉆機多次著底震動導(dǎo)致控制桶內(nèi)部相應(yīng)的元器件損壞或者控制板損傷;鉆機長期多次作業(yè)油液污染累積，使液壓油的清潔度過低，控制閥內(nèi)部污染顆粒過多，閥芯與閥體之間的運動副堵塞導(dǎo)致控制閥失效;在工作過程中，液壓油缸的活塞桿長期裸露在外直接和環(huán)境接觸，難免將塵埃污物帶入液壓系統(tǒng)，加速密封元件和活塞桿等的劃傷和磨損，從而引起內(nèi)泄漏等，造成高低壓腔互通，最終導(dǎo)致油缸拉力或推力不足，另外液壓油的乳化也會使內(nèi)泄漏增大。

(2)鉆機動作異常，例如在甲板控制單元控制界面點擊低壓推進(jìn)按鈕，卻發(fā)生了高速正傳?？赡艿脑蚴?鉆機長期作業(yè)導(dǎo)致控制桶內(nèi)部的控制板或者繼電器等元器件損傷或電路板燒結(jié)短路。

(3)油缸推進(jìn)直線位移顯示不準(zhǔn)確，表現(xiàn)為兩個方面:直線位移數(shù)值不發(fā)生變化，停留在某一數(shù)值;直線位移傳感器反應(yīng)延遲，出現(xiàn)數(shù)值“遲滯”于油缸動作現(xiàn)象。發(fā)生這種情況的原因有:鉆機多次下水作業(yè)，位移傳感器多次來回往復(fù)運動，由于機械磨損導(dǎo)致位移傳感器磨損失效;推進(jìn)油缸長期多次作業(yè)，密封失效進(jìn)水，導(dǎo)致位移傳感器失效。

以上3種故障在深海淺鉆作業(yè)過程中發(fā)生的概率較大，液壓系統(tǒng)累計污染導(dǎo)致清潔度下降;鉆機元器件、零部件及密封件等因磨損等原因?qū)е旅芊馐?控制桶內(nèi)部元器件損傷等是造成故障發(fā)生的主要原因，因此應(yīng)采取針對性的措施，提高深海淺鉆液壓系統(tǒng)工作的可靠性:

(1)在設(shè)計上采取措施保證油的清潔度，液壓元件組裝前必須進(jìn)行嚴(yán)格清洗，必須通過過濾器向油箱加油，維修拆檢液壓元件時應(yīng)在無塵區(qū)進(jìn)行;

(2)系統(tǒng)油箱的吸油過濾器及壓力過濾器及回油過濾器必須定期檢查清洗或更換濾芯;

(3)定期檢查更換液壓油，換油時要清洗油箱并沖洗液壓管道及元件;

(4)設(shè)計之初，對于關(guān)鍵部件如油缸等采用更適于海底復(fù)雜運行環(huán)境下的密封方式，同時選擇密封件時要選用耐磨性等性能更為優(yōu)良材料密封件;

(5)改善系統(tǒng)運行條件，對容易磨損的零部件進(jìn)行定期潤滑，減少摩擦，預(yù)防油缸內(nèi)泄露。

(6)正確的裝配密封件，裝配前應(yīng)仔細(xì)檢查密封件看是否存在缺陷，裝配時應(yīng)在密封件表面涂少許液壓油輕輕壓入，需注意零件的銳邊、毛刺等鋒口劃傷而失去密封作用，清洗時必須選用柴油，如用汽油會使密封件老化失去原有彈性從而失去密封效果;

(7)設(shè)計之初，對于控制桶內(nèi)部的元器件選擇時，應(yīng)考慮如震動、低溫等海底復(fù)雜環(huán)境對元器件造成的影響，同時焊接電路板與電子元器件連接時應(yīng)焊接牢固。

5 其他影響鉆機工作可靠性的因素

(1)卡簧與鉆頭選配不當(dāng)導(dǎo)致取芯鉆進(jìn)速度過慢?？ɑ勺匀粻顟B(tài)下的內(nèi)徑應(yīng)比鉆頭內(nèi)徑略大，卡簧和鉆具在選配的時候應(yīng)該遵守不完全互換性的原則，需要用游標(biāo)卡尺測量后選配。

(2)鉆機啟動電流過大。鉆機啟動電流應(yīng)低于50 A，但是在運行過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)啟動電流在160 A左右。出現(xiàn)這種情況的可能原因是:鉆機由于下放和尋址的過程需要至少1 h左右的時間，海水溫度較低導(dǎo)致液壓油粘度增大，造成液壓泵啟動困難，使啟動電流陡升。應(yīng)對措施:數(shù)次短時間啟動，以免燒壞電機，一般是啟動幾秒，不超過8 s，如果啟動電流沒有降低，立即關(guān)閉高壓電源啟動按鈕，等待幾秒再重新啟動，直至啟動電流正常。

［1］那繼業(yè)，麻海濱，李紅梅.液壓系統(tǒng)的污染與控制［J］.包鋼科技，2006(4).

［2］李良巧.產(chǎn)品可靠性基礎(chǔ)［M］.北京:中國兵器質(zhì)量與可靠性研究中心，2002.

［3］鐘秉林，黃 仁.機械故障診斷學(xué)［M］北京:機械工業(yè)出版社，2006.