深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析与试验丨JME封面文章
海洋是人类巨大的共同资源宝库，蕴藏着丰富的金属、油气等多种资源。随着世界经济的快速发展，资源需求与竞争将愈演愈烈，为此，世界各沿海国家和地区纷纷将国家资源战略转向资源丰富的海洋，并从近海向深海扩展。深海海底钻机是开展海洋地质及环境科学研究、进行海底资源勘查和海底工程地质勘探的关键技术装备。收放装置作为深海海底钻机重要的配套设备，对深海海底钻机下放和回收作业的安全性和作业效率有着极其重要的影响，因此，随机不规则波浪激励下的深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析与试验研究，是设计安全可靠的深海海底钻机收放装置的基础。
湖南科技大学的金永平、万步炎、刘德顺在《机械工程学报》2019年第8期发表了《深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析与试验》(封面文章)一文，他们提出了一种随机不规则波浪激励下收放装置关键零部件可靠性分析方法，并对不同变异系数下的收放装置关键零部件的可靠度进行分析计算，而结果表明：在随机不规则波浪激励下，收放装置的收放液压缸活塞杆所受的拉力将产生随机不规则的动态响应，并且收放液压缸活塞杆所受拉力的均值随着钻机托架翻转角的增大而减小；当收放液压缸活塞杆材料的变异系数从0.1提高至0.3时，对应的收放液压缸活塞杆的可靠度为0.999 126，此时收放液压缸活塞杆仍具有非常高的可靠度；进一步对比理论分析与深海海底钻机收放装置工程样机海上试验结果可知，两种结果基本一致，从而验证了理论研究模型和随机数值分析方法的正确性，研究结果为深海海底钻机收放装置的设计提供技术支撑。
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首先以随机不规则波浪为输入，通过收放装置、母船及外部载荷模型，获取随机不规则波浪激励下收放装置关键零部件的应力-时间历程，并利用雨流计数法对收放装置关键零部件应力-时间历程进行统计分析，进而获得收放装置关键零部件所受载荷的应力谱及概率分布函数。然后，对收放装置关键零部件进行可靠性分析计算。最后，研制深海海底钻机收放装置工程样机，开展深海海底钻机海上试验与收放装置关键零部件测试分析，验证理论研究的正确性。
（1）理论研究表明：在随机不规则波浪激励下，随着收放装置的钻机托架不断翻转，收放液压缸活塞杆所受拉力FC将逐渐变小，收放液压缸活塞杆所受拉力FC的最大值出现在钻机托架翻转初始时刻，即钻机托架翻转角为0°时刻。
（2）当收放液压缸活塞杆材料变异系数为0.1时，收放液压缸活塞杆的可靠度为1；当变异系数为0.2时，收放液压缸活塞杆的可靠度为0.999 999；当变异系数为0.3时，收放液压缸活塞杆的可靠度为0.999 126。即当变异为0.3时，收放液压缸活塞杆仍具有非常高的可靠度。
（3）海上试验结果表明：收放液压缸活塞杆的应力值随着随机不规则波浪的作用而产生随机不规则的响应，并随着翻转角的不断增大而减小。进一步对测试结果进行统计分析可知，当翻转角分别为0°，45°和90°时，对应收放液压缸活塞杆应力的均值分别为30.249 MPa， 25.509 MPa，18.286 MPa，该结果与应用理论研究模型和随机数值分析方法计算得到的当翻转角分别为0°，45°，90°时，对应收放液压缸活塞杆应力的均值分别为31.629 MPa，26.946 MPa，20.710 MPa的结果基本一致，进而验证了理论研究模型和随机数值分析方法的正确性。
（1）在随机不规则波浪激励下，收放液压缸活塞杆所受拉力将产生随机不规则的动态响应，并且收放液压缸活塞杆所受拉力的均值随着翻转角的增大而减小。
（2）当收放液压缸活塞杆材料的变异系数从0.1提高至0.3时，对应的收放液压缸活塞杆的可靠度为0.999 126，此时收放液压缸活塞杆仍具有非常高的可靠度。
（3）对比理论分析与深海海底钻机收放装置工程样机海上试验结果表明，两种结果基本一致，从而验证了理论研究模型和随机数值分析方法的正确性。
深海海底钻机收放装置海上试验
深海海底钻机因其具有取心质量和取心效率高、机动性和作业隐蔽性好、作业成本低等优势，已经成为海洋钻探的发展方向，在海洋地质及环境科学研究、进行海底资源勘查和海底工程地质勘探等领域具有广泛应用前景。
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万步炎，男，教授，博士研究生导师。国家百千万人才工程人选、国务院政府特殊津贴专家、湖南省新世纪121人才工程第一层次人选、国家高技术研究发展计划（863计划）海洋技术领域主题专家组专家、“蛟龙号”载人潜水器试验性应用技术咨询专家组专家。先后承担了国家863计划“十五”、“十一五”、“十二五”、国家重点研发计划等科研项目30余项；获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步及技术发明奖3项，获授权国家专利40余项，发表学术论文20余篇。
团队围绕“海洋矿产资源探采装备”、“高效智能海工提运装备”、“海工难加工材料高效精密加工技术”、“特殊环境安全预警与救援技术”等四个领域开展研究，在重大工程装备关键技术产业化中取得了一批标志性成果，形成科技成果产业化的工程化验证环境和对科技成果进行技术经济分析及工程评估的能力，打造与国内相关企事业单位紧密结合的海洋矿产资源探采装备工程化、产业化平台。
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