重大機(jī)械設(shè)備壽命預(yù)測(cè)技術(shù)淺論

趙紅鳴　杜惠娜

摘 要：重大機(jī)械裝備壽命預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。通過對(duì)過去重大機(jī)械裝備的失效事故的總結(jié)中，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)理論的發(fā)展應(yīng)用，人們逐漸探索建立了基于力學(xué)的壽命預(yù)測(cè)理論、基于概率統(tǒng)計(jì)的壽命預(yù)測(cè)理論以及基于信息新技術(shù)的壽命預(yù)測(cè)理論等學(xué)科分支。本文主要是根據(jù)基于力學(xué)的壽命預(yù)測(cè)方法論和weibull分布特點(diǎn)及設(shè)備壽命模型闡述重大機(jī)械設(shè)備壽命預(yù)測(cè)技術(shù)的基本原理。

關(guān)鍵詞：重大機(jī)械設(shè)備；壽命預(yù)測(cè)

一、壽命預(yù)測(cè)的基本狀況

機(jī)械重大設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)，也成為剩余服役壽命的預(yù)測(cè)，顧名思義就是指設(shè)備在規(guī)定的運(yùn)行工況下，能保證設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的剩余時(shí)間。可以被定義為條件隨機(jī)變量：T={ t'-t|t'>t，Z（t）}（1）其中：t'表示設(shè)備失效時(shí)間的隨機(jī)變量；t表示設(shè)備當(dāng)前實(shí)際年齡；Z（t）表示設(shè)備當(dāng)前時(shí)刻之前有關(guān)的所有歷史使用情況；Tr表示設(shè)備當(dāng)前剩余壽命。

壽命預(yù)測(cè)主要分為早期預(yù)測(cè)和中晚期預(yù)測(cè)，壽命預(yù)測(cè)是建立在對(duì)大量積累壽命資料的分析、實(shí)驗(yàn)、實(shí)地檢驗(yàn)等技術(shù)基礎(chǔ)之上，需要指出的是，壽命預(yù)測(cè)應(yīng)該建立在合理合適的破壞（失效）理論之上，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行失效模式的建立，失效模式是指設(shè)備失效的表現(xiàn)形式。失效模式比率αij是指設(shè)備或部件i出現(xiàn)失效模式j(luò)而引起該設(shè)備失效的失效頻數(shù)比，比較不同失效模式在導(dǎo)致設(shè)備失效中所占的比重。

二、設(shè)備壽命預(yù)測(cè)方法

隨著設(shè)備狀態(tài)維修技術(shù)的發(fā)展，為了提高其可靠性，對(duì)于運(yùn)行20-30年的重大設(shè)備的時(shí)數(shù)老化診斷，即壽命預(yù)測(cè)，越來越重要。各國(guó)對(duì)重大設(shè)備的壽命診斷都開展了研究工作，不斷開發(fā)出新的壽命預(yù)測(cè)方法，有相當(dāng)多的方法已經(jīng)用于實(shí)際，也有一些尚處于實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)階段。基本可以分為以下幾類：

1.基于力學(xué)的壽命預(yù)測(cè)方法

（1）基于應(yīng)力的（S-N）曲線的壽命預(yù)測(cè)方法。基于應(yīng)力的方法是最早應(yīng)用與壽命預(yù)測(cè)的方法，到目前為止也最常用的壽命預(yù)測(cè)方法之一。

從圖一可以看出，每一個(gè)應(yīng)力S都有一個(gè)循環(huán)次數(shù)N對(duì)應(yīng)，隨著應(yīng)力S的下降，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)在增大，說明材料的疲勞壽命在增大，常用表達(dá)式如下：（2）

來表示S-N曲線函數(shù)，其中a和C是與材料，應(yīng)力比、加載方式有關(guān)的參數(shù)。或者用寫成： （3）：是拉伸斷裂真實(shí)應(yīng)力；m：是與材料，應(yīng)力比、加載方式有關(guān)的參數(shù)；式（2）、（3）被稱為basquin公式。

（2）基于應(yīng)變的（ε-N）曲線的壽命預(yù)測(cè)方法。對(duì)于循環(huán)應(yīng)力水平較低、壽命較長(zhǎng)的設(shè)備，采用基于應(yīng)力的（S-N）曲線的壽命預(yù)測(cè)方法是合適的，然而，許多工程構(gòu)件，在其整個(gè)使用壽命期間，所經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)卻并不多，因而采用基于應(yīng)變的（ε-N）曲線來描述載荷大（超過屈服應(yīng)力）、壽命短的低周疲勞問題，它也能更真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)中局部塑性變形區(qū)域的受力狀況。

三、weibull分布特點(diǎn)及設(shè)備壽命模型

Weibull分布是可靠性分析中最廣泛使用的分布之一，這是因?yàn)閷?duì)分布參數(shù)的適當(dāng)選擇，就可以模擬各種故障的行為特征。除了可以模擬常熟故障率之外，對(duì)磨合期和磨損期，即通常整個(gè)壽命期間的早期穩(wěn)定期和老化期現(xiàn)象也可以模擬。Weibull分布能應(yīng)用于很多形式，包括1參數(shù)、2參數(shù)、3參數(shù)或混合weibull。3參數(shù)的weibull分布由形狀、尺度（范圍）和位置三個(gè)參數(shù)決定。其中形狀參數(shù)是最重要的參數(shù)，決定分布密度曲線的基本形狀，尺度參數(shù)起放大或縮小曲線的作用，但不影響分布的狀態(tài)。其故障累積分布函數(shù)為：，x≥γ；概率密度函數(shù)為：，x≥γ；失效率函數(shù)為：；其中：α，β>0，γ≥0。α為尺度參數(shù)，β為形狀參數(shù)，γ為位置參數(shù)。Weibull分布必須具備以下兩個(gè)條件：①滿足客觀事物的隨機(jī)性；②變量必須大于零。

設(shè)備的壽命是一個(gè)連續(xù)型的隨機(jī)變量，且其值大于零。因此，可以確定設(shè)備壽命分布符合Weibull分布。上述公式中的位置參數(shù)的大小反映了曲線的起始點(diǎn)位在橫坐標(biāo)上的變化，一般來說設(shè)備在開始使用時(shí)就有壽命損耗，所以一般情況下γ=0，即使γ≠0也可通過坐標(biāo)變換令γ=0。即得出設(shè)備壽命符合2參數(shù)的Weibull分布的模型，由此得到設(shè)備壽命損耗分布函數(shù)為：，t≥0；其中θ>0為尺度參數(shù)，m>0為形狀參數(shù)，用于確定設(shè)備的壽命損耗程度，判定設(shè)備故障形態(tài)，即設(shè)備運(yùn)行處于偶發(fā)失效期或早期失效期或損耗失效期。

，t≥0；失效概率函數(shù)為：；利用weibull函數(shù)對(duì)各種類型統(tǒng)計(jì)分布擬合力強(qiáng)的特點(diǎn)，擬合出的設(shè)備失效率曲線如圖二所示。

由圖三可見，壽命分布具有浴盆失效率形狀的特征，失效率形狀由遞減到某一低峰而后遞增，反應(yīng)了壽命分布的規(guī)律。即設(shè)備在早期失效期，壽命損耗相對(duì)穩(wěn)定，在損耗失效期時(shí)，壽命損耗急劇上升，設(shè)備加速劣化。在損耗期TA時(shí)刻，出現(xiàn)臨界值點(diǎn)A，此點(diǎn)為設(shè)備檢修和更換的最佳時(shí)期。對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修之后，失效率曲線以A點(diǎn)為起始點(diǎn)，同樣具有浴盆形狀的特征。

四、總結(jié)

經(jīng)過不斷發(fā)展，有關(guān)壽命預(yù)測(cè)的研究從起步到逐步深入的發(fā)展為人類科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。在這現(xiàn)有的研究成果中，著重通過在壽命預(yù)測(cè)研究對(duì)象與研究方法兩個(gè)方面綜述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)所取得的成就，運(yùn)用比較和總結(jié)的分析手段，提綱挈領(lǐng)地指出當(dāng)前機(jī)械重大裝備壽命預(yù)測(cè)研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)以及存在的問題，為今后進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)研究提供可以借鑒的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王桂榮.機(jī)械故障診斷技術(shù)簡(jiǎn)介[J].電站設(shè)備自動(dòng)化，2006，（04）.

作者簡(jiǎn)介：

趙紅鳴，（1985.4—），男，河南濮陽人，漢族，助教，本科學(xué)歷，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。

（作者單位：鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院）