重大機械設備壽命預測技術淺論

趙紅鳴　杜惠娜

摘 要：重大機械裝備壽命預測技術對國民經濟發展具有重要意義。通過對過去重大機械裝備的失效事故的總結中，結合現代科學技術理論的發展應用，人們逐漸探索建立了基于力學的壽命預測理論、基于概率統計的壽命預測理論以及基于信息新技術的壽命預測理論等學科分支。本文主要是根據基于力學的壽命預測方法論和weibull分布特點及設備壽命模型闡述重大機械設備壽命預測技術的基本原理。

關鍵詞：重大機械設備；壽命預測

一、壽命預測的基本狀況

機械重大設備的壽命預測，也成為剩余服役壽命的預測，顧名思義就是指設備在規定的運行工況下，能保證設備安全、經濟運行的剩余時間。可以被定義為條件隨機變量：T={ t'-t|t'>t，Z（t）}（1）其中：t'表示設備失效時間的隨機變量；t表示設備當前實際年齡；Z（t）表示設備當前時刻之前有關的所有歷史使用情況；Tr表示設備當前剩余壽命。

壽命預測主要分為早期預測和中晚期預測，壽命預測是建立在對大量積累壽命資料的分析、實驗、實地檢驗等技術基礎之上，需要指出的是，壽命預測應該建立在合理合適的破壞（失效）理論之上，二者既有區別又有聯系。在實際應用中，需要進行失效模式的建立，失效模式是指設備失效的表現形式。失效模式比率αij是指設備或部件i出現失效模式j而引起該設備失效的失效頻數比，比較不同失效模式在導致設備失效中所占的比重。

二、設備壽命預測方法

隨著設備狀態維修技術的發展，為了提高其可靠性，對于運行20-30年的重大設備的時數老化診斷，即壽命預測，越來越重要。各國對重大設備的壽命診斷都開展了研究工作，不斷開發出新的壽命預測方法，有相當多的方法已經用于實際，也有一些尚處于實驗預測階段。基本可以分為以下幾類：

1.基于力學的壽命預測方法

（1）基于應力的（S-N）曲線的壽命預測方法。基于應力的方法是最早應用與壽命預測的方法，到目前為止也最常用的壽命預測方法之一。

從圖一可以看出，每一個應力S都有一個循環次數N對應，隨著應力S的下降，相應的循環次數在增大，說明材料的疲勞壽命在增大，常用表達式如下：（2）

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

（2）基于應變的（ε-N）曲線的壽命預測方法。對于循環應力水平較低、壽命較長的設備，采用基于應力的（S-N）曲線的壽命預測方法是合適的，然而，許多工程構件，在其整個使用壽命期間，所經歷的載荷循環次數卻并不多，因而采用基于應變的（ε-N）曲線來描述載荷大（超過屈服應力）、壽命短的低周疲勞問題，它也能更真實地模擬結構中局部塑性變形區域的受力狀況。

三、weibull分布特點及設備壽命模型

Weibull分布是可靠性分析中最廣泛使用的分布之一，這是因為對分布參數的適當選擇，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，對磨合期和磨損期，即通常整個壽命期間的早期穩定期和老化期現象也可以模擬。Weibull分布能應用于很多形式，包括1參數、2參數、3參數或混合weibull。3參數的weibull分布由形狀、尺度（范圍）和位置三個參數決定。其中形狀參數是最重要的參數，決定分布密度曲線的基本形狀，尺度參數起放大或縮小曲線的作用，但不影響分布的狀態。其故障累積分布函數為：，x≥γ；概率密度函數為：，x≥γ；失效率函數為：；其中：α，β>0，γ≥0。α為尺度參數，β為形狀參數，γ為位置參數。Weibull分布必須具備以下兩個條件：①滿足客觀事物的隨機性；②變量必須大于零。

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

，t≥0；失效概率函數為：；利用weibull函數對各種類型統計分布擬合力強的特點，擬合出的設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，反應了壽命分布的規律。即設備在早期失效期，壽命損耗相對穩定，在損耗失效期時，壽命損耗急劇上升，設備加速劣化。在損耗期TA時刻，出現臨界值點A，此點為設備檢修和更換的最佳時期。對設備進行檢修之后，失效率曲線以A點為起始點，同樣具有浴盆形狀的特征。

四、總結

經過不斷發展，有關壽命預測的研究從起步到逐步深入的發展為人類科技進步和社會發展做出了巨大貢獻。在這現有的研究成果中，著重通過在壽命預測研究對象與研究方法兩個方面綜述國內外相關研究文獻所取得的成就，運用比較和總結的分析手段，提綱挈領地指出當前機械重大裝備壽命預測研究的熱點、難點以及存在的問題，為今后進行壽命預測研究提供可以借鑒的研究方向。

參考文獻：

[1]王桂榮.機械故障診斷技術簡介[J].電站設備自動化，2006，（04）.

作者簡介：

趙紅鳴，（1985.4—），男，河南濮陽人，漢族，助教，本科學歷，研究方向：電子技術應用。

（作者單位：鶴壁汽車工程職業學院）