重大机械设备寿命预测技术浅论

赵红鸣　杜惠娜

摘 要：重大机械装备寿命预测技术对国民经济发展具有重要意义。通过对过去重大机械装备的失效事故的总结中，结合现代科学技术理论的发展应用，人们逐渐探索建立了基于力学的寿命预测理论、基于概率统计的寿命预测理论以及基于信息新技术的寿命预测理论等学科分支。本文主要是根据基于力学的寿命预测方法论和weibull分布特点及设备寿命模型阐述重大机械设备寿命预测技术的基本原理。

关键词：重大机械设备；寿命预测

一、寿命预测的基本状况

机械重大设备的寿命预测，也成为剩余服役寿命的预测，顾名思义就是指设备在规定的运行工况下，能保证设备安全、经济运行的剩余时间。可以被定义为条件随机变量：T={ t'-t|t'>t，Z（t）}（1）其中：t'表示设备失效时间的随机变量；t表示设备当前实际年龄；Z（t）表示设备当前时刻之前有关的所有历史使用情况；Tr表示设备当前剩余寿命。

寿命预测主要分为早期预测和中晚期预测，寿命预测是建立在对大量积累寿命资料的分析、实验、实地检验等技术基础之上，需要指出的是，寿命预测应该建立在合理合适的破坏（失效）理论之上，二者既有区别又有联系。在实际应用中，需要进行失效模式的建立，失效模式是指设备失效的表现形式。失效模式比率αij是指设备或部件i出现失效模式j而引起该设备失效的失效频数比，比较不同失效模式在导致设备失效中所占的比重。

二、设备寿命预测方法

随着设备状态维修技术的发展，为了提高其可靠性，对于运行20-30年的重大设备的时数老化诊断，即寿命预测，越来越重要。各国对重大设备的寿命诊断都开展了研究工作，不断开发出新的寿命预测方法，有相当多的方法已经用于实际，也有一些尚处于实验预测阶段。基本可以分为以下几类：

1.基于力学的寿命预测方法

（1）基于应力的（S-N）曲线的寿命预测方法。基于应力的方法是最早应用与寿命预测的方法，到目前为止也最常用的寿命预测方法之一。

从图一可以看出，每一个应力S都有一个循环次数N对应，随着应力S的下降，相应的循环次数在增大，说明材料的疲劳寿命在增大，常用表达式如下：（2）

来表示S-N曲线函数，其中a和C是与材料，应力比、加载方式有关的参数。或者用写成： （3）：是拉伸断裂真实应力；m：是与材料，应力比、加载方式有关的参数；式（2）、（3）被称为basquin公式。

（2）基于应变的（ε-N）曲线的寿命预测方法。对于循环应力水平较低、寿命较长的设备，采用基于应力的（S-N）曲线的寿命预测方法是合适的，然而，许多工程构件，在其整个使用寿命期间，所经历的载荷循环次数却并不多，因而采用基于应变的（ε-N）曲线来描述载荷大（超过屈服应力）、寿命短的低周疲劳问题，它也能更真实地模拟结构中局部塑性变形区域的受力状况。

三、weibull分布特点及设备寿命模型

Weibull分布是可靠性分析中最广泛使用的分布之一，这是因为对分布参数的适当选择，就可以模拟各种故障的行为特征。除了可以模拟常熟故障率之外，对磨合期和磨损期，即通常整个寿命期间的早期稳定期和老化期现象也可以模拟。Weibull分布能应用于很多形式，包括1参数、2参数、3参数或混合weibull。3参数的weibull分布由形状、尺度（范围）和位置三个参数决定。其中形状参数是最重要的参数，决定分布密度曲线的基本形状，尺度参数起放大或缩小曲线的作用，但不影响分布的状态。其故障累积分布函数为：，x≥γ；概率密度函数为：，x≥γ；失效率函数为：；其中：α，β>0，γ≥0。α为尺度参数，β为形状参数，γ为位置参数。Weibull分布必须具备以下两个条件：①满足客观事物的随机性；②变量必须大于零。

设备的寿命是一个连续型的随机变量，且其值大于零。因此，可以确定设备寿命分布符合Weibull分布。上述公式中的位置参数的大小反映了曲线的起始点位在横坐标上的变化，一般来说设备在开始使用时就有寿命损耗，所以一般情况下γ=0，即使γ≠0也可通过坐标变换令γ=0。即得出设备寿命符合2参数的Weibull分布的模型，由此得到设备寿命损耗分布函数为：，t≥0；其中θ>0为尺度参数，m>0为形状参数，用于确定设备的寿命损耗程度，判定设备故障形态，即设备运行处于偶发失效期或早期失效期或损耗失效期。

，t≥0；失效概率函数为：；利用weibull函数对各种类型统计分布拟合力强的特点，拟合出的设备失效率曲线如图二所示。

由图三可见，寿命分布具有浴盆失效率形状的特征，失效率形状由递减到某一低峰而后递增，反应了寿命分布的规律。即设备在早期失效期，寿命损耗相对稳定，在损耗失效期时，寿命损耗急剧上升，设备加速劣化。在损耗期TA时刻，出现临界值点A，此点为设备检修和更换的最佳时期。对设备进行检修之后，失效率曲线以A点为起始点，同样具有浴盆形状的特征。

四、总结

经过不断发展，有关寿命预测的研究从起步到逐步深入的发展为人类科技进步和社会发展做出了巨大贡献。在这现有的研究成果中，着重通过在寿命预测研究对象与研究方法两个方面综述国内外相关研究文献所取得的成就，运用比较和总结的分析手段，提纲挈领地指出当前机械重大装备寿命预测研究的热点、难点以及存在的问题，为今后进行寿命预测研究提供可以借鉴的研究方向。

参考文献：

[1]王桂荣.机械故障诊断技术简介[J].电站设备自动化，2006，（04）.

作者简介：

赵红鸣，（1985.4—），男，河南濮阳人，汉族，助教，本科学历，研究方向：电子技术应用。

（作者单位：鹤壁汽车工程职业学院）