浅谈机械设备寿命预测

作者：周强

来源：《中国化工贸易》2014年第05期

摘 要：随着人类科技发展和文明进步，诸如飞行器、舰船、车辆、发电机组等机械重大装备与基础设施的安全服役对于国民经济发展和国防建设都具有重要意义。寿命预测理论是机械零件与装备安全服役的关键基础，也是现代机械设计与制造必须涵盖的重要方面。本文针对机械重大装备寿命预测研究方法的特点和应用状况，综述国内外相关文献的研究现状，总结当前机械重大装备寿命预测研究的热点与成就，归纳当前机械重大装备寿命预测研究在理论建模与试验中存在的若干问题，分析机械重大装备寿命预测具有理论建模难、试验验证难以及数据积累分析难的特点，为今后进行深入的寿命预测研究提供可以借鉴的研究方向。 关键词：后勤档案 管理

前言：机械重大装备寿命预测技术对国民经济发展和国防建设具有重要意义。在过去近一个世纪与失效事故的斗争中，人类通过对诸如飞行器、舰船、车辆、发电机组等机械重大装备的研究，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。目前机械重大装备运行条件复杂、环恶劣，在长期运行过程中会逐渐老化，剩余寿命会逐步下降，容易导致恶性事故发生，造成巨大的财产损失和人员伤亡；而如果盲目地进行维修更换则会带来巨大的浪费。所以正确预测机械重大装备的剩余寿命对于保证设备安全运行、提高经济效益有很大的意义。同时，对于诸如大型风力机主轴轴承等采购周期需要一年以上的典型重大装备，由于零部件及整机装备加工困难、制造周期长、价格昂贵、损坏后果严重，机械重大装备必须提前采购并预备备件以确保正常持续的生产，避免停产事故损失。所以正确预测机械重大装备的剩余寿命又可以为制定合理有效的备件制作计划和检修计划提供可靠的依据。 1.寿命预测的基本概况

机械重大装备的寿命预测，也被称为剩余服役寿命预测或剩余使用寿命预测，顾名思义就是指在规定的运行工况下，能够保证机器安全、经济运行的剩余时间。它被定义为条件随机变量

tr={t'-t|t't，Z（t）|} （1）

式中，t'表示失效时间的随机变量，t是机器的当前年龄，Z（t）是指当前时刻之前的有关该机器的所有历史使用情况，tr是机器的剩余寿命。

寿命预测可分为早期预测和中晚期预测。早期预测是确定设备的设计寿命或计算寿命，主要以理论和试验的方法进行。中期预测是为了避免设备运行期间出现意外事故，通过对当前还处于设计寿命之内的设备进行状态监测实现剩余寿命预测。由于通常设计寿命偏于保守，设备寿命往往没有得到充分利用就认为已经到寿从而造成很大的浪费，对累计运行时间已经超过设计寿命的设备进行剩余寿

命预测就属于晚期预测。中晚期预测主要以分析设备当前与历史运行状况，用无损探伤及金相检验等多种方法检验鉴定损伤程度、以断裂力学等理论计算及其他直接或间接的寿命预测技术作为科学依据，评估设备还能够继续安全运行的时间。寿命预测是建立在对大量积累寿命资料的分析、试验、实地检验等技术基础之上。值得指出的是：寿命预测应该建立在合理合适的破坏（失效）理论基础之上，

寿命预测与破坏（失效）理论既有联系又有区别。在过去的一百余年里，人们针对不同材料与结构的破坏（失效）规律建立了寿命预测理论。总体来看，寿命预测的研究发展大致经历了以下几个过程。

（1） 技术开创期。1847 年，德国 WHLER 用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统的研究，提出了著名的 S -N 疲劳寿命曲线及疲劳极限的概念，从而奠定了疲劳破坏的经典强度理论基础。在此后的很长一段时间里，人们逐步深入研究，形成了目前工程中最为广泛应用的经典疲劳强度理论。

（2） 技术发展期。19 世纪末到 20 世纪初，人们利用金相显微镜观察金属微观结构，发现了破坏的过程可分为 3 个阶段：疲劳裂纹形成阶段、疲劳裂纹扩展阶段、疲劳裂纹失稳扩展阶段。在此后的一个多世纪中，基于裂纹扩展规律的研究一直是人们关注的焦点。1920 年英国的 GRIFFITH提出了裂纹扩展的能量理论。到 20 世纪 50 年代，诞生了建立在裂纹尖端应力场强度理论基础上的断裂力学。

（3） 技术完善期。通过一百多年对疲劳断裂的不断研究，以及日新月异的新技术与新发现，寿命预测技术研究理论在 21 世纪前后取得了极大的发展与丰富。首先研究者通过对疲劳断裂研究的不断补充与完善，提出了诸如非线性连续损伤力学模型、金属全寿命模型、等效应变能密度寿命预测方法、基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法、基于指数模型的裂纹扩展速率与寿命预测技术等模型方法。 2.寿命预测研究对象概况

通过对寿命预测研究的对象进行归纳总结，可以得出如下结论：机械重大装备寿命预测研究对象几乎存在于诸如发电设备、航空航天、石油化工、汽车、铁路运输、数控加工、冶金工业、武器装备等行业与领域。具体如表 1 所示。从研究对象的归纳分析可以看出：当前寿命预测研究的对象虽然涉及到社会生产与生活的各个领域与针对各种机械设备，但是绝大多数寿命

预测研究还是停留在各种材料试件或者机械装备的各种零部件；距离实现机械重大装备整体寿命预测还需要不断深入研究，这是值得未来探索的一个重要的研究内容。 3.寿命预测方法概况

多年来，人们以不同行业领域内的机械重大装备为研究对象，分别从零部件和整体机械设备入手，并针对不同的金属材料，在理论上和试验上进行了深入、系统的研究，并形成了多种预测方法。归纳起来，寿命预测方法大致可以分为以下三大类：基于力学的寿命预测方法、基于概率统计的寿命预测方法、基于信息新技术的寿命预测方法。 4.结语

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。在这浩瀚的研究成果中，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

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