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TPM如何預測機械設備壽命?

  2022年08月22日 本站原創
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1.前言:機械重大設備壽命預測技術對國民經濟發展和國防建設具有重要意義。在過去近一個世紀與失效事故的斗爭中,人類通過對諸如飛行器、艦船、車輛、發電機組等機械重大裝備的研究,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。目前機械重大裝備運行條件復雜、環惡劣,在長期運行過程中會逐漸老化,剩余壽命會逐步下降,容易導致惡性事故發生,造成巨大的財產損失和人員傷亡;而如果盲目地進行維修更換則會帶來巨大的浪費。所以正確預測機械重大裝備的剩余壽命對于保證設備安全運行、提高經濟效益有很大的意義。同時,對于諸如大型風力機主軸軸承等采購周期需要一年以上的典型重大裝備,由于零部件及整機裝備加工困難、制造周期長、價格昂貴、損壞后果嚴重,機械重大裝備必須提前采購并預備備件以確保正常持續的生產,避免停產事故損失。所以正確預測機械重大裝備的剩余壽命又可以為制定合理有效的備件制作計劃和檢修計劃提供可靠的依據。

TPM如何預測機械設備壽命?機械重大裝備的壽命預測,也被稱為剩余服役壽命預測或剩余使用壽命預測,顧名思義就是指在規定的運行工況下,能夠保證機器安全、經濟運行的剩余時間。它被定義為條件隨機變量

tr={t'-t|t't,Z(t)|} (1)

式中,t'表示失效時間的隨機變量,t是機器的當前年齡,Z(t)是指當前時刻之前的有關該機器的所有歷史使用情況,tr是機器的剩余壽命。

壽命預測可分為早期預測和中晚期預測。早期預測是確定設備的設計壽命或計算壽命,主要以理論和試驗的方法進行。中期預測是為了避免設備運行期間出現意外事故,通過對當前還處于設計壽命之內的設備進行狀態監測實現剩余壽命預測。由于通常設計壽命偏于保守,設備壽命往往沒有得到充分利用就認為已經到壽從而造成很大的浪費,對累計運行時間已經超過設計壽命的設備進行剩余壽

命預測就屬于晚期預測。中晚期預測主要以分析設備當前與歷史運行狀況,用無損探傷及金相檢驗等多種方法檢驗鑒定損傷程度、以斷裂力學等理論計算及其他直接或間接的壽命預測技術作為科學依據,評估設備還能夠繼續安全運行的時間。壽命預測是建立在對大量積累壽命資料的分析、試驗、實地檢驗等技術基礎之上。值得指出的是:壽命預測應該建立在合理合適的破壞(失效)理論基礎之上,

壽命預測與破壞(失效)理論既有聯系又有區別。在過去的一百余年里,人們針對不同材料與結構的破壞(失效)規律建立了壽命預測理論?傮w來看,壽命預測的研究發展大致經歷了以下幾個過程。

(1) 技術開創期。1847 年,德國 WHLER 用旋轉疲勞試驗機首先對疲勞現象進行了系統的研究,提出了著名的 S -N 疲勞壽命曲線及疲勞極限的概念,從而奠定了疲勞破壞的經典強度理論基礎。在此后的很長一段時間里,人們逐步深入研究,形成了目前工程中最為廣泛應用的經典疲勞強度理論。

(2) 技術發展期。19 世紀末到 20 世紀初,人們利用金相顯微鏡觀察金屬微觀結構,發現了破壞的過程可分為 3 個階段:疲勞裂紋形成階段、疲勞裂紋擴展階段、疲勞裂紋失穩擴展階段。在此后的一個多世紀中,基于裂紋擴展規律的研究一直是人們關注的焦點。1920 年英國的 GRIFFITH提出了裂紋擴展的能量理論。到 20 世紀 50 年代,誕生了建立在裂紋尖端應力場強度理論基礎上的斷裂力學。

(3) 技術完善期。通過一百多年對疲勞斷裂的不斷研究,以及日新月異的新技術與新發現,壽命預測技術研究理論在 21 世紀前后取得了極大的發展與豐富。首先研究者通過對疲勞斷裂研究的不斷補充與完善,提出了諸如非線性連續損傷力學模型、金屬全壽命模型、等效應變能密度壽命預測方法、基于小裂紋理論的疲勞全壽命預測方法、基于指數模型的裂紋擴展速率與壽命預測技術等模型方法。

2.設備壽命預測研究對象概況

通過對壽命預測研究的對象進行歸納總結,可以得出如下結論:機械重大裝備壽命預測研究對象幾乎存在于諸如發電設備、航空航天、石油化工、汽車、鐵路運輸、數控加工、冶金工業、武器裝備等行業與領域。具體如表 1 所示。從研究對象的歸納分析可以看出:當前壽命預測研究的對象雖然涉及到社會生產與生活的各個領域與針對各種機械設備,但是絕大多數壽命預測研究還是停留在各種材料試件或者機械裝備的各種零部件;距離實現機械重大裝備整體壽命預測還需要不斷深入研究,這是值得未來探索的一個重要的研究內容。

3.設備壽命預測方法概況

多年來,人們以不同行業領域內的機械重大裝備為研究對象,分別從零部件和整體機械設備入手,并針對不同的金屬材料,在理論上和試驗上進行了深入、系統的研究,并形成了多種預測方法。歸納起來,壽命預測方法大致可以分為以下三大類:基于力學的壽命預測方法、基于概率統計的壽命預測方法、基于信息新技術的壽命預測方法。

4.結語

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。在這浩瀚的研究成果中,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設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。

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