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第47卷第11期2011年6月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.47No.11Jun.2011DOI：10.3901/JME.2011.11.100机械重大装备寿命预测综述*张小丽陈雪峰李兵何正嘉(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049)摘要：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。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。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：寿命预测机械重大装备中图分类号：TH12ReviewofLifePredictionforMechanicalMajorEquipmentsZHANGXiaoliCHENXuefengLIBingHEZhengjia(StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049)Abstract：Thetheoryoflifepredictionisthekeyfoundationofsafetyserviceofthemachinepartsandequipment,anditisalsoanimportantaspectofmodernmechanicaldesignandmanufacture.Lifepredictionformajormechanicalequipmenthasgreatsignificancetonationaleconomicdevelopmentandnationaldefenseconstruction.Inthestruggleagainstfailureaccidentsthroughthepastnearlyacentury,severalscientificbranchessuchaslifepredictiontheoriesbasedonmechanics,probabilitystatistics,andnewinformationtechnologyarefoundedthroughresearchesontheaerocraft,ship,vehicle,generatorsetandothermajormechanicalmajorequipment.Aimingatthecharacteristicsandapplicationsoflifepredictiontechniquesformajormechanicalequipment,thecurrentresearchstatusofrelevantliteratureisreviewed,thecurrenthotspotsandachievementsoflifepredictionresearchonmajormechanicalequipmentaresummedup,problemsexistingintheoreticalmodelingandexperimentsinlifepredictionresearcharesummarized,thedifficultiesoftheoreticalmodeling,experimentalverification,anddataaccumulation/analysisinlifepredictionresearchformajormechanicalequipmentareanalyzed,soastopointoutahelpfuldirectionforfurtherresearch.Keywords：LifepredictionMechanicalmajorequipments0前言*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[1]。然而机械重大装备运行条件复杂、环境∗国家自然科学基金(51035007，50875195)、霍英东基金(121052)和高校基本科研业务费资助项目。20100710收到初稿，20110321收到修改稿恶劣，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月2011年6月张小丽等：机械重大装备寿命预测综述101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。另外，由于大多数机械重大装备结构复杂、载荷作用形式多样、运行环境恶劣，并且同一类设备在相同的使用条件下寿命也有很大的分散度，因而可靠并可信地预测机械重大装备的寿命存在着较大困难。总之，机械重大装备剩余寿命预测是一项理论上有难度、实践性很强，同时又具有重要社会意义和经济价值的工作。因此，有效监测诊断机械、运载和能源等行业的典型重大装备的损伤并可靠预测其剩余寿命，是提高装备服役性能和控制失效事故发生的重要途径。国家中长期规划(2006～2020年)将“重大产品、复杂系统和重大设施的可靠性、安全性和寿命预测技术”列为重要研究方向。所以，机械重大装备的寿命预测一直是人们关注的焦点。近年来，随着社会进步和科技发展，机械设备愈加趋向高性能、高速度、大负荷和复杂化，诸如飞行器、舰船、车辆、发电机组等机械重大装备在国民经济中起着举足轻重的作用。与此同时，投产的机械设备又都面临着逐渐老化失效的问题。例如：不论是工业发达的美、英、德、日等欧美国家，还是中国等发展中国家，在用的发电机组老龄化日益突出，且有不少老机机组参与调峰[2]。我国核电机组在20世纪90年代初投运(1991年、1994年秦山和大亚湾核电站先后并网发电)至今将近20年，常年受多种劣化因素的影响许多设备超过或即将要超过设计寿命期[2]。我国相当数量飞机的服役年限已达到或接近日历寿命(或日历首翻期)设计指标，目前面临着如何发挥这些老龄飞机潜力的问题[3]。所以预测机械重大装备的剩余寿命，昀大限度地发挥机械重大装备的作用而又避免意外的事故和灾害，对于我国可持续经济发展和节约型社会建设是一个十分重要和紧迫的课题。因此，本文主要针对机械重大装备寿命预测研究进行综述。介绍寿命预测的基本概念及其发展历程。分门别类地介绍寿命预测的主要研究对象。概括总结机械重大装备寿命预测研究方法，并对寿命预测研究方法进行比较分析。分析总结当前寿命预测研究的热点、难点以及存在的主要问题。昀后展望机械重大装备寿命预测的研究前景。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{}|,()rtttttZt′′=−(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，rt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[4]。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-SN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[5]。在此后的很长一段时间里，人们逐步深入研究，形成了目前工程中昀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[5]。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[6]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[5]。1963年PARIS等[7]用断裂力学的方法表达裂纹扩展规律，提出了著名的Paris公式。在Paris公式的基础上，很多研究者针对不同的研究问题对Paris公式进行了修正与发展。可以说，Paris公式的机械工程学报第47卷第11期期102诞生揭开了寿命预测的新篇章，为裂纹扩展寿命的研究提供了新方法，在此基础上发展的“损伤容限设计”成为了20世纪疲劳强度设计的发展方向。在此期间，1977年JANSON[8]提出了主要研究宏观可见缺陷或裂纹出现之前的力学过程即裂纹萌生过程的损伤力学。损伤力学通过定义损伤变量研究损伤演化规律来预测疲劳寿命。在此后的几十年里，从连续损伤力学到微观损伤力学以及基于微观的维象损伤理论(宏微观结合理论)，损伤力学获得了重要发展，作为断裂疲劳破坏的补充和拓展，损伤力学也成为工程结构疲劳破坏与寿命预测研究的重要的力学分析手段[5]。(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[9]、金属全寿命模型[10]、等效应变能密度寿命预测方法[11]、基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法[12-13]、基于指数模型的裂纹扩展速率与寿命预测技术[14-15]等模型方法。其次，考虑到温度、腐蚀等环境因素对寿命预测的综合影响，高温蠕变寿命预测[16]、腐蚀寿命预测技术[17]、疲劳蠕变寿命预测技术[18]、以及高温疲劳蠕变寿命预测技术[19]等针对复杂环境对寿命影响的研究不断深入。另外，考虑各种复杂载荷形式对寿命的综合影响，诸如多轴疲劳寿命模型[20-21]、多轴变幅载荷高周疲劳寿命模型[22]、多轴蠕变疲劳寿命预测技术[23]等研究也在不断深入发展。值得指出的是，近年来随着信息技术的发展，出现了诸如人工神经网络、专家系统等智能寿命预测技术[24-27]以及基于机械设备振动监测分析的寿命预测技术[28-31]。另外，新型材料的诞生一方面极大拓宽了传统寿命预测技术的研究领域，另一方面又促进了寿命