CN107122531B - 一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法，以涡轮机高速叶轮在加速寿命试验下的寿命预测问题作为切入点，分析小样本数据下试验个数是否满足观察要求，构建了高速叶轮在机械应力作用下寿命特征与应力的关系框架，推算出其寿命评估模型，并详细的说明了各个关键步骤逐步实施的策略，着重展开说明了如何利用威布尔分布描述其寿命分布并得到模型关键参数的估计值的策略。通过在所获得模型中关键参数估计值的基础上结合寿命分布模型得到高速叶轮在给定可靠度和置信水平下的工作寿命置信下限模型，最后结合高速叶轮的实际工作频率等现场数据，推算出高速叶轮的使用寿命年限。
Description
技术领域
本发明属于可靠性分析寿命评估技术领域，具体涉及一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法的设计。
背景技术
高速叶轮是离心压缩机，空气涡轮机中的最关键旋转部件，在船舶工程、电气工程、机械工程中，都得到了广泛应用，在军用、民用、家用机械或电器的各个方面，也都发挥着极其重要的作用。作为主要承力部件、叶轮的主要功能是传输功率，工作时承受离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载荷与动载荷作用，其主要失效模式是循环疲劳断裂、塑性变形超限、振动开裂以及这些模式之间相互作用的结果。在外部载荷的作用下，叶轮的材料性能或结构有可能会产生不可逆的变化。在十分严酷恶劣的工作环境下，叶片除受到高速旋转带来的离心载荷的作用外，还受到复杂的气动力和热应力的影响，以及振动、腐蚀和氧化等作用，因此叶片故障时有发生，其性能的优劣及寿命的长短直接影响到发动机的工作效率和运行可靠性，且一旦发生故障，就有很大可能造成毁灭性的后果。众所周知，塑性变形在工程结构中是广泛存在的现象，由塑性变形造成的构件破坏，会造成巨大的经济损失甚至危及生命。
作为空气涡轮机的核心部件，涡轮机对气体做功、提高气体能量的唯一部件，高速叶轮性能的好坏直接关系到涡轮机的性能。高速叶轮的变形损坏问题一直是影响涡轮机可靠性的主要因素之一。在涡轮机中，叶轮通常承受很大的应力，工作时受力极其复杂，主要包括旋转产生的惯性力、气动载荷和热载荷。由于气流分布不均勾、不稳定及转子的不平衡等均会使叶轮发生振动，导致叶轮在工作中可靠性差，出现塑性变形，甚至产生疲劳断裂。随着近年来科学技术的发展，叶轮的设计取得了很大的进步，按照传统的寿命试验技术进行评估很难发现失效。涡轮机高速叶轮系统的失效模式多样，在所有失效模式动态参数条件下对其进行可靠性及寿命评估存在较大困难，现有的故障树分析方法很难表述复杂的高速叶轮系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的可靠性寿命评估方法在分析复杂、动态、失效模式多样的系统时表达复杂、计算效率低、求解困难的问题，提出了一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法。
本发明的技术方案为：一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法，包括以下步骤：
S1、对高速叶轮进行加速寿命试验，得到每次试验下高速叶轮的相关试验数据；
S2、根据《材料疲劳试验统计分析方法》，验证中值疲劳寿命测定中的观察样本个数是否符合要求；
S3、根据涡轮机高速叶轮系统试验的历史统计数据，并结合高速叶轮加速寿命试验数据，通过威布尔分布参数的矩估计求解出高速叶轮的形状参数；
S4、用逆幂率模型描述高速叶轮在机械应力作用下寿命特征与应力的关系，推算出高速叶轮在加速寿命试验中的寿命评估模型；
S5、将步骤S3求解出的形状参数以及步骤S1中的相关试验数据代入寿命评估模型中进行计算，得到高速叶轮的使用寿命下限；
S6、根据高速叶轮的实际工作现场数据，推算出高速叶轮的使用寿命年限。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过将高速叶轮的历史数据与失效模式相结合，运用威布尔分布参数的矩估计，通过对试验对象的可靠性数据分析，建立了高速叶轮基于加速实验的寿命评估模型，可根据系统的使用频率，工作状况直观得出系统寿命下限。本发明克服了传统可靠性寿命评估方法在分析复杂、动态、失效模式多样的系统时表达复杂、计算效率低、求解困难等问题。
(2)本发明将加速寿命试验引入高速叶轮系统的寿命评估方法中，通过对叶轮的威布尔分布形状参数的估计，结合叶轮的现场试验寿命数据建立寿命模型进行评估，极大缩短传统可靠性试验的持续时间，只需记录加速寿命试验的现场失效数据，就能得出高速叶轮系统的寿命年限，表述方式更加方便简洁，无需分析所有失效模式动态参数，提高了计算效率，因此能显著地提高空气涡轮机高速叶轮系统的可靠性分析和寿命评估效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法流程图。
图2为本发明实施例的高速叶轮加速寿命试验原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、对高速叶轮进行加速寿命试验，起始叶轮以正常转速工作，每工作一定时间停机一段时间，然后提高转速进行下一次试验，直到高速叶轮在极限转速下发生形变失效时停止试验。记下加速寿命试验中高速叶轮的转速作为观察样本，其中正常工作转速记为S0，正常工作持续时间记为t0，最高无失效转速记为S1，最高无失效转速持续时间记为t1，极限转速记为Sm，极限转速持续时间记为tm。
高速叶轮的加速寿命试验原理如图2所示，其中，横轴为使用寿命(对数化)，竖轴为应力水平。t0'为高速叶轮在正常应力水平(工作状态)S0下的真实寿命，t1为叶轮样本在加速应力水平S1下的试验寿命。本发明实施例中将试验所得数据t1换算到正常应力水平S0下的使用寿命t0。通过加速寿命试验使t0尽可能向真实寿命t0'逼近，从而得到更准确的高速叶轮寿命评估结果。
S2、根据《材料疲劳试验统计分析方法》，验证中值疲劳寿命测定中的观察样本个数是否符合要求。该步骤具体包括以下分步骤：
S21、由高速叶轮系统历史统计数据样本，结合使用频率和设计寿命，取ni(i≥3)个样本的寿命循环次数，取其对数，得到高速叶轮寿命循环次数对数，如表1所示。
表1
根据公式：
计算子样平均值
和子样标准差s，得出样本的变异系数
S22：根据HBZ 112-1986《材料疲劳试验统计分析方法》中值疲劳寿命的测定，验证观察样本个数是否满足下式：
其中δmax为误差限度，本发明实施例中取5％，γ为置信水平，根据HBZ 112-1986《材料疲劳试验统计分析方法》中tγ数值表与观察样本个数N，进行三次多项式拟合，得到小样本修正下的tγ数值表，如表2所示。
表2
tr数值表(γ＝95％)
tr数值表(γ＝90％)
根据公式(3)检验观察样本个数是否满足要求。
S3、根据涡轮机高速叶轮系统试验的历史统计数据，并结合高速叶轮加速寿命试验数据，通过威布尔分布参数的矩估计求解出高速叶轮的形状参数。
把采集到的n个正常工作及加速寿命试验下高速叶轮转速的样本，记为X1,X2,...,Xn，由矩估计
得形状参数β的估计为：
式中
表示通过威布尔分布参数的矩估计求出的形状参数β的估计值，
λ为任意常数，本发明实施例中λ取为1。
S4、用逆幂率模型描述高速叶轮在机械应力作用下寿命特征与应力的关系，推算出高速叶轮在加速寿命试验中的寿命评估模型。
根据高速叶轮在机械应力作用下寿命特征与应力的关系以及加速寿命试验理论，由对数线性化的逆幂率模型：
lnξ＝a+b ln S (5)
推导出正常应力水平下的等效寿命t：
结合威布尔分布，给出高速叶轮在正常应力水平下，可靠度为R，置信水平为γ的寿命置信下限tR,low的评估模型：
S5、由威布尔分布描述的寿命评估模型，将步骤S3求解出的形状参数β以及步骤S1中的相关试验数据代入公式(7)进行计算，得到高速叶轮在给定可靠度R，置信水平γ下的使用寿命下限T＝tR,low。
S6、根据高速叶轮的实际工作现场数据，推算出高速叶轮的使用寿命年限。
根据高速叶轮实际平均年化工作频率f′，实际正常工作转速S′以及实际正常工作持续时间t′，给出高速叶轮基于加速寿命试验的年化寿命公式：
T＝S′×t′×f′×N′ (8)
由公式(8)可以计算得到高速叶轮在加速寿命试验下的使用寿命年限
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于加速寿命试验的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对高速叶轮进行加速寿命试验，得到每次试验下高速叶轮的相关试验数据；
S2、验证中值疲劳寿命测定中的观察样本个数是否符合要求，具体包括以下分步骤：
S21、由高速叶轮系统历史统计数据样本，结合使用频率和设计寿命，取ni(i≥3)个样本的寿命循环次数，取其对数，得到高速叶轮寿命循环次数对数；
S22：根据HBZ 112-1986《材料疲劳试验统计分析方法》中值疲劳寿命的测定，确定观察样本个数是否符合要求；
S3、根据涡轮机高速叶轮系统试验的历史统计数据，并结合高速叶轮加速寿命试验数据，通过威布尔分布参数的矩估计求解出高速叶轮的形状参数；
S4、用逆幂率模型描述高速叶轮在机械应力作用下寿命特征与应力的关系，推算出高速叶轮在加速寿命试验中的寿命评估模型；
S5、将步骤S3求解出的形状参数以及步骤S1中的相关试验数据代入寿命评估模型中进行计算，得到高速叶轮的使用寿命下限；
S6、根据高速叶轮的实际工作现场数据，推算出高速叶轮的使用寿命年限。
2.根据权利要求1所述的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S1中的相关试验数据包括正常工作转速S0，正常工作持续时间t0，最高无失效转速S1，最高无失效转速持续时间t1，极限转速Sm，极限转速持续时间tm。
3.根据权利要求2所述的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
把采集到的n个正常工作及加速寿命试验下高速叶轮转速的样本，记为X1,X2,...,Xn，由矩估计
得形状参数β的估计为：
式中
表示通过威布尔分布参数的矩估计求出的形状参数β的估计值，
λ为任意常数。
4.根据权利要求3所述的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S4中的寿命评估模型具体为：
式中R为可靠度，γ为置信水平。
5.根据权利要求4所述的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S5中的使用寿命下限T＝tR,low。
6.根据权利要求5所述的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S6中高速叶轮的实际工作现场数据包括实际平均年化工作频率f′，实际正常工作转速S′以及实际正常工作持续时间t′。
7.根据权利要求6所述的高速叶轮寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S6中高速叶轮的使用寿命年限
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