本發(fā)明屬于可靠性分析壽命評估技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于加速壽命試驗的高速葉輪壽命評估方法的設(shè)計。

背景技術(shù)：

高速葉輪是離心壓縮機，空氣渦輪機中的最關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件，在船舶工程、電氣工程、機械工程中，都得到了廣泛應(yīng)用，在軍用、民用、家用機械或電器的各個方面，也都發(fā)揮著極其重要的作用。作為主要承力部件、葉輪的主要功能是傳輸功率，工作時承受離心力、氣動力、激振力、外物沖擊等循環(huán)交變載荷與動載荷作用，其主要失效模式是循環(huán)疲勞斷裂、塑性變形超限、振動開裂以及這些模式之間相互作用的結(jié)果。在外部載荷的作用下，葉輪的材料性能或結(jié)構(gòu)有可能會產(chǎn)生不可逆的變化。在十分嚴酷惡劣的工作環(huán)境下，葉片除受到高速旋轉(zhuǎn)帶來的離心載荷的作用外，還受到復(fù)雜的氣動力和熱應(yīng)力的影響，以及振動、腐蝕和氧化等作用，因此葉片故障時有發(fā)生，其性能的優(yōu)劣及壽命的長短直接影響到發(fā)動機的工作效率和運行可靠性，且一旦發(fā)生故障，就有很大可能造成毀滅性的后果。眾所周知，塑性變形在工程結(jié)構(gòu)中是廣泛存在的現(xiàn)象，由塑性變形造成的構(gòu)件破壞，會造成巨大的經(jīng)濟損失甚至危及生命。

作為空氣渦輪機的核心部件，渦輪機對氣體做功、提高氣體能量的唯一部件，高速葉輪性能的好壞直接關(guān)系到渦輪機的性能。高速葉輪的變形損壞問題一直是影響渦輪機可靠性的主要因素之一。在渦輪機中，葉輪通常承受很大的應(yīng)力，工作時受力極其復(fù)雜，主要包括旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力、氣動載荷和熱載荷。由于氣流分布不均勾、不穩(wěn)定及轉(zhuǎn)子的不平衡等均會使葉輪發(fā)生振動，導(dǎo)致葉輪在工作中可靠性差，出現(xiàn)塑性變形，甚至產(chǎn)生疲勞斷裂。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，葉輪的設(shè)計取得了很大的進步，按照傳統(tǒng)的壽命試驗技術(shù)進行評估很難發(fā)現(xiàn)失效。渦輪機高速葉輪系統(tǒng)的失效模式多樣，在所有失效模式動態(tài)參數(shù)條件下對其進行可靠性及壽命評估存在較大困難，現(xiàn)有的故障樹分析方法很難表述復(fù)雜的高速葉輪系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的可靠性壽命評估方法在分析復(fù)雜、動態(tài)、失效模式多樣的系統(tǒng)時表達復(fù)雜、計算效率低、求解困難的問題，提出了一種基于加速壽命試驗的高速葉輪壽命評估方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于加速壽命試驗的高速葉輪壽命評估方法，包括以下步驟：

s1、對高速葉輪進行加速壽命試驗，得到每次試驗下高速葉輪的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)；

s2、根據(jù)《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法》，驗證中值疲勞壽命測定中的觀察樣本個數(shù)是否符合要求；

s3、根據(jù)渦輪機高速葉輪系統(tǒng)試驗的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并結(jié)合高速葉輪加速壽命試驗數(shù)據(jù)，通過威布爾分布參數(shù)的矩估計求解出高速葉輪的形狀參數(shù)；

s4、用逆冪率模型描述高速葉輪在機械應(yīng)力作用下壽命特征與應(yīng)力的關(guān)系，推算出高速葉輪在加速壽命試驗中的壽命評估模型；

s5、將步驟s3求解出的形狀參數(shù)以及步驟s1中的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)代入壽命評估模型中進行計算，得到高速葉輪的使用壽命下限；

s6、根據(jù)高速葉輪的實際工作現(xiàn)場數(shù)據(jù)，推算出高速葉輪的使用壽命年限。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明通過將高速葉輪的歷史數(shù)據(jù)與失效模式相結(jié)合，運用威布爾分布參數(shù)的矩估計，通過對試驗對象的可靠性數(shù)據(jù)分析，建立了高速葉輪基于加速實驗的壽命評估模型，可根據(jù)系統(tǒng)的使用頻率，工作狀況直觀得出系統(tǒng)壽命下限。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)可靠性壽命評估方法在分析復(fù)雜、動態(tài)、失效模式多樣的系統(tǒng)時表達復(fù)雜、計算效率低、求解困難等問題。

(2)本發(fā)明將加速壽命試驗引入高速葉輪系統(tǒng)的壽命評估方法中，通過對葉輪的威布爾分布形狀參數(shù)的估計，結(jié)合葉輪的現(xiàn)場試驗壽命數(shù)據(jù)建立壽命模型進行評估，極大縮短傳統(tǒng)可靠性試驗的持續(xù)時間，只需記錄加速壽命試驗的現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)，就能得出高速葉輪系統(tǒng)的壽命年限，表述方式更加方便簡潔，無需分析所有失效模式動態(tài)參數(shù)，提高了計算效率，因此能顯著地提高空氣渦輪機高速葉輪系統(tǒng)的可靠性分析和壽命評估效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種基于加速壽命試驗的高速葉輪壽命評估方法流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例的高速葉輪加速壽命試驗原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。

本發(fā)明提供了一種基于加速壽命試驗的高速葉輪壽命評估方法，如圖1所示，包括以下步驟：

s1、對高速葉輪進行加速壽命試驗，起始葉輪以正常轉(zhuǎn)速工作，每工作一定時間停機一段時間，然后提高轉(zhuǎn)速進行下一次試驗，直到高速葉輪在極限轉(zhuǎn)速下發(fā)生形變失效時停止試驗。記下加速壽命試驗中高速葉輪的轉(zhuǎn)速作為觀察樣本，其中正常工作轉(zhuǎn)速記為s0，正常工作持續(xù)時間記為t0，最高無失效轉(zhuǎn)速記為s1，最高無失效轉(zhuǎn)速持續(xù)時間記為t1，極限轉(zhuǎn)速記為sm，極限轉(zhuǎn)速持續(xù)時間記為tm。

高速葉輪的加速壽命試驗原理如圖2所示，其中，橫軸為使用壽命(對數(shù)化)，豎軸為應(yīng)力水平。t0'為高速葉輪在正常應(yīng)力水平(工作狀態(tài))s0下的真實壽命，t1為葉輪樣本在加速應(yīng)力水平s1下的試驗壽命。本發(fā)明實施例中將試驗所得數(shù)據(jù)t1換算到正常應(yīng)力水平s0下的使用壽命t0。通過加速壽命試驗使t0盡可能向真實壽命t0'逼近，從而得到更準確的高速葉輪壽命評估結(jié)果。

s2、根據(jù)《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法》，驗證中值疲勞壽命測定中的觀察樣本個數(shù)是否符合要求。該步驟具體包括以下分步驟：

s21、由高速葉輪系統(tǒng)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本，結(jié)合使用頻率和設(shè)計壽命，取ni(i≥3)個樣本的壽命循環(huán)次數(shù)，取其對數(shù)，得到高速葉輪壽命循環(huán)次數(shù)對數(shù)，如表1所示。

表1

根據(jù)公式：

計算子樣平均值和子樣標準差s，得出樣本的變異系數(shù)

s22：根據(jù)hbz112-1986《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法》中值疲勞壽命的測定，驗證觀察樣本個數(shù)是否滿足下式：

其中δmax為誤差限度，本發(fā)明實施例中取5％，γ為置信水平，根據(jù)hbz112-1986《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法》中tγ數(shù)值表與觀察樣本個數(shù)n，進行三次多項式擬合，得到小樣本修正下的tγ數(shù)值表，如表2所示。

表2

tr數(shù)值表(γ＝95％)

tr數(shù)值表(γ＝90％)

根據(jù)公式(3)檢驗觀察樣本個數(shù)是否滿足要求。

s3、根據(jù)渦輪機高速葉輪系統(tǒng)試驗的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并結(jié)合高速葉輪加速壽命試驗數(shù)據(jù)，通過威布爾分布參數(shù)的矩估計求解出高速葉輪的形狀參數(shù)。

把采集到的n個正常工作及加速壽命試驗下高速葉輪轉(zhuǎn)速的樣本，記為x1,x2,...,xn，由矩估計得形狀參數(shù)β的估計為：

式中表示通過威布爾分布參數(shù)的矩估計求出的形狀參數(shù)β的估計值，λ為任意常數(shù)，本發(fā)明實施例中λ取為1。

s4、用逆冪率模型描述高速葉輪在機械應(yīng)力作用下壽命特征與應(yīng)力的關(guān)系，推算出高速葉輪在加速壽命試驗中的壽命評估模型。

根據(jù)高速葉輪在機械應(yīng)力作用下壽命特征與應(yīng)力的關(guān)系以及加速壽命試驗理論，由對數(shù)線性化的逆冪率模型：

lnξ＝a+blns(5)

推導(dǎo)出正常應(yīng)力水平下的等效壽命t：

結(jié)合威布爾分布，給出高速葉輪在正常應(yīng)力水平下，可靠度為r，置信水平為γ的壽命置信下限tr,low的評估模型：

s5、由威布爾分布描述的壽命評估模型，將步驟s3求解出的形狀參數(shù)β以及步驟s1中的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)代入公式(7)進行計算，得到高速葉輪在給定可靠度r，置信水平γ下的使用壽命下限t＝tr,low。

s6、根據(jù)高速葉輪的實際工作現(xiàn)場數(shù)據(jù)，推算出高速葉輪的使用壽命年限。

根據(jù)高速葉輪實際平均年化工作頻率f′，實際正常工作轉(zhuǎn)速s′以及實際正常工作持續(xù)時間t′，給出高速葉輪基于加速壽命試驗的年化壽命公式：

t＝s′×t′×f′×n′(8)

由公式(8)可以計算得到高速葉輪在加速壽命試驗下的使用壽命年限

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。