大型水泵机组寿命预测与改善研究

大型水泵机组广泛应用于抗旱排涝、长距离调水、城市供排水、舰船等工程。但因影响因素多、机理复杂，水泵机组可靠耐久性预测难、寿命短，影响功能发挥。 通过广泛调研，遴选出机组关键易损部件，确定失效模式和标准。分析归纳影响可靠耐久性的因素，确定各影响因素的随机变化范围和概率密度。建立单确定因素作用时部件破坏速率计算方法，建立数学模型，合成求解多因素作用时部件可靠度和寿命，研究提出改善水泵机组可靠耐久性的途径和方法。 关键易损部件: 水泵导轴承、叶轮叶片、电机定子、电机推力轴承；主要失效模式: 水泵导轴承磨损，叶片断裂、汽蚀，电机定子绝缘老化和推力轴承烧损。确定各易损部件主要失效模式的失效判别标准。例如，考虑制造和安装多个因素，确定叶片与外壳不相碰的导轴承最大单边磨损量计算公式；确定叶片间隙汽蚀，以叶片间隙增大到叶轮直径的0.25%、水泵效率下降5%为失效。 应用CFD方法，计算分析了水泵水润滑导轴承和电机滑动推力轴承的润滑与受力情况、叶顶间隙形式对漩涡空化的影响。提出了水泵叶片疲劳寿命、非金属导轴承基于可靠度的寿命预测方法，提出了延长水泵叶片疲劳寿命的方法，结果与实际一致；计算了水泵叶片调节机构调节力与调角误差。以减小调节力为目标，提出了基于水泵全运行工况的叶片轴位置优化方法，结果表明，平均调节力减小60%左右，平均调角误差由0.15°减小到0.04°，分离推力轴承工作面压力减小68%，寿命大大延长。考虑到大型水泵机组电机运行温度多影响因素的不确定性，建立了电机温升可靠度预测模型，预测了电机温升可靠度；提出了电机基于可靠度的绝缘寿命预测方法。研发了高可靠度智能拦污清污成套设备，并应用于泵站。 本项目能够丰富可靠度与寿命预测理论，延长大型水泵机组等设备的寿命，具有重要的理论意义和应用价值。 2100433B

大型水泵机组为复杂机电系统，要在抗旱排涝和调水中充分发挥作用，可靠耐久性至关重要。但因影响因素多、机理复杂，导致寿命预测难、寿命短，影响功能发挥。 本项目遴选机组易损部件，确定失效模式和标准。从结构形式、材料性能、装配质量、荷载特性、运行环境和维护方式等方面，分析部件寿命影响因素。通过对运行和试验资料理论分析，建立单确定因素作用时部件破坏速率计算方法。确定各因素范围和概率密度，计算单随机因素作用时部件基于概率的破坏速率。建立数学模型，合成求解多随机因素作用时部件基于概率的破坏速率，建立部件可靠度与时间的关系，合成求解多部件组成的典型水泵机组可靠度与时间的关系，用调研资料验证一致，从而建立基于可靠度的寿命预测理论。研究确定机组寿命高贡献率影响因素，针对更长的目标寿命，反问题求解模型，提出贡献率因素的改善途径和方法。 本项目能够丰富寿命预测理论，延长复杂系统寿命，具有重要的理论意义和应用价值。

《石化装置寿命预测与失效分析工程实例》所有实例都是各个专家多年来在与石油化工企业合作解决生产实际问题的过程中总结出来的，具有较强的代表性与实用性。

每个实例先简要介绍了装置的运行情况及出现的问题，然后通过深入详细的检测与分析，得到材料的预测寿命或找出材料失效的原因，并提出相应的改进措施与建议，可为石油化工企业的设备更新、维护及安全运行提供有价值的依据和重要借鉴。

在考虑惯性效应的I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程的理论基础上，将钢桥受随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题通过傅里叶变换、积分中值定理等转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程，从而提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，利用该方法有效地解决了实际钢桥的疲劳剩余寿命问题，具有极为重要的工程应用价值。本项目的研究工作主要有以下几个方面： 1、作为本项目的理论基础，深入研究了考虑惯性效应的疲劳裂纹扩展力学模型及裂纹扩展机理等新概念，对I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程和速率方程表达式进行了详细的推导和论证，以及对影响疲劳裂纹扩展速率各种因素进行了分析。 2、对于随机载荷作用下疲劳寿命的计算，本项目从随机载荷谱分解入手，将随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展问题，从而提出了随机载荷下“三参数”疲劳裂纹扩展方程。并且通过国内外CCT试件试验数据验证了“三参数”疲劳裂纹扩展方程的有效性。 3、把本项目提出的随机载荷作用下疲劳裂纹扩展预测新方法与《随机载荷谱裂纹扩展寿命模型》其它各种寿命模型理论进行了对比分析，结果表明研究中提出的方法无论是计算的简便性还是与试验结果的吻合程度都优越于其它各种模型理论。 4、首次提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，重点分析了随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程“三参数”的物理意义。详细叙述了应用该方法对钢桥进行寿命评估的三个基本前提条件和计算步骤。归纳了一些常见桥梁结构的应力强度因子及相应的裂纹扩展方程。 5、本课题设计钢箱梁结构试验模型验证本申请项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法。通过监测钢结构的裂纹长度随时间的变化关系，准确地计算出其后裂纹长度随时间变化的曲线，从而预测其剩余疲劳寿命，并与最终试验结果进行比对，结果发现本课题提出的钢桥疲劳寿命预测新方法与最终试验结果吻合程度较高，证明本项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法是可靠的。 2100433B