摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)不斷向高精尖方向發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程提速，機(jī)械設(shè)備也朝著精密化、大型化以及復(fù)雜化等方向發(fā)展，機(jī)器的零件和結(jié)構(gòu)的構(gòu)建隨著環(huán)境的復(fù)雜也更加復(fù)雜，尤其是機(jī)器使用中長(zhǎng)期存在的交變載荷作用，這使得機(jī)械設(shè)備更容易發(fā)生疲勞問(wèn)題，工程中往往出現(xiàn)的構(gòu)件失效，其主要原因就是疲勞破壞。因此，疲勞穴在理論研究和工程實(shí)際研究中都是熱門(mén)問(wèn)題。本文首先闡述了中外機(jī)械設(shè)備的疲勞理論研究現(xiàn)狀，從而介紹了幾種疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法，最后再闡述振動(dòng)能量的概念的基礎(chǔ)上分析了基于振動(dòng)能量的壽命預(yù)測(cè)方法。

關(guān)鍵詞 疲勞理論 機(jī)械設(shè)備 壽命預(yù)測(cè)

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)技術(shù)的改革和發(fā)展，同時(shí)工程機(jī)械也朝著精密、大型、復(fù)雜和高速化發(fā)展，特別是一些與石化、航天等行業(yè)相關(guān)的大型精密設(shè)備，由于特殊復(fù)雜的工作環(huán)境和載荷以及應(yīng)力的多變性，很容易發(fā)生設(shè)備失效等故障問(wèn)題，從而引發(fā)不可控的突發(fā)事故和災(zāi)難性的嚴(yán)重后果。所以，我們要重視對(duì)機(jī)械設(shè)備安全和疲勞問(wèn)題的研究和探討，從而對(duì)保證工程的順利完成有著重大意義。

一、機(jī)械設(shè)備疲勞理論

（一）疲勞理論

疲勞一般是指，金屬或者其它材料，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，它們?cè)趦?nèi)在循環(huán)載荷下發(fā)生的性能變化，通常在機(jī)械設(shè)備中，主要是指，相關(guān)金屬材料在疲勞應(yīng)變和應(yīng)力反復(fù)作用下造成的破話和損傷。機(jī)械設(shè)備壽命是指機(jī)械設(shè)備的相關(guān)構(gòu)建在載荷作用下發(fā)生疲勞破壞時(shí)，從開(kāi)始使用到使用失效或者斷裂所經(jīng)歷的時(shí)間歷程。

最早，從十九世紀(jì)開(kāi)始進(jìn)入科學(xué)的研究疲勞問(wèn)題，在德國(guó)的工程師提出這一概念之后，被用于車(chē)輛、航空航天、橋梁和工程結(jié)等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究，使得疲勞理論得到了進(jìn)一步完善，總的來(lái)說(shuō)，疲勞理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段： 十九世紀(jì)前半葉，法國(guó)工程師提出“疲勞”念，用來(lái)描述相關(guān)材料從受載到達(dá)到承載能力的極限最后斷裂的過(guò)程，并被沿用至今 十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬材料的疲勞過(guò)程分為疲勞裂紋形成到疲勞裂紋擴(kuò)展再到失穩(wěn)擴(kuò)展的三個(gè)階段。 二十世紀(jì)八十年代至今，隨著其他科學(xué)的發(fā)展，疲勞理論也進(jìn)入了迅速的發(fā)展階段。

（二）狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

機(jī)械設(shè)備的故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)的評(píng)價(jià)是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)段的不同概念。對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是指通過(guò)安裝在設(shè)備本身或者設(shè)備周邊的傳感器來(lái)收集設(shè)備的溫度、壓力、振動(dòng)、磁場(chǎng)和噪聲等一些與設(shè)備密切相關(guān)的信號(hào)參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析二了解機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)前，針對(duì)大型設(shè)備和特殊設(shè)備的故障診斷以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)理論體系的架構(gòu)是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

（三）信號(hào)能量分析

目前，現(xiàn)有的振動(dòng)信號(hào)的功率和相關(guān)的能量分析法都是基于功率譜和能量譜來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是，因?yàn)檫@種功率譜只是振動(dòng)信號(hào)在各個(gè)頻率下離散的信號(hào)功率值，并不是實(shí)際意義上的振動(dòng)功率，因此它并不能反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。

二、機(jī)械設(shè)備壽命預(yù)測(cè)

（一）確定性疲勞壽命預(yù)測(cè)

確定性疲勞壽命預(yù)測(cè)是根據(jù)一定的算法和公式，把各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備零部件作為研究對(duì)象，從它們身上得到確定性的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，以力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞壽命預(yù)測(cè)法，是當(dāng)前最常用的方法，這個(gè)方法主要包括應(yīng)變法、應(yīng)力法、與其它力學(xué)融合的方法以及疲勞累積損傷理論等。

（二）疲勞累計(jì)損傷原理

疲勞累積損傷理論是變應(yīng)力作用下疲勞分析的重要理論，也是衡量疲勞壽命預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)。當(dāng)作用于應(yīng)力的材料大于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每做一次應(yīng)力循環(huán)都會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生損壞，這樣的損傷會(huì)不斷積累。其中名義應(yīng)力法是把名義應(yīng)力作為主要參數(shù)作為疲勞壽命的影響因素，通過(guò)當(dāng)量應(yīng)力在S-N曲線上進(jìn)一步得到與之對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，也就是疲勞壽命，這是應(yīng)用的比較早也是應(yīng)用范圍比較廣的計(jì)算疲勞壽命的方法。另外還有局部應(yīng)力法，是基于 -N曲線的預(yù)測(cè)方法，這種方法因?yàn)榭梢哉鎸?shí)的反映材料局部塑性變形的區(qū)域變化特點(diǎn)，所以主要應(yīng)用在材料的低周疲勞期。

（三）不確定性疲勞壽命預(yù)測(cè)

通常，在實(shí)際操作中，裂紋的載荷、尺寸、形變等并不是一個(gè)確定值，而傳統(tǒng)的確定性分析方法是按照確定性的值進(jìn)行處理的，所以，研究不確定性疲勞壽命預(yù)測(cè)方法的前提是對(duì)于不確定量的計(jì)算。通常對(duì)不確定現(xiàn)象的主要研究方法是灰色系統(tǒng)理論、概論統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)。因?yàn)檠芯繀?shù)不確定，所以研究時(shí)得到的結(jié)果滿足特征分布的隨機(jī)量。這種分析的過(guò)程首先就是要確定參數(shù)的分布規(guī)律，然后做出概率統(tǒng)計(jì)，在考慮各種參數(shù)隨機(jī)性的基礎(chǔ)上，得到具有可信性的構(gòu)件的疲勞壽命。

三、基于振動(dòng)能量的設(shè)備壽命預(yù)測(cè)方法

（一）瞬時(shí)振動(dòng)能量和名義應(yīng)力法

如果作用于構(gòu)件的相關(guān)的交變載荷主要應(yīng)力水平處于高周疲勞區(qū)里面，根據(jù)名義應(yīng)力法就有： n= N0= ，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)固定， ∝ F，令 =c F，而振動(dòng)能量的表達(dá)方式：

=[（+）+（-）cos2（WT+ ）]

將A= 帶入上式，可得：

2E=[（+）+（-）cos2（WT+ ）]

如果，簡(jiǎn)諧激振率頻率保持一致，可得：

=CE 2

將表達(dá)式帶入可得，N=N0=C'，其中E-1為能量疲勞極限，N0為規(guī)定最大循環(huán)次數(shù)，C是一個(gè)常數(shù)，由材料本身決定，m為常數(shù)，和名義應(yīng)力法中的m一樣。從而如果確定了E-1和N0，那么對(duì)任意瞬時(shí)振動(dòng)能量Ei所對(duì)應(yīng)的疲勞極限為：

由于振動(dòng)能量中包含激振頻率w，那么振動(dòng)能量Ei對(duì)應(yīng)的時(shí)間歷程為：

以上兩式描述了基于瞬時(shí)振動(dòng)能量的疲勞壽命預(yù)測(cè)公式。

（二）振動(dòng)能量譜與健康度結(jié)合

之前介紹的兩種方法都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的疲勞壽命預(yù)測(cè)，因此，這兩種方法不能對(duì)于運(yùn)行中的設(shè)備剩余壽命不能檢測(cè)，因此，通過(guò)健康度的相關(guān)概念來(lái)對(duì)能量健康進(jìn)行引入從而衡量系統(tǒng)的累積振動(dòng)能量。因?yàn)?，系統(tǒng)的所以噪聲都來(lái)自于振動(dòng)，振動(dòng)的產(chǎn)生是因?yàn)橄到y(tǒng)中有不平衡問(wèn)題的存在，這樣就會(huì)再系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)疲勞損傷不停累積從而加重了不平衡量。所以，針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)能量譜的不同譜值在不同的情形下有所體現(xiàn)，也就是當(dāng)損傷情況越嚴(yán)重，振動(dòng)能量譜值就會(huì)越大，因此，可以在根據(jù)同一種外部激勵(lì)下的振動(dòng)能量譜來(lái)建立對(duì)應(yīng)的退化模型，根據(jù)譜值的不同得到能量健康度，也就是EHD，取值范圍在0和1之間。當(dāng)EHD為0時(shí)，說(shuō)明累積振動(dòng)能量即將達(dá)到極限值，當(dāng)EHD為1時(shí)，說(shuō)明設(shè)備此時(shí)的累積振動(dòng)能量比較小，系統(tǒng)還處于健康的狀態(tài)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)振動(dòng)能量和疲勞理論形結(jié)合的方法對(duì)機(jī)械設(shè)備壽命預(yù)測(cè)起到一定作用，但是在固有頻率、剩余壽命計(jì)算和實(shí)際效果方面還有待于驗(yàn)證，對(duì)于如何將這些理論應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中還要進(jìn)一步研究和探索。

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（周航單位：大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院；劉明單位：哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院；趙碩單位：中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院）