电气设备寿命评估的方法研究

电气设备寿命评估的方法研究（陆梦龙04081434陆振04081496肖可04081504）（电气自动化08-4）摘要：本文综述了电气设备寿命评估的各种方法的研究，具体介绍了几种应用比较多的方法,主要针对电机、电力变压器以及电缆。Abstract：Thispaperreviewsthelifeofelectricalequipment,variousmethodsofassessment,thespecificapplicationpresentedseveralmoremethods,mailyformotors,powertransformersandcables.关键词：电气设备寿命评估方法S-N曲线应变——寿命法前言：电气设备寿命即电气安全寿命，指电气设备保持或基本保持原有性能而不影响其工作特性满足要求的时间。在整个社会对电力供应的依赖性日益强烈的今天，当发生因电气设备故障而引起的损失是无法估量的，除了人为的操作不当及自然条件的突变所引起的电气损坏而无法预知外，正常情况下，通过对电气设备寿命的正常评估，适时的进行检修及维护，可以提高系统的可靠性，降低故障几率，实现设备利用率最大化。因此设备寿命的评估方法就应运而生。正文：以下主要介绍了当代常用的几种电气设备寿命评估方法，包括断裂力学方程、人工神经网络方法、应变——寿命预测的方法、应力——寿命预测法等的理论基础和具体评价方法。1.断裂力学方程1963年，Paris在Irwin的线弹性断裂力学的基础上，提出了以裂纹尖端场控制参量应力强度因子幅ΔK为参数的疲劳裂纹扩展方程，从而奠定了疲劳裂纹扩展寿命研究的基础。mKAdNda(1.1)该方程在长裂纹扩展寿命研究方面取得了很大成功，在工程实际上也得到了广泛的应用。众多学者对该方程进行了更细致的研究工作，并考虑其他各种因素对其不断进行修正。Forman考虑了应力比的影响，提出了著名的Forman公式：KKRKAdNdaCm1(1.2)Elber和McEvily针对短裂纹的扩展情况，引入了塑性裂纹闭合的概念，对线弹性断裂力学考虑塑性闭合的影响，提出了有效强度因子幅作为参数的修正Paris公式：式中，ΔKeff为有效应力强度因子幅。2．人工神经网络人工神经网络的模型种类有：Hopfield网络模型、BP网络模型、ART模型及Bertymen模型等等。目前应用最广泛的人工神经网络模型是BP(BackPropagation)模型，即误差反向传播模型。BP网络属于多层型人工神经网络，由输入层、输出层和一个或多个隐层组成。输入层接受外界的输入信息，输出层给出输入信息的判别或决策，中间层用来表示或储存知识，相当于一个复杂的非线性函数。假设三层BP网络的输入层有个M节点，隐层有N个节点，输出层有L个节点。共有P个训练集，Xi表示输入层节点的输入；Yk表示输出层节点的输出，是连接权，每一个节点的输入为前一层所有节点输出值的加权和，每一个节点的输出值由节点输入、激励函数f及阈值θ决定：jjkjjjijijXWfYXWfX(2.1)式中，f为神经网络的隐含层和输出层的作用函数sigmoid的函数。)exp(11)(cxxf(2.2)网络的实际输出Yk与期望输出tk之间存在误差，各层的误差为：kjkjjjkkkkkWXXYtYY)1())(1((2.3)网络的总方差目标为：2)(21kkYtE(2.4)基于神经网络的模拟预测包括两个过程，即学习建模和外推预测。利用BP神经网络来预测电气设备结构部件的损耗情况与使用寿命，就是在各种损耗因素测定结果构成的样本集的基础上，通过神经网络的自主学习获得知识，便可知道电气设备结构部件的使用寿命。3.应变——寿命预测法应变——寿命法是建立在材料承受的应变幅与疲劳寿命的关系上的。1954年Coffin和Manson在研究热疲劳问题的过程中提出了以应变幅作为参量的疲劳寿命描述方法，即著名的Mnason-Coffin公式：cffbffpefNEN)2()2(222,,(3.1)通过测量和分析得到应变集中处的应变幅，就可以通过式(3.1)得到相应的疲劳寿命。Mansno-offin公式应用的关键在于确定构件的局部应变。在工程上，通常采用Neuber方法来求解构件局部应变。和S-N曲线一样，Manson-offni公式也是建立在恒应变幅的作用上的，对于变幅的循环应变，同meffKAdNda(1.3)样可以采用Miner线性损伤累积法则。4．应力——寿命预测法应力法是一种传统的安全寿命估算方法。所谓应力，就是指缺口试样或要计算的结构元件的载荷，被试样的静面积所除得到的应力值，也就是该面积上的平均应力值。随着施加在结构上的载荷随着时间变化，结构上的名义应力值也将随着时间发生变化，得到应力历程，再利用雨流法将应力历程整理为不同应力幅σai和与σai相应的循环次数ni，由S-N曲线得到应力幅σai对应的使用极限Ni，然后利用线性累积损伤准则计算总损伤D，最后得出疲劳寿命。材料的基本S-N曲线是指光滑材料在恒幅对称循环应力作用下应力幅与疲劳寿命的关系曲线。通过式(4.1)作为疲劳设计的判据。fSS(4.1)式中，应力幅小于某一极限值时，材料将不会发生疲劳破坏。这个极限值就是疲劳的“耐久极限”，也称为“持久极限”记为Sf；S为应力水平。基本S-N曲线是在对称应力幅（应力比R=-1，平均应力Sm=0）作用下测量的。应力比或平均应力对其有一定影响。一般情况，当Sm0，即拉伸平均应力作用时，S-N曲线将下移，表示同样应力幅作用下的疲劳寿命将降低，对疲劳有不利的影响；当Sm0，即压缩平均应力作用时，S-N曲线将上移，表示同样应力幅作用下的疲劳寿命将增大，对疲劳的影响是有利的。因此，通过喷丸、冷挤压、预应变等方法在高应力集中处引入残余压应力，将提高疲劳寿命。S-N曲线是通过恒幅试验测量的，对于变应力幅的情况，则采用Miner的累积损伤法则作为疲劳寿命的判据。将变化的应力幅分解成多个恒应力幅，然后通过式(4.2)来预测其寿命。1piiNnDD(4.2)要研究某一零件的疲劳强度，必须建立该零件或材料的S-N曲线。S-N曲线是通过一组标准试样，在控制应力或应变的条件下，用疲劳试验机做试验得到的。它是将试样在不同应力幅与循环载荷的破坏循环数的对应关系拟和得到的曲线，由于“应力”和“应变”在英文中的字首都是“S”，所以它们统称为S-N曲线。典型的对数S-N曲线如图4.1示，它在107处有一条截止线，这是实验时设置的极限，认为零件承受超过107次循环是无限循环，与此对应的应力或应变称为疲劳极限，以Sf表示。图4.1S-N曲线由于试验条件不同、工艺的差异、以及金属内部结构等原因，试验结果具有离散性，因此用一条S-N曲线不能完全表述其疲劳信息。此时需要对实验数据概率统计处理，找出这些数据的分布函数。疲劳实验结果证明，有两种分布函数最能描述疲劳试验数据：正态分布函数和威布尔分布函数。由于威布尔分布函数参数比较多，经常用的是正态分布函数。一般疲劳设计所用到的S-N曲线都是95%的疲劳曲线。S-N曲线只是在某一种循环应力比R=Rmin/Rmax的载荷循环下得到的寿命曲线，当应力比变化时，S-N曲线的位置也改变。它不能表示出各种应力循环情况下的寿命曲线关系，因此，需要在规定的破坏寿命下按应力比不同做疲劳试验，得到的曲线称为疲劳极限图，也就是通常所说的Goodman图。有两种表示疲劳极限图的方法：一种以平均应力为横坐标，应力幅为纵坐标；另一种以平均应力为横坐标，最大应力及最小应力为纵坐标。典型的疲劳极限图如图4.2所示。图4.2疲劳极限图从Goodman图上可以得到各种应力比R下的疲劳极限，它对疲劳设计非常有用，无论无限寿命设计或有限寿命设计都必不可少的曲线。如图4.2所示，疲劳极限以内的应力循环下不发生疲劳破坏。在这条曲线以外的点，表示经一定的应力循环数后发生疲劳破坏。图中A点表示对称循环，即应力比R=-1时的疲劳极限，B点表示静强度破坏点，C表示脉动循环破坏，即应力比R=0的疲劳极限。总结：电气设备结构部件寿命出现问题，主要是机械结构的损坏或是应力以及物理性质的变化，针对不同的变化形式，人们采用不同的寿命预测方法。本文深入研究了电气设备结构部件在等幅载荷作用下的疲劳寿命预测方法，具体的介绍了目前国内外常用的寿命预测方法，包括断裂力学方程、人工神经网络方法、应变——寿命预测的方法、应力——寿命预测法等的理论基础和具体评价方法。并且着重研究了应力——寿命预测法。DCσaσmBσbσ-1σ0/2AOStSelogSlogNNjNe参考文献：[1]刘开敏.国外电力设备寿命管理技术动态［J］.中国电力，1997，30（5）[2]王玲玲，王静等.电动机平均寿命的零失效验收方案［J］.应用概率统计，1995，11（4）[3]张卫正，刘金祥，魏春源等.基于发动机受热件热疲劳试验损伤的寿命预测研究.内燃机学报，2002,1(20):92-94.[4]李竞，幕晓冬，尹宗润.基于灰色理论的电子设备寿命预测研究.仿真技术，2009,25(4):243-245.[5]邱立鹏.设备剩余寿命的预测与分析：[硕士学位论文].大连:大连理工大学,2000.