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大庆石油学院硕十学位论文 天然气发电机组耐磨可靠性研究 摘要 本文针对大庆油田第九采油厂油气水处理联合站天然气发电机组( 以下简称机组) 使用过程中滑动轴承副的磨损状况，对机组的使用可靠性进行研究。力争准确地建立机 组的磨损可靠性模型，从而使现场能以此为依据，改进操作规程，合理安排检修周期， 降低机组的检修率及运行和维修费用，最终达到延长机组的使用寿命，提高经济效益的 1 7 的。 油田不同机组的可靠性研究是通过现场取样，以铁谱分析为手段得到发电机组的 磨损数据，对数据进行适当处理后，利用可靠性统计理论，获得机组磨损的统计分布模 型，从而实现对机组可靠性的定性分析和定量评定。还通过油田不同机组的可靠性指标 横向对比，综合评价油田机组工作性态的优劣。通过在各机组间进行母体均值检验及方 差检验，判别各机组问寿命的差异性。 本文通过对铁谱实验取得的磨损微粒图象进行了分析，判断出机组可能的蘑损方式， 进一步掌握机组的工作情况，从而提高机组的可靠性。此外，利用趋势检验的方法，检 验每台机组的磨损趋势。对于趋势增大的机组，应予以高度重视，这对于指导维修，实 现机组最佳运行提供了十分有效和实用的工具。 关键词：天然气发电机组；耐磨可靠性；分布模型：趋势检验：均值检验；方差检验 铁谱分析 a b s l r a c t r e s e a r c ho ut h ew e a r r e l i a b i l i t y o ft h en a t u r a lg a sg e n e r a t i n ge q u i p m e n t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es l i d i n gb e a r i n g sd e p u t y w e a rc o n d i t i o n sd u r i n gu s i n go ft h en a t u r a lg a s g e n e r a t i n ge q u i p m e n t ( t h ef o l l o w i n gs h o r tc a l l e de q u i p m e n t ) i nt h en i n t ho i lp l a n tj o i n t s t a t i o no fd a q i n go i i f i e l d ，t h i sp a p e rr e s e a r c hu s i n gr e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ，a n dt e di t s b e s tt os u p p l yd e t a i l e da n de x a c tw e a rc o n d i t i o n sf o rt h eu s e ro ft h en a t u r a lg a sg e n e r a t i n g e q u i p m e n ts ot h a tt h eu s e l sc o u l dr e d u c et h ec h e c k i n gp e r i o do ft h en a t u r a lg a sg e n e r a t i n g e q u i p m e n ta n dt h ec o s to fu s a g ea n ds e r v i c i n g , i n c r e a s ee c o n o m yb e n e f i tm a k i n gu s eo f i n c r e a s e dt h eu s i n gl i f e t i m eb yo p e r a t i o n a lr e g u l a t i o n s ，a r r a n g e dr e a s o n a b l yt h ep e r i o do f e x a m i n a t i o n a le q u i p m e n t t h i sp a p e rw h oc a r r i e do u tt h er e l i a b i l i t yr e s e a r c ho ft h ed i f f e r e n te q u i p m e n to ft h eo i l f i e l d su s e dt h ee x a m i n a t i o na n dr e s e a r c ho ft h es p o t b ym e a n so ft h ea n a l y s i so ft h e f e r r o g r a p h i c im a k et h ew e a rd a t ao ft h en a t u r a lg a sg e n e r a t i n ge q u i p m e n ta n dp m p e r p r o c e s s i n go f t h ed a t af o rt h i sp a p e r ，t h e n1a c q u i r e dt h es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o nm o d e l so f t h e e q u i p m e n tl i f e t i m eb a s e dt h es t a t i s t i c a lt h e o r ya b o u tr e l i a b i l i t y ，t h u sa c c o m p l i s h e dt h e q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dt h eq u a n t i t a t i v ee l e v a t i o no f t h eu n i tr e l i a b i l i t ya b o u tt h ee q u i p m e n ti a l s oe l e v a t e ds y n t h e t i c a l l yt h eg o o da n db a do ft h eu n i tl i f e t i m eo ft h eo i lf i e l di nv i r t u eo f t r a v e r s ec o n t r a s tt ot h er e l i a b i l i t yi n d e xo ft h ed i f f e r e n tu n i to ft h eo i lf i e l d s ie x a m i n e dt h e d i f r e r e r i c eo fl i f e t i m eo ft h ed i f f e r e n tu n i t si nv i f i n eo fe x a m i n a t i o no ft h es q u a r ed i f f e r e n c e v a l u ea n dt h ea v e r a g ev a l u eo f t h e1 i f e t i m ef a i l u r ed a t ab e t w e e nt h ed i f f e r e n tu n i t t h i sp a p e rc a nd i a g n o s i st h ep r o b a b l ew e a rm e a n so f t h ee q u i p m e n tb yt h ea n a l y s i so f t h e w e a r p a r t i c l ei m a g e s o b t a i n e df r o m f e r r o g r a p h i ct e s t ，a n d k n o wt h eu n i t o p e r a t i o n c o n d i t i o n ，t h u si m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo f t h en a t u r a lg a sg e n e r a t i n ge q u i p m e n t i na d d i t i o n ， u s i n gt h et e n d e n c yt e s tm e t h o d ，w ef o r e c a s tt h ee q u i p m e n tt h ew e a rt e n d e n c yo fe v e r yu n i t t o t h et e n d e n c y i n c r e a s i n g ，w es h o u l dp u th i g h l ye m p h a s i so nt h ee q d i p m e n t ，a c c o r d i n gt o t h e s ew ec a nf o r e c a s ta n dd i a g n o s ew e a rc o n d i t i o ni ns p o t ，d i r e c ts e r v i c i n g ，a c h i e v eb e s t r u n n i n go f s y s t e m k e yw o r d ：n a t u r a lg a sg e n e r a t i n ge q u i p m e n t ；w e a l r e l i a b i l i t y ；d i s t r i b u t i o nm o d e l ；t e n d e n c y e x a m i n a t i o n ；a v e r a g ev a l u ee x a m i n a t i o n ；s q u a r ed i f f e r e n c ev a l u ee x a m i n a t i o n ；a n a l y s i so ft h e f e r r o g r a p h i c l i 大庆石油学院硕士学位论文 1 1 引言 第一章可靠性概述 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时f b j 内，完成规定功能的能力，它是与 性能同样重要、与产品的寿命密切相关的特性之。通过以可靠性作为基本指标， 对产品进行寿命检验、可靠性和安全性评估、结构分析及概率设计等，对提高质量、 促进新产品的开发以及帮助生产单位改进生产管理等起到了积极的作用，对提高设备 有效利用率、降低维修费用、延长其使用寿命保证设备的安全可靠性以及节约能源等 也都具有重要的意义。 1 11 可靠性技术发展简介 由于可靠性技术与国民经济及国防科技密切相关，涉及到巨大的经济效益，因而 在国外倍受重视，并且象计算机和环境科学一样得到惊人的发展。特别是二十世纪六 十年代以来，一些工业发达国家，都意识到今后产品竞争的焦点是可靠性。他们不惜 巨资，在许多领域开展可靠性的研究，使这项技术在许多工业部门得到应用。到二十 世纪六十年代后期，可靠性的一些研究成果己应用于石油机械工程领域。 我国对机械产品可靠性理论和技术的应用研究起步较晚，一九八七年，原国家经 委、机械委、国防科工委、劳动人事部等部委发文 1 9 8 7 1 5 4 1 号文件“关于组织干部参 加可靠性工程与管理电视讲座和函授班学习的通知”，可以看成我国可靠性全面推行的 一个重要转折点。可靠性技术在石油机械中的应用则是在二十世纪八十年代后期才刚 刚起步，通过八十年代以来的引进外国先进技术并加以消化吸收、攻关改革和创新， 使国产石油机械的可靠性在总体水平上有了长足的进步，但仍有较大的差距，针对我 国某些主要石油机械产品故障率高、寿命低等问题，及时开展可靠性技术的应用研究， 从根本上提高石油机械产品的质量已是一项刻不容缓的课题。 目前，我国正处在建设社会主义现代化的关键时期，正处在工业结构改革，由粗 放型经济向集约型经济转变的时期，这就要求我们注重经济效益，注重节约能源资源， 可靠性研究正适合它的要求，因而有很大的发展前景。 11 2 可靠性技术在石油机械工程中妁应用状况 机械可靠性问题的研究始于二十世纪六十年代，他的发展与美国的航天技术相关。 二十世纪六十年代末，它的一些研究理论与方法已迅速应用到石油天然气工业的许多 技术领域内。我国虽然起步较晚，但近些年来，在石油机械工程中也相继开展了可靠 性技术的应用研究，取得了一些可喜的成果。现仅就石油机械工程领域里可靠性研究 的现状作以简要介绍。 目前，各国在应用中涉及的主要技术领域有： 一 兰= 苎里苎堡堡堡 】) 钻井设备 在油气钻探设备系统可靠陛1 o l 题的研究方面，总结了油气钻探设备中主要零部件 的失效模式和原因。建立了石油钻探设备系统可靠性的数学模型，用于使用可靠性的 评定和设计可靠性的预测。并为主要部件制定了无故障率等级。此外，国内就钻机的 可靠性设计作了研究工作，已编制出能反映不同工况的钻机载荷谱，可根据载荷谱进 行钻机的设计。 关于油气钻探设备主要组、部件的可靠性问题的研究，主要集中于两点：一是使 用可靠性问题的评定，如对钻并泵和水泥车用泵的密封可靠性研究。二是可靠性指标 的确定，如关于钻机钢丝绳寿命指标、井口万能防喷器密封可靠性指标的确定等。 2 ) 钻井工具 以牙轮钻头为研究对象，主要研究内容包括对钻头主要元件或结构失效机理的研 究，如轴承及其密封，牙轮钻头可靠性指标的规定、评价方法以及对牙轮钻头可靠性 进行预测等。 3 1 采油设备及工具 对采油设备的研究多数仍集中于对整机或零部件的可靠性评估方面。如对游梁式 抽油机系统常见故障的分析；利用累积损伤理论对大修前抽油机系统最佳寿命和使用 可靠性的研究，并且提出对整机和主要易损伟，如曲柄轴、钢丝绳等可靠性指标的评 定方法。此外，还有大量关于抽油泵和抽油管使用可靠性的研究，如研究了使用因素 对抽油泵及部件可靠性指标的影响：如何利用现场数据确定抽油杆可靠性指标等。而 九十年代末对潜油电泵机组故障树( f t a ) 分析研究也曾有过报道。 舢其它领域 在海洋油气工程中，美、苏两国于二十世纪七十年代末先后提出了以结构可靠性 理论为基础的海上机构可靠性计算理论，海洋水下输油管设计及使用可靠性计算理论。 在油气储运方面，苏联于二十世纪七十年代初，就提出了用于地面油气输送系统 在设计、使用和管理不同阶段的可靠性模型及可靠性评价理论。 在石油加工机器设备领域内，二十世纪七十年代末，美、日、苏等国也有许多研 究成果。我国在这方面也取得了一些有价值的研究成果。 1 2 本课题研究的意义 就本文来说，主要是针对机组整损失效问题进行分析。机组作为重大技术装备， 在油田采油生产中的地位非常重要。作为油田原油生产动力设备，它的运行好坏直接 影响到油田抽油设备、原油输送设备、油田注水设备和其他生产生活设施的运行状况。 因此保证这类装备连续、可靠、无故障工作始终是油田设备管理人员的主要研究工作， 而可靠性是保证整个发电机组可靠性和可用率的关键，本文正是从机组耐磨的角度研 究机组的可靠性，从而可真实、可靠地反映现场机组零件的磨损量与其寿命的关系， 为正确评价现场的使用可靠性提供定量的依据，因此，有助于提高原油采收率，有助 于降低机组的使用和维修费用，具有较高的经济价值。 从研究科学价值意义上讲：机组作为新的能源设备，其磨损机理研究开展的尚不 充分，相应的研究将为机理和磨损形式增添新的内容，有助于对设备实现“状态维修”， 大庆石油学院砸十学位论文 保证设备良好技术状态，保证可靠工作。 1 3 可靠性研究的基本步骤 进行可靠性研究主要是求出可靠度、失效率等可靠性指标，绘出它们随时间变化 的曲线，从而对其进行对比、分析，得出结论。一般采取以下的步骤： 1 ) 建立可靠性数据库( r d b f ) 。收集现场使用寿命数据，并剔除影响可靠性指标 的异常数据，然后建立适合需要的数据库。 2 ) 确定样本数据服从的统计分布。利用统计学知识，对样本数据进行参数估计、 假设检验，确定数据样本服从的统计分布。 3 ) 计算各可靠性指标。根据求得的数据分布，利用相关的统计公式，具体的求解 各可靠性指标。 4 ) 绘制各可靠性指标随时问变化的曲线，并根据所研究的具体问题采取不同的研 究方法，然后进行具体的结果分析，展后得出结论。 1 4 本课题研究内容和研究方法 141 课题研究内容 1 ) 研究电机机组磨损机理与磨损失效形式。 2 ) 现场润滑油质状态监测试验及其油样采集技术。 3 ) 发电机机组磨损量磨损可靠性评估。 4 ) 发电机机组耐磨寿命及可靠性检验。 14 2 研究方法 本课题采用实验，数据分析及理论分析相结合的研究方法。 1 ) 通晓实验设备原理，熟练操作实验设备。 2 ) 采集油样，通过大量铁谱实验，利用可靠性统计理论l jj ，通过对磨损数据的分 析整理”l ，获得机组的磨损数据情况， 3 ) 根据詹粒尺寸和形状，对照铁谱i ”，确定磨损形式。 4 ) 根据所得数据，绘出磨损量与耐磨寿命的曲线图，作可靠性评估。 第二章天然气发电机组试验数据的取得与整理 第二章天然气发电机组试验数据的取得与整理 可靠性数据，是进行可靠性预测的基本资料；也是改善产品质量，改进使用和维 修方法，降低产品成本的重要依据；同时也是可靠性管理中不可缺少的重要资料。数 据分析的目的是定量的把握系统或部件的性状，并把所获得信息反馈到设计、制造或 使用维修中去，以其降低成本、合理的安排使用和维修，从而获得较好的实用价值和 经济效益。 根据现场的实际情况，我们发现机组虽然是可修系统，但是它一次故障停机造成 的经济损失是相当可观的，因此，合理的安排使用和维修，尽量的延长机组的使用寿命， 很有意义。 数据的分析过程大致可分为数据收集、统计分析、信息反馈和帮助决策【6 j 。 数据分析主要是对数据进行处理，因此取得数据是基础工作。可靠性数据的获得 可以通过收集数据和可靠性试验得到。本文所得的数据是通过笔者亲自作实验获得的， 利用采油九厂理化实验室的旋转铁谱仪对现场采集的油液进行铁谱分析实验，得到机 组的磨损数据。反馈的信息都是从数据中获得的，所以对所得的数据有较高的要求， 既要避免信息的浪费，又要避免不准确的数据带来多余的信息，而实验所得的数据往 往因为一些人为因素或环境的差异，而不完整、不准确，因此非常有必要对收集的数 据进行一定的处理。 2 1 天然气发电机组概况 为了获得准确的数据和可靠性的研究，除了实验的操作准确外，我们还必须了解 机组的相关情况。采油九厂的发电机组均为济南柴油机股份有限公司生产的新型 1 2 v 1 9 0 d t - 2 天然气发动机。该机型是以天然气为燃料的火花塞点火式发动机，是在 原z 1 2 v 1 9 0 b 型柴油机的基础上发展起来的变形产品。 与z 1 2 v 1 9 0 b 柴油机相比，1 2 v 1 9 0 d t - 2 天然气发动机取消了柴油机的燃油系统， 增加了空气与天然气的混合系统和点火系统，采用电子调速器；强化了安全防爆措施。 在发动机的左、右进气管部和曲轴箱观察盖处，分别设有防爆门，同时曲轴箱观察盖 处还装有呼吸器，随时把进入曲轴箱的可燃性气体引向室外。 1 2 v 1 9 0 d t - 2 的主要技术参数如下： 1 ) 发动机气缸直径：1 9 0 m m ，活塞行程：2 1 0 m m ； 2 ) 发动机标定持续功率：4 9 7 k w ； 3 ) 天然气压力：7 8 1 3 8 k p a ： 4 ) 发动机润滑油牌号：s a e l 5 w 4 0 ： 5 、发动机涧滑油容量：3 6 0 l ； 6 1 发动机润滑油换油周期；1 0 0 0 h ，环境不良时应缩短为2 5 0 小时； 大庆石油学院硕士学位论文 7 ) 润滑方式：压力润滑和飞溅润滑； 8 ) 机油消耗率：1 6 3 9 k w h ； 9 1 空燃比 1 8 5 2 0 m 3 m 3 ； l o ) 发动机第一次大修周期：1 8 0 0 0 h ( 厂家提供) ； 1 1 ) 主油道机油压力：3 9 2 7 8 4 k p a ； 1 2 1 压缩比：8 ：l ； 1 3 1 排气温度：6 5 0 ； 1 4 ) 冷却方式：强制水冷； 1 5 ) 曲轴箱防爆门开启压力：1 5 0 k p a ； 1 6 ) 进气管防爆门开启压力：2 8 0 k p a ； 】7 ) 发动机出水温度：9 0 ； 1 8 ) 油底壳机油温度：9 0 ； 1 9 1 发电机型号：4 0 0 g f t k ； 2 0 ) 转速：1 0 0 0 r p m ； 2 1 ) 发电机额定电压：4 0 0 v ： 2 2 ) 发电机额定电流：7 2 2 a ： 2 3 1 发电机功率因素：o 8 ( 滞后； 2 4 1 稳定调速率：0 - 5 可调； 2 5 ) 机组净重质量：5 3 0 0 k g ： 2 6 ) 机组外形尺寸：2 6 7 0 m m 1 5 8 8 m m 2 3 6 6 m m 22 油液分析技术 油液分析法是通过分析被监测机器的润滑油性能和润滑油中的磨损颗粒情况，从 而获得润滑油性能指标变化和油中磨损产物的变化状况，并蛆此来评定机械的磨损程 度或诊断相关故障的技术过程。 油液分析法主要包括对润滑油性能的分析和对油中磨损颗粒的分析。它主要适用 于低速重载、环境恶劣( 如振动大、噪声多、激励源多) 、往复运动和采用液体或半液 体润滑剂且以磨损为主要形式的机械设备监测中。 各种机械部件由其表面的摩擦而引起磨损，随着运行时间的增加，磨损量必然会 增大，过量的痦损必然会导致机械的严重事故，在一般机械零件的失效中，磨损失效 占了7 0 8 0 。因此，了解机件的磨损状况很重要。而润滑油中所含的磨损颗粒则携 带着运转器件的大量信息，已有研究证明，处于不同磨损时期( 磨合磨损期、正常磨损 期、异常磨损期) 的机器所产生的磨损微粒在形态特征上存在着较明显区别；不同磨 损机理( 粘着磨损、磨料磨损、表面接触疲劳、腐蚀磨损) 作用下所产生的磨损微粒 特征( 形状、尺寸、表面形貌、数量、分布等) 也存在着较大差别：不问运动形式和 不同材质的摩擦元件所产生的磨损微粒在形态特征和材料组成上也有着显著的不同： 不同环境条件和工作条件下，即便是同种机器，所产生的磨损微粒在特征上也会存在 区别。因此，通过对磨损微粒形态( 包括宏观与微观上的) 、数量、尺寸分布等特征的 分析，能够查明机器润滑与磨损故障的模式、程度及机器所处的状态，确定故障发生 一笙里丕鉴皇垄皇垫望堕壁墼塑箜壁堡兰些型 的原因，从而为进步的设备维修决策提供依据。由于润滑油样的采集可以在不停机、 不解体的情况下较为方便地进行，故对油液中磨损微粒的分析可在机器运行的同时动 态实施。实践证明，只要方法得当，油液中磨损微粒的分析能够在故障发生的早期便 发现潜在的或正在出现的问题。这对于设备预防性维修具有特殊的意义。 目前，油液分析法主要的测试手段有常规的理化分析、铁谱分析、光谱分析、颗 粒计数、磁塞等。最常用的方法是使用铁谱技术来长期监测机械的磨损状况。对天然 气机组的监测应用的是铁谱技术。 2 21 铁谱分析技术 铁谱分析技术是一种利用高梯度的强磁场使悬浮于润滑介质( 润滑油) 中的磁性 微粒，按尺寸大小依次沉积在透明载体( 谱片) 上，用铁谱显微镜观察谱片上沉积的 微粒，根据其形态、分布情况、大，j 、数量和表面形貌等特征，判断设备运动零部件 的磨损状态和部位的技术。在正常运转的机械中，由干各个机械零件之间的相对运动， 从相互摩擦的表面上将不断产生一些金属微粒( 磨损颗粒) 并进入润滑油中，这些微 小的磨粒携带有机械设备发生磨损状况的重要信息，通过铁谱分析可对润滑油中的磨 损颗粒进行观察、分类、测量和分析，从而判断机械运动零部件的磨损状态和发展趋 势预测零部件失效和设备的检修时间。 该技术己在铁路、船运、机械、航空、化工、冶金、矿山等行业的重要设备的日 常管理维护、预测性维修、可靠性分析和寿命预测等方面得到广泛应用。铁谱分析技 术所提供的信息最丰富。一方面，它可以通过测定润滑剂中的磨粒数量和磨粒尺寸分 布来判断机器的整体磨损水平及机器的可靠性程度；另一方面，可通过对磨粒形貌的 观察，了解机器的磨损型式及磨损发生的具体部位进而确定磨损的危害程度，预测可 能造成的影响。 铁谱技术被用来分析机器的磨损时，用磨损烈度指数z s 爿) 上2 一掰来评定机器运 转状况对磨损的影响。我们知道。机器趋向失效时，磨损颗粒的总产生率以及大、小 颗粒产生的差值都显著增加。磨损颗粒沉积成铁谱图后，大颗粒主要出现在铁谱图上 油的入口处( 距出口约5 6 m m ) ，小颗粒主要出现在离入口较远处( 距出口约5 0 m m ) 。 因此，在公式中i s = d l t - - d s z 中d l 是入口位置沉淀物( 大颗粒) 覆盖砸积的百分比读 数，玩是在距出现约5 0h i m 处覆盖面积的百分比读数( 小颗粒) 。( 仇+ d s ) 为磨损 颗粒总数量，颗粒总数量的迅速增加，尤其是大小颗粒之比值的迅速增大，表明严重 磨损的开始。如果磨损是剧烈的，大颗粒读数将比小颗粒读数大得多，因此，参数( d l 队) 可作为不正常磨损的一个标志。 在铁谱分析中，使用铁谱仪主要有分析式铁谱仪、直读式铁谱仪、旋转式铁谱仪 和在线式铁谱仪。我们利用的是旋转式铁谱仪。旋转式铁谱仪是用注射器式输送管把 油样输送到塑料基片中心上，基片利用定位套定位并使用橡胶密封带固定位置。放置 在磁铁上的基片和磁铁装置一起，通过传动轴用可调速的驱动装置带动回转，油样中 的磨屑在磁力和离心力的作用下沉淀并排列在基片上形成一系列同心羽。然后用四氯 乙烯洗涤谱片上的颗粒，干燥后取出谱片。 查壅至塑堂堕堡主兰篁丝兰 2 2 ，2 铁谱分析实验步骤 1 ) 选择要监测的设备： 2 ) 收集相关设备的原始技术资料，包括设备的基本构造关键摩擦副的工作条件结 构润滑方式典型失效形式和主要材料组成设备在用润滑油的技术规范设备的主要技术 性能指标工况条件和设备使用环境等方面的内容。收集充分的原始技术资料，对于诊 断过程做出正确的判断十分重要； 3 ) 根据设备种类工作情况监测主要目标及润滑系统的结构等，制定监测计划确定 取样及样品储运规范，包括确定分析的内容方法和取样方法取样频率取样位置取样量 等。合理的取样和储运规范应保证能够取得有代表性的油样且在样品运输傈管过程中 不会造成信息失真； 4 ) 依据取样规范在监测设备上提取有代表性的油样： 5 ) 依据储运规范对油样进行保管和运送： 6 ) 油样处理，如对样品进行加热稀释： 7 ) 按制定项目分别对油样进行分析，取得试验数据结果； 8 1 试验数据处理与分析： 9 ) 根据试验分析结果，结合已掌握的信息，对设备的磨损状态进行评估。 2 23 铁谱分析操作技术 1 ) 取样技术 任何一个正常运转的机器，其系统中的磨损颗粒浓度必然要达到动态平衡状态。 当颗粒平衡状态遭到破坏时，则意味着机器状态的改变，因此，取样操作首先必须保 证所取的油样含有能反映机器工况变化的磨损颗粒，才能通过铁谱分析作出正确的判 断。否则，油样失去代表性，就可能导致对机器状态作出错误的判断 ( 1 ) 取样位置 在机器润滑系统中的不同位置，磨损颗粒分布情况差异很大。在 某些位置，如过滤器前后或油箱上下部位，颗粒数量与尺寸分布相差悬殊。因此，应 遵循下述要点选择取样位置： a 应始终在机器同一位置取样。 b 循环润滑系统的管线中取样，应在润滑油流经全部摩擦副之后，即在过滤器之 前取样。 c 若油管粗而流速低，应避免从管低部取样。 d 如从油箱中取样，应考虑颗粒沉淀的影响。若停机后取样，取样位置在油面下 的深度应随停机时间延长而增加；应避免在死角处取样， ( 2 ) 取样时间 取样时间的选择要着重考虑颗粒沉淀的影响，一般应遵循下述要 点： a 若从油箱中取样，应尽可能在机器运转时进行，若不可能则应在停机后立即取 样。 b 若从润滑管道中取样，则必须在机器运转时取样。 c 应选择在机器同一状态下取样； d 机器必须处于正常工作温度； 第二章 灭然气发电机组试验数据的取得与整理 e 避免在紧接换油后取样； f 不得在补进大量油液后取样。 ( 3 ) 取样频率所谓取样频率，是指相邻两次取样相差的机组的机组运行时间 间隔。确定合理的取样频率十分重要，取样间隔太短，必然造成不必要的资源浪费， 增加成本；取样间隔过长，则可能漏掉可监测的故障。因此，一般要考虑下述几方面 的因素： a 机器在跑台阶段应增加取样频率，以便及时发现不正常现象，保证正常跑合； b 进入正常磨损阶段后，取样间隔可加大。 ( 4 ) 取样工具取样工具包括安装在润滑管线上或油箱中的取样阀、管等以及抽 样工具、储样瓶等。对其主要要求是： a 置于管线或油箱中的永久性取样、阀管等，在取样前应放掉两倍于残留油体积 的油样保证所取油样中不含有上次取样时的残留油样； b 抽样器、储样瓶应经清洗、烘干； c 储样工具应不被油样腐蚀、溶解； d 储样瓶最好采用浅色、透明、带四氟乙烯帽垫瓶盖的玻璃瓶； e 不应超过储样瓶容积的3 4 ，以便在铁谱分析前把油样摇晃均匀。 考虑以上因素以及根据1 2 v 1 9 0 d t - 2 发动机的结构特点，参考国内外类似机组的 监测经验，确定机组的监测取样规范如表2 1 所示。 2 1 样品存储、保管和处理 f 1 ) 样品存储和保管要求： 用于盛放油样的样品瓶必须有较强的耐油性，样品瓶必须保证干净、干燥，不允 许有其它杂物，瓶盖要有很好的密封效果，确保样品在储运过程中不被其它外界物质 污染、避免样品直接长时间与空气接触。样品在储运过程中的任何污染和氧化变质都 会使分析结果失真，从而导致错误的诊断结论。 a 品瓶材料：聚四氟乙稀； b 容量：2 5 0 m h c 分析前保管时间：不超过3 0 天。 ( 2 ) 样品预处理方法 在对样品进行分析之前，必须经过预处理，预处理过程包括如下内容： a 将样品在恒温箱中加热至6 0 0 c 左右，并保温3 0 分钟； b 样品应经过充分混合，必要时可使用搅拌器； c 粘度稀释：使用适当比例的四氯乙烯与润滑油样品混合； d 必要时对样品进行浓度稀释，以确保仪器读数位于线性范围； e 当所取样品中的磨粒主要为非铁磁性材料。或者需要专门对非铁磁性材料进行 分离时，需在样品中加入磁化液。 大庆石油学院硕士学位论文 表2 - 1 12 v 19 0 d t 一2 天然气发电机润滑油取样规范 t a b l e2 - 21 2 v 1 9 0 d t - 2t h el u b r i c a t i n go i lt a k e n 项目内容说明 取样位置油标口 取样频率 1 6 8 小时 机组磨损严重时，需缩短 取样状态机组运行状态若刚起机，应稳定运行半小时 取样量5 0 1 0 0 毫升 取样方法取样枪法 取样记录机组编号、机运行时间、换油时间、取样日期、取样状态、取样位置 23 磨损数据异常值检验 课题数据来自实验，可能由于某种原因出现异常情况，如条件的改变，记录过程 出现的差错等，反映在实验结果上出现了异常数据。这种异常数据与样本的其他数据 有显著的差异，如不剔除这些异常数据，就会给统计结果带来错误，因此必须首先进 行异常数据的剔除。 当一批数据中出现异常数据时，是否将其作为异常数据，一般有两种情况：一种 可能是异常情况是由于数据内部随机变化引起的，如果是这样，这些异常情况的数据 就不能作为异常数据，应该保留下来：另一种可能是这些数据确实为异常数据，应予 以剔除。 异常数据的剔除方法一般有两种方法一是通过技术、物力、管理上的方法； 二是通过统计检验的方法。本课题主要采用统计检验的方法。 2 3 。1 指数分布异常数据的检验 对于符合指数分布的数据，其最大值和最小值晟可能成为异常数据，而且它们对 样本分布规律的影响也最大，所以我们采用检验最大值、最小值是否是异常数据的方 法进行异常值检验。 为了使所需的原始数据符合检验的要求，我们对其进行必要的排序处理，即令 z ( 1 ) 爿( 2 ) 五3 1 a x ( 。l ； 并规定显著性水平为a = o 0 5 ，检验高度异常值时a 取0 o l 。 1 ) 检验最小值是否是异常值 假设t ，为最小值，考虑累计时间： 五= 峨 第二章天然气发电机钼试验数据的取得与整理 瓦= t + ( n k 一1 ) t ； = f 。+ ( n r ) t ， 可以证明，当总体服从指数分稚时 等( 2 ) ，1 2 ( t r - 一t 0 z 2 ( 2 r _ 2 ) ( 2 - 1 ) 且相互独立，因而他们的比 ! 堡二互! e ：( 2 r ，- r 2 ) 0 ：毒杀( 一，2 ，an )(2-2)1 2 正 p 一1 ) 正 、 一 7 2 0 服从f ( 2 r 一2 ，2 ) 分布，当f 。异常地小时，f 值将很大，因而对于给定的显著性水平口， 如 e e 一。( 2 r 一2 ，2 ) ( 2 - 3 ) 则判定t ，是异常值( 异常小值) 。 假如不仅f 异常小，则可类似地求f 比，且 疋= 篱”，一， 服从f ( 2 ，一4 , 4 ) 分布，对于给定的显著性水平口，如 曩一。( 2 r 一4 , 4 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 则判断f ：也是异常值。 阻此类推，如要检验前k 个数据是否是异常数据，可采用统计量 e = 器( ，- ，”) ( 2 - 6 ) 且r 服从f ( 2 r 一2 k ，2 k ) 分布，对于给定的显著性水平a ，如 r 只一。( 2 r 一2 k ，2 k ) ( 2 - 7 ) 则判断前面 个数据都是异常值。 2 ) 检验最大值是否是异常值 此检验是对于完全样本考虑的。如有n 个产品进行寿命试验- 到n 个全部失效试 验结束，得磨损数据为 t 1 t 2 a t 。 0 检验f 。是否为异常值，当n 1 0 0 ，采用统计量 大庆五油学院硕士学位论文 l ( n ) = o( 2 8 ) t 。_ 对于给定显著性水平口，如 l ( n ) 正。( 月) ( 2 - 9 ) 则判断t ，为异常值。 当i - 1 0 0 时，采用统计量 e ( 。) ：譬挲! 二盟 ( 2 _ 1 0 ) 乞r 。“ 对于给定的显著性水平a ，如 f ( n ) 一。( 2 ，2 n 一2 ) ( 2 - 1 1 ) 则判断t 为异常值。 检验完原始样本的最大值和最小值后，对得到的新样本可以采取相同的做法检验样 本的最大值和最小值是否为异常值，这样一步步的做下去直到没有异常值为止。 2 3 2 截尾正态分布与对数正态分布异常数据的检验 1 1 截尾正态分布异常数据的剔除 采用由拉依达( p a n t a ) 提出的三倍标准差判别法。 此方法先对样本求样本均值： i = ( 纠 弘- 苟 以及每个个体对样本均值的误差，即残差： q = z 。一i ， i = l ，2 ，n 。( 2 1 3 ) 然后再计算出样本标准差： r 2 - 1 4 ) 三倍标准差方法的判别准则认为： 如某个观测值z 。的残差e j ( i j n ) 满足下式： 蚓 3 s ( 2 1 5 ) 则x ；是含有粗差的异常数据，应予以剔除。 在剔除已找出的异常数据后，对余下的数据按上述准则继续进行计算、判别和剔除， 直到不再有异常数据。 2 ) 对数正态分布异常数据的剔除 对于对数正态分布，因为它的数据为原样本数据取对数而得到，且其均值、方差 的计算方法，同正态分布的计算方法相同，因而可把正态分布的异常数据看成对数正 态分布的异常数据。 i i 第二章天然气发电机组试验数据的取得与整理 2 33w e b u l l 分布异常数据的检验 对于w e i b u l l 分布，假定产品的失效时间为： t l t 2 a f ，a t # 要检验假设 h 。：t 。，f ：，r ，f 。都是服从两参数的威布尔分布。 将失效时间作对数变换x - h a t ，于是 x 1 x 2 a x 。 假设日。等价于x 。，爿：，x 。都是服从于极值分布 _ ( ) = 1 一e 1 。 ( 一 x 巧。( 2 ，2 r 一4 ) ( 2 - 2 2 ) 时，可以认为“是异常地小。 2 3 4g a m m a 分布异常值 目前，国内外尚未有g a m m a 分布的专用的异常数据处理方法，因此我们采用目 前较流行的t 检验准则，它具有严格精确的特点，是一种较好的剔除异常数据的方法。 我们知道统计量 r = 兰华( 2 2 3 ) s 一” 服从自由度为n 一1 的f 分布。为了将r 分布应用于单个观测值，以便对其误差的变异情况 做出判断，可以将上式改写成： r ：生! ( 2 2 4 ) s 由于目前我们尚不知的值，现在我们用样本均值孑代替它。为了估计更为准确， 应该先把可能的异常值t 排除在外，在计算出j 和样本标准差s ，并将式t = 兰：华修改 s v ” 为： r = 季年； ( 2 2 5 ) yv 了 式中的随机变量，将服从自由度为 一2 的f 分布。因此对于给定的风险率口，i 临界值为 a r ( 要，n 2 ) ，则有： p i ，i 爿r ( 薹；n 一2 ) = 口 ( 2 _ 2 6 ) 成立。 由此可得到判别于剔除异常数据的检验准则为：当可疑的观测值；满足下式时： 卜i | a r ( 詈；州j 当( 2 - 2 7 ) 则x ，应被视为异常值而予以剔除。若x ，为异常值，将它剔除后，对余下的n 一1 个值重 复采用上面的方法，直到不再有异常值。将备机组异常值剔除情况列于表2 - 2 中 2 35 异常值检验过程中相关分布的程序化计算 在进行异常值检验的过程中，我们用到了正态分布、伊分布以及f 分布的统计值， 一般在使用它们时，都是从分位数、分布函数用表中查取，但由于本论文数据量较大， 表中所给数据不足以满足需要，同时也是为了使软件更具有通用性我们给出了这些数 据表的程序化计算。下面将程序的计算过程说明如下： 1 ) 正态分布函数的计算 正态分布密度函数的计算直接按定义计算，即： 第二章天然气发电机组试验数据的取得与整理 砸净去e 譬- - o o 十f x o ) + f r g o 乒萋。 解之得 - 苎e 幽书s 孑2 型型， 或等价的有 ：! 兰鱼!。 一f 沁妒x ) ) 2 - - 2 r ( x o ) f ) 由问题的意义，只应取实根。因此当根号内取负值时，改令 = 剞 或等价地 = 两- 2 f ( x o ) 。 f 2 3 3 ) r 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) f 2 3 7 ) f 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 此外，根号的正负选择应保证较小。亦即当f g ) o 时，式中分子的根号取 正( 或分母根号取负) ；当f b ) o , b o 分布函数是 ( 口，6 ) = k 1 。，x a _ l ( 1 一z 尸出 与下侧概率p 对应的分位数x 。0 ，6 ) 满足方程 p h 6 ) _ 未两x ”1 ( 1 叶广。出= pl 瓦厕3 u 1 ，“2 p ( 2 4 f 2 - 4 1 ) 第二章天然气发电机组试验数据的取得与整理 t o + 1 ，6 ) = g 弓【，；( 口，6 ) ，；0 加1 ) = ，( o * ) - b u ，( “，6 ) 虬6 ) 也( ，6 学x q “) 也如，6 等( h ) ( 2 4 3 ) 式中：，o ，6 ) = o - - - 南x 4 ( 1 一x 户。这里只考虑a 和6 都是；整数倍的情形，这时 递推初值为 6 斗1 ( 抖6 忙k 瓜 l 上 l ( 1 ，1 ) = x u j= 丢硐 啦t _ ；- 4 ；0 _ 玑( t 劳争瓜 u ，( 1 ，1 ) = x o x ) 4 ) 口分布分位数的计算 若口是昙或1 ，有下式直接计算 ( 2 - 4 4 )