（工程力学专业论文）潜油电泵轴的可靠性分析与设计.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 潜油电泵轴可靠性分析与设计 摘要 潜油电泵轴是电泵采油设备中的重要零件，在电泵机组中起着传递扭矩的作用，将来 自电机的扭矩通过矩形键传递给泵内的每一级叶轮，同时，经花键轴将扭矩传递给上一节 泵。如果它出现故障，将迫使整个机组停机，进行维修，严重影响油田的正常生产。因而， 开展潜油电泵轴可靠性分析与设计的研究，使产品的设计更加合理，可靠性更高，具有重 要的理论意义和实用价值，必将产生良好的经济效益和社会效益。 本文在潜油电泵轴数据收集与统计分析方面主要工作有：利用概率论与数理统计知 识，对收集的泵轴数据进行分析、处理，建立影响泵轴失效因素的统计模型；利用故障树 分析法，找到系统的最薄弱环节及故障树顶事件的发生概率，完成潜油电泵轴可靠性的定 性分析和定量评定。编制了可靠性数据收集软件，应用该软件收集泵轴的基础数据。 在潜油电泵轴的可靠性设计方面主要工作有：在常规可靠性设计准则的基础上，考虑 影响泵轴失效的不确定性因素，建立应力、强度干涉模型；在对泵轴进行受力分析的基础 上。建立潜油泵轴相应的有限元模型，利用a n s y s 软件进行求鳃以获得泵轴整体结构的 应力分布图，利用a n s y s 的p d s 后处理，进行潜油电泵轴单个设计变量评定及多个设计变 量相关性的研究，利用概率灵敏度，使设计对象在质量和可靠性不变的条件下成本更低。 上述研究工作的开展及取得的成果进一步深化了泵轴可靠性分析和设计理论，对提高潜油 电泵机组的可靠性研究也有一定的借鉴作用。 关键词：潜油电泵轴统计模型有限元模型可靠性设计概率灵敏度 故障树 摘要 r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n dd e s i g no f t h es h a f to fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m p a b s t r a c t t h es h a f to fe i e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pi sa ni m p o r t a n tp a r ti no i le x t r a c t i o n e q u i p m e n t ，i tt a k e so nt o r q u et r a n s f e r i n gi nt h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i t ， s u c ha st r a n s f e r r i n gt o r q u eo fe l e c t r i cm o t o rt oe v e r yi m p e l l e rw i t hr e c t a n g l e b o n d o rt ot h eu p p e rp u m pw i t hs p l i n e t h ef a i l u r eo ft h es h a f tw i l l l e a dt o e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i tt os t o pw o r k i n g ，a n dt h i si sv e r ys e r i o u sf a u l t w h i c hw i l la f f e c to i lp r o d u c t i o n t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fr e l i a b i l i t ya n a l y s i s a n dd e s i g no ft h es h a f to fe l e c t r i es u b m e r s i b l ep u m pw i l lm a k ed e s i g no fp r o d u c t i o n r e a s o n a b l e ，h i g h e r t e l i a b i l i t y ，w h i c hw i l lo w na ni m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c e a n dp r a e t i c a lv a l u e a sar e s u l t 。e c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i e t yb e n e f i tw i l lb ea l s o o b t a i n e d i nt h i sp a p e r t h em a i nw o r k si nd a t ac o l i e e t i o na n ds t a t i s t i c sa n a l y s i so f t h es h a f to fe l e c t r i cs u b m e r s i b i ep u m pa r e ：t h ec o l l e c t e dd a t ao ft h es h a f to f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pa r ea n a l y s e da n dd e a l e db ym e a n so fp r o b a b i l i t yt h e o r y a n ds t a t i s t i c a lt h e o r y ，a n ds t a t i s t i c a lm o d e lo fi n f l u e n c i n gf a i l u r eo fs h a f to f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pi se s t a b l i s h e d ：b ym e a n so ff a u l tt r e ea n a l y s i s ，w ef i n d o u tt h em i n i m a lc u t s e t so ft h es y s t e ma n dc a l c u l a t eh a p p e n e dp r o b a b i l i t yo ft h e t o pe v e n to ff a u l tt r e e ，q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t eo ft h e s h a f te l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pa r ef i n i s h e d a tl a s t 。t h es o f t w a r eo fc o l l e c t i n g r e l i a b i l i t yd a t ai sc o m p i l e d ，w i t hw h i c ht h eb a s i cd a t ao ft h es h a f to fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m pi sc o l l e c t e d t h em a i nw o r k si nr e l i a b i l i t yd e s i g no ft h es h a f to fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p a r e ：b a s e do nt h en o r m a lc r i t e r i o no fr e l l a b i l i t yd e s i g n i n t e r f e r e n c em o d e lo n s t r e s sa n di n t e n s i o ni se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gu n d e t e r m i n e df a c t o ra f f e c t i n g f a il u r eo ft h es h a f to fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p c o r r e s p o n d i n gf i n i t ee l e m e n t m o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i st ot h ef o r c e ds t a t u so ft h es h a f to f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p b ym e a n so fs o l u t i o no fa n s y ss o f t w a r e 。t h ei n t e g e r s t r e s sd i s t r i b u t i o nf i go ft h es h a f to fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pi so b t a i n e d ， t h er e l a t i v i t yb e t w e e ns i n g l ed e s i g n e dv a r i a b l ea n dm u l t id e s i g n e dv a r i a b l ei s r e s e a r c h e db yu s i n ga n s y sp d sa p p l i c a t i o no f p r o b a b i l i t ys e n s i t i v i t ym a k e p r o d u c t c o s tm o r ec h e a pu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ei n v a r i b i l i t yq u a l i t ya n d r e l i a b i l i t y ，d e v e l o p i n gt h e s er e s e a r c hw o r ka n do b t a i n i n gt h p s e sa c h i e v e m e n tw i l l f u r t h e rd e v e l o pa n a l y s i sa n dd e s i g no fr e l i a b i l i t yt h e o r y k e yw o r d s ：t h es h a f to fi m m e r s i b l ee l e c t r i cp u m p s t a t i s t i c a lm o d e lf i n i t e e l e m e n tm o d e l r e l i a b i l i t yd e s i g np r o b a b i l i t ys e n s i t i v i t y f a u l tt r e e 第一章绪论 1 1 研究工作的目的和意义 泵轴、止推轴承等易损零部件是潜油电泵的重要组成部分，在潜油泵采油过程中，这 些零部件发生失效将导致整个机组停机。据统计，对机组进行维修，其作业费用与电泵的 修理费用之和同一套潜油电泵价格相当“。此外，机组的意外停机还会导致油层工作失调， 机绍投入正常生产后，需要几天的时间才能恢复正常状态。另一方面，随着潜油电泵在大 斜度定向井和水平井中的进一步应用，由于工作环境和条件发生变化，潜油电泵机组及其 易损零部件泵轴的可靠性问题，成为制约其工作性能发挥的重妻因素之一。因此，研究潜 油电泵机组泵轴的可靠性，具有重要的工程应用价值。本课题拟f 开展泵轴失效数据的收集、 统计分析、处理，并应用可靠性理论，确定泵轴的主要失效形式，寻找控制失效的主要途 径。 本课题的完成，为泵轴可靠性分析和设计提供理论依据和计算手段，将使电泵轴的产 品设计更加合理，必将产生良好的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状 可靠性问题的提出，起源于美国航空设备中的电子管，1 9 5 2 年美国成立了电子设备可 靠性咨询委员会”1 ，从此可靠性技术发展成为- f 独立的工程学科。 二十世纪六十年代末，可靠性理论与方法己迅速应用到石油天然气工业的许多专业领 域内。可靠性技术在美俄两国石油天然气领域的应用处于领先地位，主要涉及的工程方面 有钻井、采油、油气储运、海洋石油装备等。 6 0 年代可靠性技术开始在机械中应用。在通用零件方面，滚动轴承的批量大、工艺成 熟，最早引用了可靠性概念，制定了额定寿命的可靠性指标并付诸实现。目前，可靠性技 术在机械设计中的应用己深入到结构设计、机械零件的强度和寿命设计、选材和失效分析。 与世界先进工业国家相比，我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中，相继颁布了一批 机电产品的可靠性指标，随着可靠性数据的不断积累和整理，机械可靠性设计将得到更为 广泛的应用和发展。 针对潜油电泵机组易损零部件的可靠性问题，美国在设计及管理方面做了大量的研 究，已经实现潜油电泵机组易损零部件的可靠性设计及可靠性管理的全过程，在很大程度 上提高了潜油电泵机组的使用寿命；俄罗斯主要在潜油电泵机组易损零部件的可靠性评定 方面做了较多的研究工作，但在可靠性设计方面的研究相对比较落后。在国内，胜利油田 率先开展潜油电泵机组易损零部件评定研究工作，目前，针对潜油电泵机组易损零部件的 可靠性设计问题正在成为各国科技人员关注的重点。 1 3 本论文的主要研究内容和方法 l 、对影响泵轴疲劳断裂的设计参数、加工和装配数据、材料选择与处理工艺、失 效n 0 的抖下t 作条件、工况等资判进行收集整埋。 2 、咀概率论和数理统计为基础，运用d e p h i 软件对数据进行分析、整理。确定 各随机变量的分布规律、数字特征。 3 、建立泵轴失效故障树，对其进行定性、定量分析。通过定性分析得到泵轴失效 的薄弱环节，以便有什对性的进行改进：通过定量分析，得到各最小割集的结构重要 度及泵轴可靠度的定量计算。 4 、以工程力学、有限元法和机械设计理论为基础，应用a n s y s 软件建立泵轴的概 率有限元分析模型，探讨失效控制的主要途径和完成泵轴的可靠性设计。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章电泵轴可靠性现场实验与数据收集 2 1 可靠性数据收集的来源及方式 可靠性数据是可靠性技术分析的基础。与其他产品性能数据相比较，第一，可靠性数 据是用时间表示的量，为了观测到产品的失效( 故障) 不仅需要相当长的时间，而且如何 去抽样，观测到何时结束等一开始就应充分考虑到；第二，可靠性数据是高价的数据，由 于它是以产品的故障时间为收集对象，因此收集数据工作的繁重和试验费用之大是可以想 象的。既然可靠性数据的收集需要相当的费用和时间，就必须科学地、有计划地收集来自 实验室数据和现场试验数据，以便从中提取尽可能多的有用信息。 2 1 1 实验室数据 在实验室内对产品进行模拟寿命试验，测定故障发生的时闸及各种信息，再对所测数 据进行分析，通常应考虑以下几方面： 1 、随机抽样与样品数量 为了使样本具有代表性，抽样不能凭人们主观愿望去选取，而应随机地选择试验产品， 即随机抽样，这样就不会产生抽样的片面性问题。由于可靠性数据收集，是一项既花钱又 费时的工作，如何选择合适的样品数量，来推断母体的性质，历来是可靠性实验中研究的 课题之一。通常由产品的价格和试验的复杂程度来决定试验的样品数。 对于生产数量少、价格高、测试复杂的产品，只能少抽一些。而大量生产、价格低、 测试简单的产品可以多抽一些。通常子样数”2 0 时称为小子样，子样数的多少将影响试 验结果的精度。 2 、试验方式 寿命试验通常可以分为： 1 ) 完全寿命试验。这种试验进行到投试样品全部失效为止。一般机械零件的疲劳试 验是全寿命试验，它可以给出可靠的完燕数据。 2 ) 截尾试验。又称为不完全试验，所提供的数据是不完全的，这种试验可以分为： a 定时截尾试验。 试验进行到规定的时间，o 时停止，即投试样数玎和试验时间气是 常数，而产品失效数 ，是随机变量。规定的“时间应保证产品有足够的失效数。 b 定数截尾试验。试验进行到规定失效数玎，时停止，即撩入试验样品数月及失效数 ，是定值，而失效时间“是随机变量。 定时截尾和定数截尾试验，都含有观测中断数据，即运转了某些时间，尚未发生故障 的数据，这种包含中断的数据，称为不完全数据。采用截尾试验可以节约时间，较快地提 供数据与分析结果。它主要用于电子产品、滚动轴承的寿命试验。 截尾试验还分为有无替换两种。试验中被试验的样品每当一个失效时，就立即由一个 第二章电泵轴可靠性现场试验与整理 新的替换上去，试验过程中样品总数”始终保持不变，这就是有替换的截尾试验。反之， 如果在试验过程中失效样品撤下来后不再补充新的，只对残存的样品继续进行试验，直到 符合规定的要求为止，就称为无替换截尾试验。 2 1 2 现场数据 通过现场使用或现场试验收集产品的故障数据是可靠性数据的重要来源。可靠性要求 产品在实际使用中不容易发生故障，现场数据恰好反映了实际使用中的可靠性，可以说是 符合要求的数据，但是现场使用的产品工作条件差异很大，实际使用的时间也不相同，因 而存在各种条件下不同的数据，为了避免收集的数据不完全或是错误信息，应注意采用正 确的收集方法。 1 ) 制定出产品正常工作与故障判别标准 生产者与使用者以及操作人员与维护人员对同一产品的故障定义，往往看法不一，为 整理出情况大约一致的数据，必须拟定出统一的故障含义与判据。 2 ) 应注意随机抽样 既不要仅调查发生故障的产品，也不要把故障特大特多的除外，而应随机地使总体中 的每个个体都有同等被抽到的机会。 3 ) 产品对象范围要明确 可靠性分析对象( 产品) 的范围要明确和统一，否则容易发生差错。如调查某一种机 床的可靠性数据时，如果有的记录收集了电气控制部分，有的却忽视了这一部分，这样的 数据就不一致了。 4 ) 产品使用、维修条件不同应分类收集 同一产品由于应力、环境条件( 外力、温度、季节) 不同，使用方法、维修方法、维 修条件不同，失效部位和失效次数以及失效的性质都不一样，所以，应针对不同情况分类 收集数据。 2 2 可靠性数据收集的准则 数据本身的质和量直接影响数据的分析结果。在数据收集过程中，由于现场环境、人 为管理等多方面的原因，其数据的不确定性也很大，因此当数据在满足一定量的基础上， 对质的要求是至关重要的。因此数据收集应满足以下基本要求： 1 真实性 数据的真实性是其准确性的前提，因此对产品发生失效的时机、原因、失效现象及造 成的影响应有明确的记录。由于技术水平及其它条件的限制，失效记录不等于准确记录， 还需进一步的分析与判断。 2 连续性 可靠性数据有可追溯性的特点，随着时间的推移，它反映了产品的可靠性趋势，因此 为了保证数据的可追溯性，要求数据的记录连续。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 3 完整性 为了充分利用数据对产品可靠性进行评估，要求所记录的数据应尽可能的完整，即对 某一次失效或维修时间的发生，包括失效产品本身的使用状况及该产品的历史及送修、报 废等都应尽可能地记录清楚，这样才有利于对产品的可靠性进行全面的分析。 2 3 潜油电泵轴失效数据的收集 经现场调研发现，泵轴的断裂多数发生在泵轴两端的花键遵渡段( 如图2 1 ) ，为此， 根据可靠性收集的准则、方式、方法，从影响泵轴失效的设计，化学成分、加工尺寸、机 械性能、表面质量、使用环境等方面对大庆力神泵业公司2 0 0 3 年6 月至2 0 0 5 年1 2 月的 潜油电泵轴数据进行收集与整理，样本数n = 3 0 ，失效数r = 1 5 。统计结果如下表： 图2 - 1潜油电泵轴的断裂部位 f i 啦- 1r u p t u r ep o s i t i o no f t h es h a ro f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p 表2 - 1 泵轴一几何尺寸数据表 t a b l e2 - 2 g e o m e t r i c a ld i m e n s i o nd a t ao f t h es h a ro f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p 序花键 花键内径 花键花键平键泵轴泵轴的花键内 号宽度 过度圆角 外径内径槽宽度直径直线度径同轴度 l4 _ 30 21 7 41 4 5l 61 7 40 1 60 0 5 24 3o 21 7 41 4 51 61 7 4o 1 60 0 5 第二章电泵轴可靠性现场试验与整理 6 表2 - 2 泵轴一机械性能数据 t a b l e2 - 1m e c h a n i c a lc a p a b i l i t y o f t h es h a f to f e l c c t r i c is u b m e r s i b l ep u m p 抗拉强度屈服强度延伸率弹性檩量冲击韧度 序号 m p am p a呼衄j e m l 9 6 56 0 71 9 2 5 2 0 6 0 0 01 0 0 29 6 86 8 52 02 0 6 0 0 01 0 1 39 6 26 8 52 02 1 0 0 0 01 2 l 4 9 6 56 4 52 12 0 0 0 0 01 3 4 5 9 0 36 8 73 22 0 1 0 0 01 0 0 61 0 1 57 5 3 2 6 6 6 72 0 6 0 0 01 2 1 79 6 56 0 72 1 6 6 7 2 1 0 0 0 01 3 4 89 7 76 1 22 3 3 3 2 0 0 0 0 01 0 0 99 6 87 5 32 6 6 6 7 2 1 0 0 0 09 8 l o9 6 26 4 92 3 5 2 0 6 0 0 01 3 2 1 1 9 6 86 1 22 02 0 7 0 0 01 0 4 1 2 9 6 26 5 8 1 9 2 1 0 0 0 0 1 0 7 1 39 6 5 6 8 52 02 0 0 0 0 01 1 7 1 4 9 0 3 6 8 9 2 0 2 0 3 0 0 0 1 0 0 1 51 0 1 56 0 92 0 2 0 7 0 0 0 9 4 1 69 7 76 8 91 9 32 1 0 0 0 01 3 2 1 79 6 56 4 92 3 52 0 0 0 0 01 0 0 1 89 6 86 8 92 02 0 7 0 0 01 0 4 1 99 6 26 5 81 92 0 6 0 0 01 0 2 2 09 6 56 5 81 92 1 0 0 0 01 0 1 2 19 6 56 5 81 92 0 3 0 0 01 0 0 2 29 6 56 5 81 92 1 0 0 0 09 9 7 2 39 6 8 6 1 22 02 1 0 0 0 01 0 0 2 49 6 26 8 72 1 6 6 72 0 0 0 0 01 1 7 2 59 6 86 5 71 9 6 6 72 0 6 0 0 01 0 8 2 6 9 6 2 6 4 9 2 3 s 2 0 6 0 0 0 4 2 79 6 5 6 8 72 1 6 6 7 2 0 7 0 0 0 1 1 1 2 8 9 6 5 6 4 5 2 2 2 5 2 0 7 0 0 0 1 1 2 2 99 6 56 5 8 1 9 2 0 3 0 0 01 0 4 3 09 6 5 7 0 7 2 1 6 6 72 1 0 0 0 01 0 5 大庆石油学院硕士研究生学位论文 序号 m n a l n i c u c s s i 2 3 0 6 3 o 2 7 0 标准值 0 50 2 5o 0 1o 5 3 1 56 93 3 0 1o 7 12 46 7 0 62 9 6 8 0 2 30 0 0 4 60 3 4 2 0 4 62 56 5 ，3 72 9 7 50 2 40 0 0 4 60 4 7 30 4 62 36 5 3 7 2 9 7 50 2 20 0 0 4 60 4 7 4o 6 12 76 6 1 82 8 5 2 0 1 9o 0 0 1 80 0 9 8 s1 o l 2 96 4 3 l2 9 7 6o 1 6 0 0 0 4 6o 3 2 6o 6 6 2 86 5 3 83 0 3 40 2 50 0 0 4 6o 1 5 70 5 4266 6 8 13 5 2 90 2 4 0 0 0 4 60 0 9 4 80 5 l2 _ 3 6 6 5 3 2 8 3 6 0 2 10 0 0 4 60 0 8 1 90 6 62 86 5 3 8 3 0 、3 4o 2 l0 0 0 4 6o ，1 5 1 00 ，82 66 6 4 33 0 1 90 0 5 70 0 0 3 40 0 4 6 1 10 5 52 9 6 5 5 52 8 6 50 20 0 0 4 60 1 1 1 2o 7 72 66 4 6 42 9 7 7 0 20 0 0 4 60 1 6 1 30 4 62 46 5 3 72 9 7 50 2 20 0 0 4 60 4 7 1 40 4 92 46 5 5 72 8 4 80 2 20 0 0 1 80 2 8 1 5 0 4 9 2 5 6 5 5 72 8 4 80 2 10 0 0 1 8o 2 8 1 60 5 42 4 6 5 82 9 6 1o 2 1o 0 0 1 8o 2 2 1 70 82 56 6 4 33 0 1 9 0 0 5 7 0 0 0 3 40 4 6 1 8 0 4 92 56 5 5 72 8 4 8o 20 0 0 1 80 2 8 1 90 7 72 46 4 6 42 9 7 7o 2 3o 0 0 1 80 1 6 2 0 0 7 7 2 66 4 6 42 9 7 70 2 40 0 0 1 80 1 6 2 10 7 72 8 6 4 6 42 9 7 70 20 0 0 1 80 1 6 2 2o 7 72 9 6 4 6 42 9 7 7 0 1 8 0 0 0 1 80 1 6 2 30 5 12 ，86 6 5 32 8 3 6 0 1 9 0 0 0 1 80 0 9 1 2 4 0 5 4 2 56 6 8 1 2 9 3 5o 20 0 0 1 80 0 9 4 2 50 6 42 46 6 32 8 3 4o 20 0 0 1 80 0 9 7 2 60 82 | 36 6 4 33 0 1 9o 2 3o 0 0 1 8 0 0 9 7 2 70 6 42 46 6 32 8 3 40 20 0 0 1 80 0 9 7 2 8o 82 3 6 6 4 3 3 0 1 9 0 2 30 0 0 1 80 0 9 7 7 第= 章电泵轴可靠性现场试验与整理 8 表2 4 泵轴一加工质量数据表 t a b l e2 - 4 s u r f a c eq u a l i t yd a t ao f t h es h 撕o f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p 序检测夹偏网状加工带状裂纹折表面 斑 表面 号表面 质 析裂纹应力组织与划痕 叠 硬度痕粗糙度 1s u f a c e ln o n on 0 n on on on o2 6 3n o 6 - 3 2s u f 认c e ln o n on 0n on 0 n on o2 6 3n o 6 3 3s u f a c e l n on on o n o n on on o2 6 3n o6 3 4s u f a c e ln on 0 n on on on o n o2 6 3n o6 3 5s u f a c e 】n on o n on on on on o2 6 3 n o6 ，3 6 s u f a c e ln on on on on on o n o2 6 3n o 6 3 7s u 队c e ln on on o n on on o n o2 6 3n o6 3 8s u f a c e ln o n on o n on on on o 2 6 3n o6 - 3 9s u f a c e ln on on o n 0n on on o2 6 3 n o6 3 1 0s u f a c e ln on on on o n on on o2 6 3 n o6 3 1 1 s u f a c e ln o n on on on o n on o2 6 3n o6 3 1 2s u a c e ln on on o n on on on o2 6 3 n o6 3 1 3s u f a c e ln 0n on on on o n on o2 6 3 n o6 3 1 4s u f a c e ln on o n on o n on on o2 6 3n o 6 3 1 5s u f a c e ln on o n on on o n on o2 6 3n o 6 _ 3 1 6s u e c e 】n on o n on on on o n o2 6 3n o6 3 1 7s u r c e ln on 0 n on on on on o 2 6 3n o6 3 1 8s u f a c e ln on on o n on on on o2 6 3 n o6 3 1 9s u f a c e ln on on on on o n on o2 6 3n o 6 - 3 2 0s u f a c e ln o n o n on on on o n o2 6 3n o 6 3 2 1s u f a c e ln o n o n on on on o n o2 6 3n o 6 3 2 2s u f a c e ln on on o n on on o n o2 6 3n o6 3 2 3 s u f a c e l n o n on on on o n 0n o2 6 3 n o6 3 2 4s u r c e ln o n on o n 0n 0n o n o2 6 3n o6 3 2 5s u f a c e ln o n on o n on 0n on o 2 6 3n o6 3 2 6s u f a c e ln o n 0n o n on on on o2 6 3 n o6 3 2 7s u f a c e ln on o n o n o n on on o 2 6 3n o6 3 2 8 s u f a c e l n on on o n on o n on o2 6 3 n o6 3 2 9 s u f a c e ln on o n o n o n on 0n o2 6 3 n o6 3 3 0s u f a c e ln o n on o n on o n 0n o2 6 3n o 6 3 注：检测表面s u r f a c e l 表示花键的过度段表面 大庆石油学院硕士研究生学位论文 表2 - 5 工作环境因素数据表 t a b l e2 - 5 w o r k i n ge n v i r o n m e n td a t ao f t h es h a f to f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p 序号密度温度含水气液比泵挂深度扬程 + 排量 电机转速 1 0 8 6 4 4 69 4 12 1 7 8 8 2 3 l8 8 2 3 11 6 02 9 0 0 2 o 8 6 4 4 69 6 82 1 7 8 8 2 3 l8 8 2 3 19 92 9 0 0 3o 8 64 4 69 1 72 1 78 8 2 3 11 0 0 02 2 l2 9 0 0 40 8 64 4 69 1 61 2 2 8 9 1 5 6 1 0 0 0 1 6 02 9 0 0 50 8 64 4 69 4 31 2 28 9 1 5 69 7 29 9 2 9 0 0 60 8 64 4 6 9 7 5 1 2 2 8 9 1 5 69 7 22 2 12 9 0 0 70 8 64 4 68 9 81 28 8 8 6 71 4 0 01 6 0 2 7 5 0 8 o 8 6 4 4 6 9 3 61 28 8 8 6 71 4 0 01 6 02 9 0 0 90 8 64 4 69 42 5 8 8 8 6 79 7 21 6 03 0 5 0 1 00 8 64 4 68 4 82 59 8 7 0 19 7 21 3 22 9 0 0 1 10 8 64 4 67 1 72 5 9 8 7 0 11 3 0 01 8 82 7 0 0 1 2o 8 64 4 68 9 22 5 9 8 7 0 11 3 0 02 0 02 9 0 0 1 3o 8 64 4 ，68 7 28 1 9 8 7 0 1 9 8 6 4 1 2 02 9 0 0 ， 1 40 8 64 4 69 6 98 l9 5 7 0 89 8 6 41 3 2 3 1 0 0 1 5o 8 64 4 69 4 18 l9 5 7 o g9 5 5 9 51 8 82 9 0 0 1 60 8 64 4 69 6 88 19 5 7 0 89 5 5 9 51 6 02 9 0 0 1 70 8 64 4 69 1 71 0 59 7 2 4 29 2 3 8 31 6 02 9 0 0 1 80 8 64 4 69 1 61 0 59 7 2 4 29 2 3 8 31 6 02 9 5 0 1 90 8 64 4 69 7 51 0 5 9 2 5 3 6 8 8 41 5 5 2 9 0 0 2 00 8 64 4 68 9 88 19 2 5 3 68 8 41 6 0 2 8 5 0 2 10 8 64 4 69 3 68 19 5 7 4 88 9 4 11 6 8 2 9 0 0 2 20 8 64 4 6 9 4 2 1 79 5 7 4 88 9 4 11 6 82 9 0 0 2 3o 8 64 4 6 8 4 8 2 1 7 9 6 3 9 98 5 7 9 21 6 22 9 0 0 2 40 - 8 64 4 67 1 72 1 79 6 3 9 98 5 7 9 21 5 72 9 0 0 2 5o 8 64 4 68 9 21 2 29 7 5 0 59 2 5 3 31 5 8 2 8 5 0 2 60 8 64 4 68 7 21 2 29 7 5 0 59 2 5 3 31 6 0 2 9 0 0 2 70 8 64 4 69 7 51 2 29 6 1 8 61 2 0 01 6 02 9 8 0 2 8o 8 64 4 69 3 61 2 29 6 1 8 61 2 0 01 6 02 9 0 0 2 9 o 8 64 4 68 4 8 1 29 6 4 1 51 0 3 31 6 22 9 8 0 3 0o 8 64 4 68 9 21 29 9 6 3 31 0 3 31 5 82 9 0 0 从统计的数据中可以看出。泵轴的化学成分、表面质量均日达到设计标准；而与潜油 电泵轴结构可靠度有关的几何尺寸、机械性能、工作环境等基本参数的数据需进一步分析、 整理。 9 第三章潜油电泵轴失效数据的分析与整理 第三章潜油电泵轴失效数据的分析与处理 从实验室和现场收集到的可靠性数据必须进行分析按理，才能获得有用的信息，为可 靠性设计和评价提供必要的参数，如产品寿命、几何尺寸、材料妊度以及载荷等随机变量 的分布规律与参数等，为此就要运用数理统计的方法，对试验和观测的结果进行统计分析。 3 1 数据收集中遇到的问题 数据的收集主要是从现场试验中获得的，因为它是产品在使用条件下观测到的实际寿 命数据，最能说明产品的可靠性水平。当然，取得大量的实验数据来判断分布类型是最好 的，但常常由于技术水平及其它条件的限制，许多几何尺寸、强度等失效数据无法获得， 在缺乏数据的情况下，可按如下处理： 3 1 1 几何尺寸的分布与参数确定 经大批实测数据的统计处理表明，各种几何尺寸，如长度、直径等，均较好的服从正 态分布。在数据缺乏的情况下，其均值为公称尺寸，因为正态分布有一重要特性，即数据 偏离三倍标准差的可能性很小，概率为0 2 7 ；而数据落在心士3 0 。区间的概率为 9 9 7 3 ( 图3 1 ) ；这表明正态随机变量的值几乎均落在这一区间。因此，标准差可按下述方 法得到，假定尺寸的偏差d 和尺寸的标准差0 - 。有如下关系： d = 3 0 - d ( 3 1 ) 由于尺寸的公差等于最大尺寸与最小尺寸之差，或等于上偏差与下偏差的代数差，因 此公差d = 6 ，即： 盯。= 詈 ，f d ) 一 o “i “刖1 “：卜，i 图3 - 1 所5 ：3 0 - d 区间所对应的面积 f i 9 3 1 t h e a r e a b e t w e e n 鼬d + 3 0 - d a n d 甜d - 3 0 - d ( 3 - 2 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 由表2 - 1 看出，潜油电泵轴实际的几何尺寸数据缺乏，分布参数无法确定，因此，按上述 方法计算锝到泵轴几何尺寸的分布参数如下： 表3 - 1 潜油电泵轴几何尺寸的参数估计 t a b l e3 - 1 p a r a m e t e re s t i m a t i o no f g e o m e t r i c a ld i m e n s i o no f t h es h a f t o f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p 公称尺寸 均值d 名称上偏差下偏差公差占 标准差吼 ( r a m ) ( m m ) 花键外径 1 7 4+ 0 0 5 一o 0 8 0 1 3 1 7 40 0 2 2 花键内径 1 4 5+ 0 0 5o 0 80 1 31 4 50 0 2 2 花键内侧过度圆角 0 2 5+ o 0 0 5 0 0 0 5 0 0 l 0 2 50 0 0 1 6 7 花键宽4 3 + 0 0 2 o 0 3+ o 0 54 30 0 0 8 3 3 1 2 强度的分布与参数的确定 要是传递扭矩，强度计算时，需要泵轴的抗扭强度。在缺乏实验数据的情况下，可用以下 f 强度的均值 ur = 毛瓦 l 强度的标准差q = k 1 3 - 3() 式中：瓦为材料拉伸机械特性的均值，即强度极限的均值p 。和屈服极限盯，的均 值。，它们可从实验中来，也可直接从手册中查得：为材料拉伸机械特性的标准差， 即强度极限气的标准差口。和屈服极限的标准差玎。，南为哥及载荷特性及制造方法的 铲鲁 ( 3 4 ) 式中：毛为按拉伸获得的机械特性转为弯曲或扭转的文献0 3 中的表7 - 5 选用，查得 占。= o 6 ；转化系数，对钢质材料可按参考 占：为考虑材料制造中存在不均匀性及内部缺陷的影响系数，对于锻件或轧制件， 第三章潜油电泵轴失效数据的分析与整理 根据参考文献 3 取岛= 1 1 。 由表2 - 2 计算得泵轴的抗拉强度极限的均值。、标准差盯。；屈服极限仃，的均值 。、标准差盯。分别为： p 。，2 9 6 5 m p a ，o - ，b 。7 7 2 ，“，= 6 8 9 m p a t o - a ，2 5 5 1 2 根据第四强度理论将屈服极限值代入公式( 3 - 3 ) 得泵轴抗扭强度的均值和标准差： a = 3 7 5 8 2m p a 盯，= 3 0 0 6 3 2 数据收集中异常值的检验 通过对实验数据或现场数据的抽样观察，可以得到研究对象的某些统计信息，这些信 息般蕴藏在观测资料和数据之中，需要对它们进行必要的取舍与整理，以便为统计分析 研究提供依据。在整理过程中，如果怀疑有异常值，或与实际经验不相符等，就有必要对 它的取舍先进行统计推断，剔除掉异常值后再作迸一步整理“1 。 在异常值的判断中，通用的规则是；如果有l o 个以上的数据，若其中有一个值落在 区间【_ 一4 s ，i + 4 s 2 _ 夕b ，则可将其视作异常值而加以剔除。值得指出的是，在- , t g f 4 a k n 值牙和标准差s 时，不得使用被怀疑为异常值的数据。 表3 - 2 可以用来检验样本容量h x ： “，样本容量m 2 5 时，用统计 量 = i 爿 ( 3 - 5 ) 将计算结果与表3 - 2 中的样本g i n 相应的值比较，若t l 值大于表中的值，则判断五为异 常值。若t t 值小于表中的值，则判断x 、不是异常值。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 表3 - 2 异常值检验表( ” 2 5 ) t a b l e 3 2v e r i f i c a t i o no fa b n o m a lv a l u e ( 聆 2 5 ) 样本容量n l23 45681 0 1 5 统计量王二三 l