摘要：潜油电泵轴是机械采油设备的重要基础零件。如果它出现故障将迫使油田停产进行维修，严重影响油田的正常生产。因而，其可靠性研究受到人们的高度重视。故障树分析法是系统可靠性分析的一种重要方法，是围绕最不希望的故障状态作层层追踪分析，以最清晰的图形方式反映出系统的内在联系，暴露出系统的最薄弱环节，并在必要的数据和工具支持下，对系统作进一步的定性、定量分析。
关键词：潜油电泵轴；可靠性；
潜油电泵机组的检修周期是油井生产中重要的技术经济指标之一，对潜油电泵机组的研究大多针对机组中各部件逻辑功能关系构建可靠性模型为串联系统，在生产过程中，任何一个部件发生故障都将导致油井停机修理，其中泵轴是发生故障率最高的电泵主要部件之一。因此，研究潜油电泵泵轴运行可靠性、分析其故障分布规律，对提高机组运行周期、减少维修费用有着重要的意义。
一、基本思路
潜油电泵机组中零部件的可靠性过程具有不可逆性、有序性、不稳定性和积累性等特征，鉴于上述情况，可靠性分析不是简单的从果求因过程，是一个复杂的分析过程。为此，本项目进行分析的基本思路是：a 坚持整体观念原则，把机组和环境作为一个系统来考虑；尽可能大胆设想机组的失效件可能发生哪些问题，环境条件可能诱发失效件发生哪些问题，人为因素有可能使失效件产生哪些问题，应逐个列出失效因素和由其所导致的失效结果，并逐个核对排查，从整体考虑列出重要因素。b坚持统计分析原则，从统计观点出发选择多个可靠性来研究，而不是选择一个具体可靠性进行分析，对于那些由特殊原因引起的可靠性（如金属存在初始缺陷）不作为分析对象；只有通过多个可靠性的失效分析，才能分析和评价出零部件可靠性的共性原因，便于改进和控制零部件的失效。c 坚持立体性原则，应用系统工程中的三维结构方法来综合分析机组的零部件；逻辑维是从机组到零部件的设计、材料选择、加工制造、装配和储运、井下使用条件来分析可靠性；时间维是按分析程序的先后开展调查、数据统计、观测或检测、试验或模拟直至结论；知识维是全面应用分析知识、可靠性工程、潜油电泵设计与制造技术、采油工程等相关领域的知识进行可靠性分析。
二、潜油电泵轴可靠性分析
1.故障树分析方法。在分析潜油电泵轴的失效方式前提下，创建潜油电泵的故障树。将泵轴的失效当作故障树的相应顶事件，首先要查找直接造成顶事件出现的所有要素以及因素组合，其通常由断裂和表面损伤以及异常变形的三个一级的中间事件构成。其次，查找造成第一步中各一级的中间事件出现的直接原因，循此格式慢慢向下演绎一直到查找出所有的基本事件位置，同时应用相关逻辑符合进行有效连接。首先是下行方法，原则就是针对各个输出事件，如果下面是或门，就把此或门先的各个输入事件各自排成一行；如果下面为与门就把此与门下的全部输入事件排成同一行。下行方法的主要步骤如下，在顶事件开始后，应该由上向下逐级进行，针对各个结果事件要重复上述原则，一直到全部的结果事件全部处理，获取的各行基本事件集合就是故障树一个割集。但是需要注意的是如果、为任意的两个割集，同时如果普通的集合包含关系为，而并不是最小的割集，应该舍去，对此应该经过两两相比较，有效保留其中户不包含的割集，也就是最小的割集。其次是下行方法。各个步骤就是应用集合运算准则实现简化，而算到最后的就是最小割集。
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2 潜油电泵轴的概率法设计。零件的可靠性主要指零件在设计与运行环境下对抗失效的能力，或是零件的设计目标应该在一定范围之内，确保零件危险断面相应最小强度不可低于最大的应力，否则零件就会因为难以满足可靠性的需求从而发生失效。其中应力与强度并不确定，主要由大量的随机变量构成多元的随机函数，其存在一定的分布规律。此种应力——强度具体分布状况，从某个角度而言，业余时间要素存在一些关系。而应力强度具体分布和时间之间的关系如图2 所示，若是时间这时应力和强度分布就存在一定距离，并不会发生失效，可是在时间的不断推移下，因为环境和应用条件等相关要素的影响，导致材料的强度出现退化，而在时间处在时，应力的分布和强度分布出现了影响，从而就有可能造成失效。一种干涉面积本质上就是零件失效发生可能性的大小。一般情况下，将此种干涉称为应力——强度的干涉模型。其中零件的可靠性主要指在规定的时间之内以及规定的有关条件下，零件实现规定的功能概率。除此之外，应力s 与强度中两个分布重叠面积，尽管体现出失效的可能性，但是难以当作是小概率相应定量。由于分布已经完全重合，且消失概率是安全概率。可靠度是故障树分析中一个重要的数量指标，在这里根据布尔当量故障树逻辑功能关系，通过对现场数据的统计分析，计算出各最小割集发生的概率。进而可求出顶事件发生的概率。
3.分析结果。以下是通过对潜油电泵公司在大庆油田应用时的失效机组系统和易损零件（泵轴、叶导轮、扶正轴承、连接螺栓）进行了数以万计的数据统计后得到的结果。大部件的故障占整个机组系统的综合）和（保修期内），其可靠度由小到大的次序为电机、保护器、电泵和分离器。在这大部件中可靠度需要增长的零件主要有：泵轴、叶导轮、扶正轴承、胶囊、保护器轴。考虑到现有技术和失效的危害性，最终选择泵轴、叶导轮、扶正轴承和连接螺栓进行失效分析与评价。根据机械产品寿命分布规律，对所采集的数据进行了威布尔分布假设性检验，不同条件下的检验结果在整个分布假设性检验中，样本数据均取为截尾试验数据，并采用极大似然估计法进行参数估计。通过对易损零部件的失效模式统计数据可以得到：泵轴的主要失效模式是磨损失效，占整个失效件的发生的部位主要在泵轴的轴承处、连接花键外端部和键槽处。叶导轮的失效模式主要是磨损失效，占整个失扶正轴承的主要失效模式是磨损失效，发生的部位主要在连接接头的接触处。泵轴的强度极限、屈服极限很大，加工倒角的尺寸误差及表面质量引起的应力集中现象较为明显，疲劳极限下降率较高，易于引起泵轴过早断裂。与统计分析的结果是一致的。依据以上的分析，为提高泵轴的使用寿命，提出以下建议构件的最大应力发生于表层，疲劳裂纹也多在表层生成。表面加工的刀痕、擦伤等将引起应力集中，降低泵轴的疲劳极限。因此对泵轴花键易于断裂的部位应进行表面处理。含砂量、含气量、温度、介质、腐蚀等环境因素也会影响泵轴的疲劳极限，因此要按照工作环境指标严格控制。构件结构的突然变化（如：泵轴的轴肩、花键槽等）易于引起应力集中，形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限降低。因此，对泵轴关键部位的结构尺寸要严格把关。
创建潜油点泵轴相关故障树，查找所有可能造成电泵轴出现失效的要素和其最小割集，分析各个基本事件对潜油电泵轴效造成的影响程度。经过对电泵轴的故障树分析，明确电泵轴出现失效的薄弱环节，从而为机组的安全运行提供有效依据，提升潜油企业的经济效益。
参考文献：
1 张宗元.潜油电泵轴断裂失效分析[J].理化检验—物理分册，2018，36（1）：34~36.
2王士良.QBASIC 常用算法程序集[M].北京：清华大学出版社，2017.
3 孙志礼，陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2017.
论文作者:邹颖1,孙庆江2,佟银波3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/22
标签：可靠性论文; 电泵论文; 应力论文; 机组论文; 故障论文; 事件论文; 零件论文; 《基层建设》2019年第24期论文;