機(jī)械系統(tǒng)實(shí)施主動維修的方法研究

姚陸鋒,王建中

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430033)

與其它維修理論不同,主動維修并不是從研究故障出發(fā)來規(guī)劃維修活動,而是進(jìn)一步地從研究“故障根源”出發(fā)來規(guī)劃維修活動[1]。

對機(jī)械系統(tǒng)實(shí)施主動維修,不僅僅包括如何全面認(rèn)識系統(tǒng)的故障誘因及其表征信息、如何探測系統(tǒng)故障誘因、如何采取維修措施消除誘因等問題,還包括如何有效利用監(jiān)測手段包括監(jiān)測的時機(jī)、儀器、間隔周期等,及時準(zhǔn)確的查找故障誘因,如何確定維修規(guī)則等,所以需要對各個環(huán)節(jié)的問題進(jìn)行分析,找出解決問題的方法。由此可以看出機(jī)械系統(tǒng)實(shí)施主動維修是一個復(fù)雜的過程。

1 相關(guān)的工作分析

分析相關(guān)工作的目的是從主動維修的根本出發(fā),逐層次分析在機(jī)械系統(tǒng)或設(shè)備實(shí)施主動維修時所遇到的不同環(huán)節(jié)的問題,以形成機(jī)械系統(tǒng)實(shí)施主動維修的方法思路。

消除系統(tǒng)或設(shè)備所存在的故障誘因、截?cái)喙收线M(jìn)程,是實(shí)施主動維修的根本。在系統(tǒng)或設(shè)備工作過程中,對其采取的主動維修措施是否有效、能否消除故障誘因、截?cái)喙收线M(jìn)程,取決于系統(tǒng)或設(shè)備會不會遇到這種故障誘因的。不同的使用條件和環(huán)境條件都會使機(jī)械系統(tǒng)或設(shè)備所遇到的故障誘因各不相同,因此,只有正確辨識出系統(tǒng)或設(shè)備可能遇到的故障誘因,才能夠確保主動維修的有效性。

當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備的所有可能遇到的故障誘因確定后,如何探測系統(tǒng)或設(shè)備在工作中所存在的故障誘因及其大小,取決于故障誘因會有什么表征。故障誘因的表征是故障進(jìn)程中誘因的信息反饋,其與誘因之間存在必然的聯(lián)系,通過獲取這些誘因的表征信息,為判定誘因是否存在提供依據(jù)。

如何獲取系統(tǒng)或設(shè)備在工作時的那些表征誘因大小的信息,取決于可以使用的監(jiān)測方法和手段的有效性。有效的對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測獲取誘因表征信息,應(yīng)合理選擇監(jiān)測對象和監(jiān)測要求,即明確對系統(tǒng)和設(shè)備的哪些部件和位置進(jìn)行監(jiān)測;應(yīng)合理利用監(jiān)測儀器,即明確針對不同誘因用何種儀器進(jìn)行監(jiān)測;應(yīng)合理選擇監(jiān)測時機(jī),即明確在何時對系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測;還應(yīng)該知道監(jiān)測周期,即在多少時間間隔內(nèi)來進(jìn)行監(jiān)測。

是否采取維修措施對系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行維護(hù),取決于基于監(jiān)測征兆所判定的故障誘因的種類和大小。誘因的存在和大小直接反映著故障進(jìn)程發(fā)展的速度,如果誘因的大小達(dá)到了能加速系統(tǒng)或設(shè)備故障進(jìn)程的幅度,就要采取主動維修措施,控制故障進(jìn)程。然而,由于監(jiān)測儀器所探測到的表征誘因大小的探測值不能直接為故障進(jìn)程發(fā)展速度提供判據(jù),所以還需要進(jìn)一步對故障誘因的表征與其自身量值的大小建立一種定量關(guān)系,利用誘因表征的探測值推算誘因的大小,為維修策略的制定提供依據(jù)。

根據(jù)以上分析,在實(shí)施機(jī)械系統(tǒng)的主動維修時,首先應(yīng)全面認(rèn)識系統(tǒng)可能遇到的故障誘因,然后分析故障誘因會產(chǎn)生的各種表征,繼而研究通過何種監(jiān)測診斷技術(shù)獲取故障誘因各種的表征信息,判定系統(tǒng)是否已經(jīng)遇到了可能加速故障進(jìn)程的誘因,以便于在系統(tǒng)的材料和性能退化之前及時來制定維修策略,消除系統(tǒng)故障誘因,截?cái)喙收线M(jìn)程,恢復(fù)和保持設(shè)備的穩(wěn)健運(yùn)行狀態(tài)。顯然,這樣復(fù)雜的工作必須通過合理的工程化方法步驟來實(shí)現(xiàn)。

2 主動維修實(shí)施步驟

在前述基本思路的基礎(chǔ)上,從工程實(shí)踐的層面上,還必須考慮實(shí)施主動維修的必要性問題。實(shí)施主動維修要看是否有適用的、經(jīng)濟(jì)的、有效的“主動維修”措施;同時,是否實(shí)施主動維修要看故障影響、故障后果是否有必要,過早的 “主動維修”措施有可能使零部件的壽命無法得到充分利用。所以,它特別適用于可靠度要求比較高的關(guān)鍵設(shè)備或部件。

根據(jù)相關(guān)工作分析的結(jié)果,可得到機(jī)械設(shè)備實(shí)施主動維修的方法步驟。

2.1 分析設(shè)備或系統(tǒng)可能的故障誘因及其衡量指標(biāo)

對機(jī)械系統(tǒng)或一臺設(shè)備實(shí)施主動維修,首先應(yīng)考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境及所遇到的故障誘因,此時要進(jìn)行的工作包括下面兩個方面的內(nèi)容。

1)分析系統(tǒng)可能的故障誘因。

通過對系統(tǒng)故障機(jī)理的分析,列出系統(tǒng)的故障誘因列表,對故障誘因的分析必須詳細(xì)。故障機(jī)理分析是尋求機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生故障的實(shí)質(zhì)原因,其與機(jī)械系統(tǒng)的類型、使用條件和運(yùn)行的環(huán)境是密切相關(guān)的。對一般機(jī)械系統(tǒng)故障機(jī)理分析可以得出機(jī)械系統(tǒng)故障的產(chǎn)生主要來源于系統(tǒng)工質(zhì)、零部件、材料等特性的變化,工質(zhì)特性包括污染、泄漏、化學(xué)、物理、氣蝕等方面,材料、零部件特性包括外部因素、內(nèi)部因素[2]。此外,還需要對系統(tǒng)所處的環(huán)境條件對設(shè)備運(yùn)行狀況的影響進(jìn)行分析,得出可能引起系統(tǒng)故障的誘因。

2)建立能夠反映故障誘因大小的定量指標(biāo)。

故障誘因列表中的一種或多種故障誘因存在于系統(tǒng)時,需要確定不同的故障誘因達(dá)到何種程度后,就會加速設(shè)備的故障進(jìn)程。通過對故障誘因建立起的定量指標(biāo)來衡量故障誘因的大小,以確定各種故障誘因與設(shè)備故障速度之間的關(guān)系,及其加速故障進(jìn)程的特征量,為故障進(jìn)程的控制提供定量指標(biāo)。例如,有些反映零部件性能的指標(biāo)可以根據(jù)其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系,轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)特征參數(shù)進(jìn)行指標(biāo)量化。

對于公路橋梁工程而言，其處于交通運(yùn)輸網(wǎng)的核心位置；確保其應(yīng)用質(zhì)量的提升對于社會發(fā)展具有重大影響。因此就其保養(yǎng)和加固而言，強(qiáng)制性是其較為典型的特征所在[2]。其主要體現(xiàn)在兩個層面：①公路橋梁施工管理中，國家從法律法規(guī)的角度對其進(jìn)行指標(biāo)規(guī)范，確保樂養(yǎng)護(hù)加固的高標(biāo)準(zhǔn)。②新時期，人們對于公路橋梁應(yīng)用的安全要求不斷提升，其也要求工程建設(shè)單位必須進(jìn)行高度嚴(yán)格的公路橋梁養(yǎng)護(hù)和加固。

2.2 分析各種故障誘因的表征

系統(tǒng)存在的故障誘因有時并不會引起明顯的材料或零部件性能下降,但如果任其繼續(xù)發(fā)展,就能形成引起故障的條件。所以,實(shí)施主動維修的前提條件,應(yīng)查找出系統(tǒng)存在的故障誘因。

當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備存在故障誘因時,如何確認(rèn)故障誘因的存在,是一個關(guān)鍵性的問題。故障誘因往往具有一些表征信息,例如設(shè)備零部件振動誘因的存在,其表征信息是設(shè)備零件之間對中或平衡與否等,而并非設(shè)備振動的異常。通常即使故障誘因不明,而故障誘因的表征信息即系統(tǒng)的根源性參數(shù)仍是可以監(jiān)測到的。所以在實(shí)施主動維修過程中,可以根據(jù)故障誘因的表征信息來獲取系統(tǒng)存在哪些故障誘因,方法是根據(jù)第一步中所建立的故障誘因列表,羅列出各種故障誘因的表征,建立故障誘因表征的特征信息庫,為探測誘因表征信息的方法提供相應(yīng)的依據(jù)。

2.3 分析探測故障誘因表征信息的方法

實(shí)施主動維修過程中,探測故障誘因表征的特征信息,這些信息能夠反映系統(tǒng)工質(zhì)、零部件等的狀態(tài),從這些信息中獲得識別故障誘因的判斷參考,目的是鑒別出系統(tǒng)存在的真正故障誘因。對根源性參數(shù)的探測方法包括自然感官監(jiān)測方法,利用熱量監(jiān)測、污染監(jiān)測、噪音監(jiān)測等先進(jìn)方法。在實(shí)際實(shí)施過程當(dāng)中,還應(yīng)通過對技術(shù)手冊、說明書和其他資料的研究來確定,應(yīng)對系統(tǒng)哪些關(guān)鍵位置和部件的根源性參數(shù)進(jìn)行探測,同時選擇故障誘因表征信息探測的時機(jī),并針對不同的誘因,應(yīng)利用不同的儀器進(jìn)行監(jiān)測其不同的表征信息。

利用探測故障誘因的表征信息,例如工質(zhì)的黏度、密度、污染等,判別系統(tǒng)物理、化學(xué),污染等特征參數(shù)是否發(fā)生了改變,及時確定故障誘因列表中的故障誘因存在與否,為制定維護(hù)策略提供支持,實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行的早期階段發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)或設(shè)備的故障誘因,對于預(yù)測故障發(fā)展趨勢并截?cái)喙收线M(jìn)程具有重要意義。

2.4 確定探測值與故障誘因指標(biāo)之間的定量模型

探測到故障誘因的表征信息,還不能完全確定系統(tǒng)存在的確切故障誘因,因?yàn)閺墓收线M(jìn)程來看,故障誘因的表征信息與其本身往往不是一一對應(yīng)的,即由某一種故障誘因可能衍生出其它故障誘因,隨著時間的推移,最后可以在系統(tǒng)中探測出若干種故障誘因的表征信息。故障誘因與其表征信息會呈現(xiàn)出錯綜復(fù)雜的關(guān)系,給如何甄別出系統(tǒng)或設(shè)備真正的故障誘因帶來很大的困難。

解決方法是依據(jù)第一步中建立的能反應(yīng)故障誘因大小的定量指標(biāo),確定故障誘因表征信息的探測值與不同故障誘因大小之間的定量模型。這種定量模型的建立可以提供甄別系統(tǒng)運(yùn)行期間工質(zhì)、材料、零部件特性是否能夠發(fā)生變化的方法,為維修人員識別故障誘因提供依據(jù)。例如設(shè)備零部件間隙程度和系統(tǒng)溫度的探測值,這兩種表征信息特征探測值與零部件振動頻率之間的定量模型的建立,可以為維修人員識別振動故障誘因的存在提供支持。

2.5 確定故障誘因的探測周期

探測工作連續(xù)還是間斷進(jìn)行,是否有效,關(guān)系到誘因查找的及時性和準(zhǔn)確性。連續(xù)對系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測,需要耗費(fèi)大量的人力和物力,在實(shí)際的工程中不適用,也失去了主動維修的經(jīng)濟(jì)性。采取間斷監(jiān)測的方法,應(yīng)分析不同誘因的監(jiān)測周期。根據(jù)誘因自身隨系統(tǒng)工作時間發(fā)展的速度,確定誘因的定量指標(biāo)何時達(dá)到引起工質(zhì)、零部件材料性能發(fā)生退化和并發(fā)性退化或誘因達(dá)到加速故障進(jìn)程特征量的最低限度,在這個最低限度范圍內(nèi),確定各種故障誘因表征信息的探測間隔周期。

在確定的探測間隔周期內(nèi),對探測到的表征信息,根據(jù)特征值與誘因定量模型進(jìn)行定量處理和分析,找出系統(tǒng)存在能加速故障進(jìn)程的各種故障誘因,以確定對系統(tǒng)制定維護(hù)策略,消除故障發(fā)生根源,避免系統(tǒng)發(fā)展并進(jìn)入具有發(fā)生故障條件的狀態(tài)。

2.6 形成維修規(guī)則

根據(jù)以上分析,對系統(tǒng)或一臺設(shè)備實(shí)施主動維修,應(yīng)當(dāng)在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中全面分析系統(tǒng)故障誘因的前提下,得出系統(tǒng)的故障誘因列表及相應(yīng)的表征信息特征庫,根據(jù)不同故障誘因的探測時機(jī)、儀器及間隔周期,形成探測規(guī)則,根據(jù)故障誘因指標(biāo)與故障誘因表征信息特征值之間的定量關(guān)系,確認(rèn)系統(tǒng)存在的故障誘因,并據(jù)此采取相應(yīng)的維修策略,形成具體的維修規(guī)則,保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.7 規(guī)則的發(fā)布實(shí)施

按照以上 6個步驟,制定對整個機(jī)械系統(tǒng)實(shí)施主動維修的維修規(guī)程。制定維修規(guī)程要掌握設(shè)備功能、設(shè)計(jì)特性和故障機(jī)理,同時還要考慮機(jī)械系統(tǒng)在不同的任務(wù)和使用條件下,系統(tǒng)設(shè)備使用功能的不同,對維修的信息還應(yīng)該長期保留,形成制度,以利于對維修工作的持續(xù)調(diào)整,使得維修工作的安排更加科學(xué)合理,確保對機(jī)械系統(tǒng)實(shí)施主動維修的持續(xù)推進(jìn)。

按照制定的規(guī)程對機(jī)械系統(tǒng)或設(shè)備實(shí)施主動維修,如果在系統(tǒng)工作的過程中仍出現(xiàn)了一些故障,說明對系統(tǒng)的故障誘因分析還不夠全面,應(yīng)根據(jù)故障的反饋信息,按照規(guī)則對系統(tǒng)進(jìn)行分析,查找并消除故障誘因,截?cái)喙收线M(jìn)程,保證在設(shè)備全壽命的使用過程中,保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性,達(dá)到主動維修的最終目的。

3 結(jié)束語

主動維修的最終目的就是利用先進(jìn)的檢測技術(shù),準(zhǔn)確地判定可能引起系統(tǒng)故障的誘因,并在設(shè)備的材料和性能退化之前及時采取措施進(jìn)行維修,截?cái)喙收线M(jìn)程,恢復(fù)和保持設(shè)備的穩(wěn)健運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)從故障根源上對故障進(jìn)行預(yù)防,這是維修理念和技術(shù)上的重大發(fā)展。

[1]莫布雷J.以可靠性為中心的維修 [M].石磊,谷寧昌,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]姚陸鋒.機(jī)械系統(tǒng)故障分析及控制策略研究 [J].中國修船,2009,22(1):16-18.