企業(yè)設(shè)備預(yù)防性維護(hù)策略優(yōu)化

摘 要：制造企業(yè)要想在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)，設(shè)備維護(hù)是一項(xiàng)必要的生產(chǎn)管理舉措。隨著企業(yè)設(shè)備規(guī)模的大型化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)模式已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)設(shè)備的維護(hù)管理的需求。該文提出了一種設(shè)備在“修復(fù)非新”情況下的預(yù)防性維護(hù)模型，該模型采用預(yù)防性維護(hù)調(diào)整因子法。該調(diào)整因子直接考慮到設(shè)備的可靠性和故障率，通過設(shè)備的故障率函數(shù)變化可以表示出設(shè)備的預(yù)防性修復(fù)結(jié)果。并通過案例分析計(jì)算對(duì)該模型的正確性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：設(shè)備 預(yù)防性維護(hù) 優(yōu)化策略 修復(fù)非新

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0211-02

近年來，隨著市場(chǎng)全球化的發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。企業(yè)需要根據(jù)全球市場(chǎng)的變化迅速的作出反應(yīng)，以滿足客戶多樣化的需求，而企業(yè)的設(shè)備狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著直接的影響，同時(shí)設(shè)備成本也對(duì)企業(yè)的利潤(rùn)有著巨大影響。為此，維護(hù)設(shè)備性能以較少的投入獲得高回報(bào)是保證企業(yè)經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)的一個(gè)重要方面。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)備復(fù)雜性的增加以及人們對(duì)設(shè)備故障規(guī)律認(rèn)知水平的提高，設(shè)備的維護(hù)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。設(shè)備預(yù)防性維護(hù)主要作用是通過延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命來降低生產(chǎn)費(fèi)用，避免技術(shù)事故，減少企業(yè)成本[1-2]。

1 設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)50年代，人們開始更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理：設(shè)備有一個(gè)從正常工作到產(chǎn)生磨損再到發(fā)生故障到最后影響使用安全的過程。要保證設(shè)備在使用過程中的安全可靠，應(yīng)該在其故障發(fā)生前就開始預(yù)防性維修工作，形成一種以預(yù)防為主的維護(hù)理念。這種理念實(shí)質(zhì)是采用預(yù)防性計(jì)劃和措施將故障在發(fā)生初期就消滅掉，不用被動(dòng)的等故障發(fā)生再去維修。

預(yù)防性維護(hù)的傳統(tǒng)方法是采用等周期的檢修，設(shè)備所有部件通過檢修而得到徹底修復(fù)，即設(shè)備能夠“修復(fù)如新”。但設(shè)備在實(shí)際的維護(hù)過程中，隨著使用時(shí)間和預(yù)防性維護(hù)次數(shù)的增加，設(shè)備故障率逐漸增加，傳統(tǒng)方法并不能對(duì)設(shè)備的可靠度進(jìn)行有效改善，所以設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)周期應(yīng)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而縮短，以此保證設(shè)備的安全可靠。于是有學(xué)者提出了對(duì)設(shè)備的“修復(fù)非新”策略，該策略將設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)周期隨著設(shè)備使用時(shí)間的增長(zhǎng)逐步縮短。目前，對(duì)于設(shè)備的“修復(fù)非新”采用最多的建模方法是調(diào)整因子法。因?yàn)樵撘蜃又苯涌紤]到設(shè)備的可靠性和故障率，通過設(shè)備的故障率函數(shù)變化可以表示出設(shè)備的預(yù)防性修復(fù)結(jié)果[3-4]。

2 設(shè)備預(yù)防性維護(hù)模型的建立

2.1 設(shè)備故障率函數(shù)的選取

故障是指設(shè)備的零部件無法達(dá)到它規(guī)定的使用功能狀態(tài)。通過對(duì)故障發(fā)生的規(guī)律分析，一般將其分為三個(gè)階段：早期故障期、偶發(fā)故障期和耗損故障期。設(shè)備在早期故障期的故障率隨著時(shí)間逐步下降，這段時(shí)間的長(zhǎng)短與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，故障原因主要是設(shè)計(jì)和使用上的缺陷。當(dāng)對(duì)此類問題進(jìn)行有效處理，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)入偶發(fā)故障期，故障率低且穩(wěn)定。設(shè)備到使用的后期，由于零部件的磨損、老化等原因故障率又開始上升，此階段為耗損故障期。

針對(duì)設(shè)備故障各階段的不同特點(diǎn)，目前學(xué)者們提出了泊松分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布等多種故障率分布。該模型采用威布爾分布[5]。選取該函數(shù)為：

（1）

式（1）：中β為形狀參數(shù)；η為生命特征參數(shù)。在威布爾分布中，當(dāng)η不變，β>1時(shí)，設(shè)備的故障率為逐步下降的趨勢(shì)。β=1，設(shè)備的故障率穩(wěn)定趨于常量。β>1，設(shè)備故障率為逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。對(duì)β和η兩個(gè)參數(shù)的取值參考具體設(shè)備收集的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析而得。

2.2 建立“修復(fù)非新”模型

該文采用預(yù)防性維護(hù)調(diào)整因子法對(duì)設(shè)備進(jìn)行“修復(fù)非新”建模，用預(yù)防性維護(hù)調(diào)整因子來表示設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的效果，該因子與設(shè)備的維護(hù)成本、設(shè)備使用時(shí)長(zhǎng)和維護(hù)的學(xué)習(xí)效應(yīng)等因素有關(guān)，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和維護(hù)次數(shù)的增加而變化。設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)的修復(fù)非新模型為：

（2）

該模型中，λn為對(duì)設(shè)備進(jìn)行第n此預(yù)防性維護(hù)的使用時(shí)長(zhǎng)調(diào)整因子；ε為成本調(diào)整系數(shù)；kr為購(gòu)買設(shè)備的成本；kpn為設(shè)備進(jìn)行維護(hù)所花費(fèi)的成本。當(dāng)kr=kpn，且ε=1時(shí)，λn=1，即設(shè)備的維護(hù)成本相當(dāng)于購(gòu)買成本，可重新購(gòu)買設(shè)備。v為時(shí)間調(diào)整系數(shù)，設(shè)備隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，性能和可靠性逐漸降低，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的效果減小，調(diào)整因子值也隨之減?。粀為預(yù)防維護(hù)學(xué)習(xí)效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，該系數(shù)可由經(jīng)驗(yàn)給定數(shù)值。

2.3 建立設(shè)備預(yù)防性維護(hù)模型

設(shè)定模型參數(shù)：Tn為第n個(gè)預(yù)防維護(hù)周期；λn為預(yù)防性維護(hù)的調(diào)整因子；dn為第n次進(jìn)行維護(hù)后設(shè)備的等效使用時(shí)長(zhǎng)；tn為設(shè)備維護(hù)時(shí)間；tr為設(shè)備出現(xiàn)故障所需修復(fù)時(shí)間。用威布爾分布來表示設(shè)備故障率分布，假定β>1，設(shè)備隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)故障率逐步增高。須通過預(yù)防性維護(hù)來提高設(shè)備運(yùn)行性能。設(shè)備實(shí)際使用時(shí)長(zhǎng)是指設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間總和，等效使用時(shí)長(zhǎng)是考慮預(yù)防性維護(hù)對(duì)設(shè)備有一定修復(fù)效果，使該設(shè)備的實(shí)際使用時(shí)長(zhǎng)出現(xiàn)回退。設(shè)定設(shè)備在進(jìn)行第n次預(yù)防性維護(hù)前的等效使用時(shí)長(zhǎng)為dn-1，調(diào)整因子為λn-1，則設(shè)備的使用時(shí)長(zhǎng)回退量：dn-1λn-1，設(shè)備等效使用時(shí)長(zhǎng)：λn-1（1-λn-1）。

設(shè)備在進(jìn)行第n此預(yù)防性維護(hù)后的等效使用時(shí)長(zhǎng)為：

dn=（dn-1+Tn）（1-λn）

則設(shè)備在第n個(gè)預(yù)防性維護(hù)周期出現(xiàn)故障次數(shù)為：

（3）

設(shè)備在設(shè)定的一個(gè)維護(hù)周期內(nèi)，有效工作時(shí)間為Tn，出現(xiàn)故障后的修復(fù)花費(fèi)時(shí)間為trm（Tn），預(yù)防性維護(hù)花費(fèi)時(shí)間為tp，則設(shè)備的性能穩(wěn)態(tài)可用度為：

=

（4）

以設(shè)備的性能穩(wěn)態(tài)度作為優(yōu)化指標(biāo)取其最大，由式（4）可得設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的周期。

3 模型驗(yàn)證

對(duì)某設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，由威布爾分布的參數(shù)估計(jì)方法，得設(shè)備故障率的分布函數(shù)：

對(duì)修復(fù)非新模型參數(shù)設(shè)定如下：成本調(diào)整系數(shù)β=1，維護(hù)成本kpn=3000，購(gòu)買成本kr=600000，時(shí)間調(diào)整系數(shù)v=0.005，學(xué)習(xí)效應(yīng)調(diào)整系數(shù)w=0.9。則預(yù)防性維護(hù)調(diào)整因子為：

設(shè)定設(shè)備的初始使用時(shí)長(zhǎng)do=40，預(yù)防性維護(hù)花費(fèi)時(shí)間tp=4，設(shè)備故障所需修復(fù)時(shí)間tr=12，有效工作時(shí)間tn=30。

對(duì)式（4）進(jìn)行迭代求解，得該設(shè)備前九次預(yù)防性維護(hù)周期，如表1所示。

由表1可知，隨著設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)次數(shù)的增加，預(yù)防性維護(hù)的周期縮短，也說明了該文關(guān)于設(shè)備預(yù)防性維護(hù)模型的正確性。

4 結(jié)語

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)備維護(hù)模式很難滿足企業(yè)需要，改善設(shè)備的維護(hù)技術(shù)是提升制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑，該文利用預(yù)防性維護(hù)調(diào)整因子構(gòu)建了設(shè)備在“修復(fù)非新”情況下的預(yù)防性維護(hù)模型，并通過案例進(jìn)行驗(yàn)證，正面模型的正確性。下一步的研究中，在對(duì)設(shè)備的維護(hù)效果方面建模，可通過混合的故障率變化規(guī)律來建立“修復(fù)非新”模型。

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