機(jī)械設(shè)備故障規(guī)律及運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法研究

董楠

（中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司 天津武清 301700）

目前，大型機(jī)械設(shè)備正在朝著大型化、連續(xù)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方面也變得越來(lái)越復(fù)雜，為設(shè)備修理和維修工作帶來(lái)了極大困擾。在生產(chǎn)工作之中，機(jī)械設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，為企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失難以估算。在機(jī)械設(shè)備維修體系之中，預(yù)防性定期維修和損壞在維修均存在明顯缺陷，無(wú)法對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)需求進(jìn)行滿足。

1 機(jī)械設(shè)備故障規(guī)律分析

機(jī)械設(shè)備故障規(guī)律的分析，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)維修對(duì)策的制定和提高設(shè)備使用率方面有著較強(qiáng)的促進(jìn)作用，可保證機(jī)械設(shè)備在工作中的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)建立完善的維修體系。在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，性能會(huì)隨著使用年限的增加而下降，而很多故障在出現(xiàn)之前會(huì)存在一定的預(yù)兆，這種現(xiàn)象被稱為潛在故障，并引發(fā)機(jī)械設(shè)備功能故障，如圖1所示。從設(shè)備故障隨著時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)看，可分為以下三個(gè)時(shí)期：

圖1 設(shè)備故障分析圖

1.1 早期故障期

在這一故障時(shí)期之中，主要是機(jī)械產(chǎn)品的磨合過(guò)程，由于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，可能會(huì)存在設(shè)計(jì)和制造等方面的缺陷，從而進(jìn)一步提升故障的發(fā)生頻率。除此之外，如果設(shè)備在不當(dāng)?shù)沫h(huán)境下進(jìn)行使用，也會(huì)引發(fā)設(shè)備出現(xiàn)故障現(xiàn)象，而故障出現(xiàn)的時(shí)間主要取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)理念的好與壞。

1.2 偶發(fā)故障期

當(dāng)設(shè)備脫離早期故障期之后便會(huì)進(jìn)入有效的使用壽命周期，在這一時(shí)期中，機(jī)械設(shè)備的故障頻率十分穩(wěn)定，而且故障發(fā)生率也較低，此時(shí)也是設(shè)備的最佳使用時(shí)期。但由于使用和管理不當(dāng)，該時(shí)期的機(jī)械設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)故障問題，該類型的故障被人們稱之為偶發(fā)故障期。因此，在該時(shí)期的設(shè)備使用過(guò)程中，工作人員需要對(duì)設(shè)備管理方式進(jìn)行合理改進(jìn)，并在原有基礎(chǔ)上加強(qiáng)診斷和維修保養(yǎng)等工作，如此一來(lái)，可以使故障發(fā)生頻率降到最低。

1.3 耗損故障期

到了設(shè)備使用的最后一段時(shí)期時(shí)，由于設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備零件很容易出現(xiàn)磨損、老化、腐蝕等問題，從而導(dǎo)致設(shè)備故障發(fā)生率的大大提升，人們將這種故障稱之為耗損故障期。當(dāng)設(shè)備耗損期開始之后，需要對(duì)機(jī)械設(shè)備的整體進(jìn)行全面修復(fù)，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，降低該時(shí)期機(jī)械設(shè)備的故障發(fā)生率。

從上述機(jī)械設(shè)備故障規(guī)律分析來(lái)看，真實(shí)的反應(yīng)出了設(shè)備從磨合到調(diào)試，再到最終停止使用，機(jī)械設(shè)備容易出現(xiàn)的故障類型。相關(guān)工作人員可以根據(jù)此變化規(guī)律，對(duì)設(shè)備的日常管理和維護(hù)工作進(jìn)行加強(qiáng)，并將維修范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，保證相關(guān)企業(yè)獲取更大的投資效益，如表1所示。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控設(shè)備和加工中心等現(xiàn)代化機(jī)械不斷涌現(xiàn)，而這些設(shè)備在結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，性能更為優(yōu)良，可在一定程度上提高人們的生產(chǎn)效率。但由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，在故障預(yù)測(cè)和維修上也與傳統(tǒng)設(shè)備存在很大區(qū)別，需要相關(guān)工作人員對(duì)其故障規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究，為后續(xù)生產(chǎn)工作的開展提供基礎(chǔ)條件。

表1 某機(jī)械設(shè)備的故障規(guī)律

2 機(jī)械設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)使用過(guò)程中，趨勢(shì)預(yù)測(cè)具有重要作用，它可以對(duì)主要的故障進(jìn)行發(fā)展預(yù)測(cè)，并對(duì)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的劣化形式進(jìn)行預(yù)告。另外，趨勢(shì)預(yù)測(cè)主要是對(duì)機(jī)械設(shè)備事故進(jìn)行預(yù)防，避免生產(chǎn)工作受到影響的重要手段，并為維修人員提供故障線索，幫助他們今早對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障類型進(jìn)行確定，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障影響的有效預(yù)防。由于趨勢(shì)預(yù)測(cè)方式的出現(xiàn)，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障和運(yùn)行情況進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)檢修周期的有效延長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)維修時(shí)間的縮短，提高設(shè)備的維修效率和水平。

2.1 時(shí)序模型預(yù)測(cè)方法

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)之中，時(shí)序模型預(yù)測(cè)方法十分常用，可有效對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在時(shí)序分析法之中，主要利用參數(shù)模型的觀測(cè)從而得到相關(guān)的隨機(jī)數(shù)據(jù)，之后對(duì)這組隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，最終獲得人們想要的分析結(jié)果。時(shí)序模型可以對(duì)不同觀測(cè)值的相關(guān)性進(jìn)行充分反映，也就是狀態(tài)變化的慣性問題，這種慣性可以將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)額變化趨勢(shì)充分反映出來(lái)。

如果將機(jī)械設(shè)備中的某項(xiàng)變化看做是一個(gè)隨機(jī)數(shù)列｛yn｝，并將以往的觀測(cè)數(shù)據(jù)值作為后續(xù)觀測(cè)樣本，此時(shí)工作人員需要做的工作便是對(duì)時(shí)序模型進(jìn)行建立。時(shí)序模型之中，ARMA是最基本，也是最實(shí)用的參數(shù)模型。ARMA的模型可以用一下公式進(jìn)行表示：

在該式中，yn代表時(shí)間序列之中的信號(hào)觀測(cè)值或采樣值，而Wn代表與之向?qū)?yīng)的觀測(cè)噪聲序列，ak代表自回歸系數(shù)，而bi則代表滑動(dòng)平均系數(shù)。在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，如果b=0，i=1，2，3…M，則會(huì)有以下關(guān)系成立：

上式主要是對(duì)這樣的一個(gè)序列進(jìn)行描述，即當(dāng)觀測(cè)值為yn時(shí)，可以對(duì)過(guò)去某時(shí)刻中的觀測(cè)值和當(dāng)前時(shí)刻中的噪聲觀測(cè)值相結(jié)合。yn對(duì)yn-k屬于一種依賴性關(guān)系，該關(guān)系也被人們稱之為回歸，也就是Autoregressive，并與以上關(guān)系式組成了自回歸模型，簡(jiǎn)稱為AR模型。

2.2 特征參數(shù)的回歸擬合方法

當(dāng)設(shè)備狀態(tài)由正常發(fā)展到不正常時(shí)，可以引發(fā)故障全過(guò)程的劣化。在劣化過(guò)程中，一般可分為以下幾部分：①比例型劣化，劣化程度與時(shí)間呈現(xiàn)出正比關(guān)系。②加速劣化型，劣化程度與時(shí)間呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系。③急劇劣化模式，從某一時(shí)刻開始，設(shè)備便開始出現(xiàn)劇烈惡化。在特征參數(shù)回歸模擬過(guò)程中，主要是通過(guò)擬合法對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，方式如下：①對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，這其中包括閾值和報(bào)警數(shù)值，根據(jù)回歸擬合特征值Xi，還會(huì)對(duì)n進(jìn)行要求，保證n＞20。②進(jìn)行曲線擬合。為了實(shí)現(xiàn)一條曲線的成功擬合，通常會(huì)利用最小乘二法將數(shù)據(jù)整合成第二條曲線，從而試下對(duì)劣化參數(shù)的合理表示：

xi=at2i+bti+c

在該式中，a、b、c分別表示三個(gè)常數(shù)，ti為Xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)相關(guān)計(jì)算過(guò)程可得出a、b、c的具體結(jié)果。

2.3 經(jīng)濟(jì)大修模型預(yù)測(cè)方法

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)更新，并根據(jù)一定的大修次數(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命進(jìn)行合理確定，并對(duì)相應(yīng)的大修次數(shù)進(jìn)行合理更新。隨著設(shè)備維修次數(shù)j的增加，修理間隔T也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的縮短趨勢(shì)，設(shè)備的維修費(fèi)用C也會(huì)相應(yīng)增加。如果從設(shè)備的磨損角度出發(fā)，工作人員可以根據(jù)設(shè)備更換之前的劣化規(guī)律對(duì)設(shè)備進(jìn)行深入研究，此時(shí)可以得到經(jīng)濟(jì)大修模型的預(yù)測(cè)公式：

該式中，可以對(duì)第j次到第j+1次的間隔周期進(jìn)行合理表示。另外，利用上述公式還能對(duì)設(shè)備的大修期限進(jìn)行合理確定，并根據(jù)設(shè)備的重要程度，開展怎樣的設(shè)備監(jiān)視措施，以此來(lái)提升設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率。

3 總結(jié)

綜上所述，機(jī)械設(shè)備的定期大修會(huì)增加設(shè)備的總故障發(fā)生頻率，這主要是由于初期的高故障頻率向設(shè)備低故障期進(jìn)行轉(zhuǎn)移。因此，在機(jī)械設(shè)備使用和監(jiān)測(cè)維修過(guò)程中，應(yīng)對(duì)狀態(tài)修理進(jìn)行推廣和提倡，尤其是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)代設(shè)備維護(hù)過(guò)程中，可充分利用潛在的故障檢測(cè)對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行改善，以此來(lái)降低維修頻率和費(fèi)用。

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