基于RCM的飲料無菌灌裝設(shè)備維修研究

朱 紅 周炳海

（同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院 上海 201807）

近年來，普通大眾對于健康飲品的消費需求日益增加，飲料生產(chǎn)廠家持續(xù)地投入先進生產(chǎn)線來搶奪飲料包裝市場。PET無菌冷灌裝生產(chǎn)線作為企業(yè)生產(chǎn)的主力，面對競爭激烈的市場環(huán)境，維護與管理工作非常重要。其中無菌灌裝機是機電一體化設(shè)備，涉及到機械、電氣等多學(xué)科，所產(chǎn)生的故障涉及因素較多，給維修工作帶來一定難度。

RCM自20世紀60年代首先在美國民航領(lǐng)域應(yīng)用，目前在我國也開始從傳統(tǒng)的維修模式向以可靠性為中心的維修模式轉(zhuǎn)變[1]。通過對RCM的應(yīng)用，可以使機械設(shè)備以更高的可靠性和精度投入有效的應(yīng)用之中[2]。

K公司是一家以食品、飲料制銷為中心的臺商獨資集團。主要產(chǎn)品有各種茶飲料、果汁、乳飲以及咖啡飲品等。

本文以K公司德國進口自動化灌裝一體機為研究對象，通過對設(shè)備開展RCM分析，進行設(shè)備故障模式、影響和危害度分析，了解設(shè)備的可靠性信息和故障特性，找出固有可靠性較低和難以預(yù)防性維修的薄弱環(huán)節(jié)，再應(yīng)用以可靠性為中心維修理論對設(shè)備系統(tǒng)進行維修策略優(yōu)化，從而降低生產(chǎn)設(shè)備維修成本，減少停機時間，提高維護質(zhì)量與效果。

1 RCM簡述

RCM是目前國際上通用的、用以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。它的基本思路是：對系統(tǒng)進行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障的后果；用規(guī)范化的邏輯決斷方法，確定出各故障后果的預(yù)防性對策；通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以維修停機損失最小為目標優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。

RCM 強調(diào)以設(shè)備可靠性和設(shè)備故障后果作為制定維修策略的依據(jù)。通過對設(shè)備故障后果進行結(jié)構(gòu)性評價、分析，綜合出有關(guān)安全、運行經(jīng)濟性和維修費用節(jié)省的維修策略，制定出一個最低的成本確保達到設(shè)備可能達到的最大安全性和可靠性[3]。

2 RCM在機電一體化設(shè)備中的應(yīng)用分析

2.1 可靠性分析

研究計算設(shè)備的可靠度，故障率，故障概率分布和平均壽命。利用設(shè)備的壽命主要服從何種分布函數(shù)，確定設(shè)備平均故障間隔時間和平均首次故障前時間等指標，來評定機電一體化設(shè)備可靠性狀況。

2.2 FMECA分析

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis）簡稱 FMECA），即對機電一體化設(shè)備進行故障分析，查清整機各故障部位、模式及原因比率，從整體上掌握該型設(shè)備故障發(fā)生的情況，對故障頻發(fā)的部件或子系統(tǒng)深入進行故障模式及原因分析，探尋可靠性改進設(shè)計的方向；通過危害度分析，摸清該一體化設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。

首先要確定系統(tǒng)的功能，根據(jù)零部件進行分類，對系統(tǒng)一級進行功能分析、故障模式和后果分析。然后對每一重要設(shè)備進行故障模式、后果與危害度分析。需要知道的是很可能發(fā)生的故障，確定將可能的嚴重故障轉(zhuǎn)為關(guān)鍵故障，對其進行研究管理。

2.3 維修決策

2.3.1 維修方式的選擇

設(shè)備維修方式是指對設(shè)備維修時機的選擇，也就是通過采用不同的維修方式來實現(xiàn)對維修的控制。目前基本維修方式有三種：事后維修、定期維修和狀態(tài)維修，具體比較見表1。

表1 三種維修方式的特征

維修方式應(yīng)針對不同設(shè)備、不同故障模式、生產(chǎn)需要等，從設(shè)備可靠性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，來決定設(shè)備的維修方式。

2.3.2 維修決策

維修決策主要完成設(shè)備維修方式的決策過程。其采用的維修策略包括：(1)視情維修。通過以上檢查診斷技術(shù)的應(yīng)用，決定對設(shè)備的預(yù)防維修，并結(jié)合定期維修和定期報廢更換維修方法；(2)預(yù)防維修。定期維修或檢查后安排的維修方法。作為視情維修的補充；(3)事后維修；在不重要的設(shè)備上仍可采用。

3 基于RCM的灌裝機維修管理分析

3.1 無菌灌裝一體機可靠性分析

對數(shù)據(jù)的處理由于較繁瑣，用 MATLAB進行計算和分析。現(xiàn)有設(shè)備運行記錄中故障間隔時間的184個數(shù)據(jù)和相關(guān)故障信息，對其進行數(shù)據(jù)處理。

3.1.1 可靠性指標評定

運用可靠性數(shù)學(xué)知識可得設(shè)備的基本可靠性參數(shù)，其平均無故障工作時間為：

MTBF =T/No= 32179/184 ≈ 175h

平均故障修復(fù)時間為：MTTF =t/No=271.02/184 = 1.47 h

可用度為：A = 175/（175+1.47） = 0.9917

故障率λ為：1/MTBF = 1/175 = 0.0057

3.1.2 故障間隔時間分布類型的估計

利用統(tǒng)計的方法求出灌裝一體機故障間隔時間的函數(shù)分布，過程如下：(1)從數(shù)據(jù)中找出最大值Mmax和最小值Mmin，Mmax=1440，Mmin=1；(2)將數(shù)據(jù)分組，確定分組數(shù)L；(3)把 0到Nmax之間的數(shù)據(jù)均分成L=20等分；(4)計算組間的間隔：ΔL= (Nmax-0)/L= (1440-0)/20 = 72。

統(tǒng)計落入各組的頻數(shù)Δfi和頻率fi=Δfi/n，n=184。將各組頻率除以組距ΔL，作為縱坐標；橫坐標為故障間隔時間組中值，做成故障間隔時間密度函數(shù)散點圖，如圖1所示。

圖1 故障間隔時間密度函數(shù)散點圖

將累積頻率作為縱坐標，故障間隔時間作為橫坐標，做成故障間隔時間分布函數(shù)散點圖，如圖2所示。

圖2 障間隔時間分布函數(shù)散點圖

由此兩條散點圖曲線的形狀，對照常用故障間隔時間分布模型的形狀，故障間隔時間的密度函數(shù)曲線呈單峰型，分布函數(shù)曲線呈凸型，沒有拐點，與常用分布曲線加以比較，得出對數(shù)正態(tài)分布比較接近其分布類型，可以初步判斷所抽取樣本總體屬于對數(shù)正態(tài)分布。

3.1.3 故障間隔時間分布函數(shù)參數(shù)的估計

可用正態(tài)分布的數(shù)值分析方法進行分析。用極大似然法對參數(shù)u，σ2進行估計。由上面的數(shù)據(jù)進行計算分別可得：

將其代入得故障間隔時間分布函數(shù)為：

則故障間隔時間密度函數(shù)f(t)為：

由圖3和圖4對比可知，由于在計算時考慮到計算量的原因，把數(shù)據(jù)分組較少，在故障間隔時間較小時誤差較大，散點圖與擬合圖基本吻合。

圖3 故障間隔時間密度函數(shù)散點圖與擬合圖

圖4 故障間隔時間分布函數(shù)散點圖與擬合圖

3.1.4 故障間隔時間分布函數(shù)假設(shè)檢驗

3.2 無菌灌裝一體機FMECA分析

可將無菌灌裝一體機分為瓶夾系統(tǒng)、主軸箱、分配器、灌裝頭、氣缸、機架、理蓋器、壓蓋頭、電氣系統(tǒng)、伺服控制單元、潤滑系統(tǒng)及其他。根據(jù)故障數(shù)據(jù)信息，進行故障部分統(tǒng)計分析可知，瓶夾系統(tǒng)是故障發(fā)生最頻繁的部位，而且它的故障頻率遠高于其他部位。故障發(fā)生最頻繁的部位分別是瓶夾系統(tǒng)、壓蓋頭、伺服控制單元、電氣系統(tǒng)、灌裝頭、理蓋器。對故障模式統(tǒng)計分析見表2。

綜合無菌灌裝一體機的故障部位和故障模式分析可以得出：(1)機械部位的故障遠高于分配器、電氣和潤滑系統(tǒng)。而機械部分，最容易發(fā)生故障的是傳瓶系統(tǒng)；(2)無菌灌裝一體機故障頻率最高的是緊固件松動，其中最頻繁的故障模式是瓶夾部件。

表2 故障模式的統(tǒng)計分析

3.3 無菌灌裝一體機故障后果分析

對故障影響后果進行量化分析，即對設(shè)備的危害程度進行分析，按照每一故障模式的嚴重級別及嚴重程度或發(fā)生概率的綜合影響來研究故障模式。零部件對整機的危害程度為：

式中：n為零部件出現(xiàn)的故障模式種類數(shù)；αij為零部件i以故障模式j(luò)而引發(fā)故障的故障模式概率； ni為零部件i第j種故障模式發(fā)生的次數(shù)；Ni為零部件i全部故障概率發(fā)生的總次數(shù)； βij為零部件i以故障模式j(luò)發(fā)生故障造成該損傷的概率；λi為零部件i的基本故障率。

3.4 維修決策

預(yù)防維修是為了降低設(shè)備失效的概率或防止功能退化，按預(yù)定時間間隔或按規(guī)定準則實施的維修。在此運用費用最小準則確定設(shè)備合適的預(yù)防維修周期，將預(yù)防維修中修復(fù)未發(fā)生故障的零件費用記為W1；修復(fù)已發(fā)生故障的零件費用記為W2，R(t)為灌裝一體機零部件的可靠度。計算單位時間維修費用為為了得到費用最小情況下的最佳預(yù)防維修周期T，只需對上式兩邊對T求導(dǎo)得則可知只有當(dāng)事后維修費用大于預(yù)防維修費用W2＞W(wǎng)1且λ(t)隨時間遞增時，預(yù)防維修才有意義。

4 結(jié)語

對無菌灌裝一體機進行了可靠性分析及故障模式、影響分析計算，對設(shè)備的維修管理提供了重要理論依據(jù)。采用RCM能對設(shè)備為何發(fā)生故障以及每種故障發(fā)生的原因有所了解，在提高設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)上降低日常維護工作量，顯著降低維修費用。