機械設備狀態(tài)維修技術分析與應用*

吳鎮(zhèn)江

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510705）

0 引言

機械設備在國家建設以及國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要作用，有利于促進經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。為充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力和效率優(yōu)勢，在機械設備使用過程中，需要加強對其維修工作的重視。當前階段，機械設備維修方式和技術與現(xiàn)代化發(fā)展之間存在一定的不適應現(xiàn)狀，從而出現(xiàn)機械停修時間較長、修理磨損加重、使用壽命縮短等問題。因此，實行新的維修技術是改革機械設備維修制度的重點內(nèi)容。

對于此，國內(nèi)外開展了大量的研究工作。比如美國通過以可靠性為核心的維修方法，確定具體維修計劃，完善維修管理策略；德國主張推行狀態(tài)維修，以發(fā)展監(jiān)控診斷技術為目標；日本基于全民生產(chǎn)檢修，注重狀態(tài)維修模式可行性的探究。這些研究為中國的機械設備維修技術和方式的革新提供了良好的借鑒和參考。在國內(nèi)，對于機械設備維修制度的實施，主要是以計劃預防修理制度為指導，建立定期保養(yǎng)、計劃修理的基本原則。不過實際上對計劃的安排并非是依據(jù)機械的技術狀況，而是以設備的損害規(guī)律預先確定維修類別、維修間隔以及工作量等，對機械設備的正常使用產(chǎn)生了較大的影響，在今后的發(fā)展過程中，仍需進一步探索新技術。

綜合國內(nèi)外的研究和實踐，并以中國實際生產(chǎn)國情為基礎，對機械設備的維修技術選擇應以狀態(tài)維修為主，其是在預防修理制以及故障理論基礎上發(fā)展而來的有效維修技術，能夠不斷監(jiān)測機械設備的性能、運行狀況，以此確定維修方式、項目，合理安排維修計劃，有利于減少設備停機修理時間、降低維修成本，進一步提高設備利用率。并且狀態(tài)維修能夠與現(xiàn)代電子技術和計算機技術相結合，通過從各個角度檢測設備的性能指標，以準確分析判斷故障點，實現(xiàn)高效維修。

1 機械設備狀態(tài)維修概述

狀態(tài)維修是指針對機械設備的維修，主要是依靠檢測其運行狀態(tài)，基于定期監(jiān)測的方法，了解和把控機械設備當前的工作狀態(tài)，并通過其性能參數(shù)變化等預測可能出現(xiàn)的故障以及劣化趨勢，以此采用有效的技術手段對故障開展診斷分析，憑借診斷結果指導具體的狀態(tài)維修工作，以盡可能在短時間內(nèi)完成對機械設備的維修工作。該維修制度的特點是能夠良好適應機械本身的故障特性，同時以機械設備可靠性為基礎依據(jù)，明確維修間隔期和最小維修總費用，以便于消除維修中存在的過剩和失修問題［1］。

2 機械設備維修方式

2.1 年度整套裝置停產(chǎn)檢修

對于機械設備維修方式的選擇，當前在國內(nèi)外的流程工業(yè)中，普遍采用年檢的方式。即是將整套裝置或者十幾套裝置，在每年的特定時間內(nèi)，進行有計劃、有安排的全面停產(chǎn)檢修，以確保下一年度機械設備的正常使用。這種維修方式對年度生產(chǎn)具有重要意義，其是根據(jù)流程工業(yè)的生產(chǎn)特點而形成的一種維修方式，具有良好的生產(chǎn)保證性［2］。

2.2 事后維保

事后維保在現(xiàn)代機械設備的維修制度中，是一種相對滯后的維修方式，但在很多企業(yè)中仍有一定的應用，即當企業(yè)對機械設備或者零部件的磨損發(fā)生規(guī)律尚未完全認識的情況下，只能在機械設備發(fā)生故障后開展維修工作。該方式在當前暴露出諸多缺陷和不足，比較明顯的則是設備停機時間較長，造成的生產(chǎn)損失較大，特別是當機械設備在生產(chǎn)周期內(nèi)發(fā)生故障，開展事后維保時，會延誤生產(chǎn)計劃的進行。但這種維修方式的費用成本較低，對管理要求不高，往往不需要付出各種預防性措施的代價，在故障發(fā)生后僅是對損壞部分進行修理［3］。在流程工業(yè)或者制造業(yè)流水線上設備維修中，其具有較大的缺陷，不過在部分中小企業(yè)中仍有應用，相關企業(yè)應當摒棄該維修方式，革新維修管理制度。

2.3 計劃維修

計劃維修是現(xiàn)階段多數(shù)流程工業(yè)和制造業(yè)企業(yè)廣泛應用的維修方式。其在實踐中，主要是通過統(tǒng)計分析來確定零部件在使用期間內(nèi)發(fā)生故障的規(guī)律以及合理使用壽命。一般是在零部件的使用壽命結束之前，定期開展維修或者更換，以保證零部件的使用效率得到提升，也能夠減少突發(fā)故障和臨時故障的發(fā)生，最大限度保證機械設備的開機時間。這種維修方式的本質(zhì)是一種預防性維修［4］。另外，在計劃維修中，也可按照機械設備維修的內(nèi)容、工作量等劃分為若干個維修類別，然后依據(jù)零部件的磨損原理，明確各個維修類型之間的關系，從而能夠確定每一種維修類型的間隔周期，構建以零部件平均磨損為基礎的計劃維修體系。在執(zhí)行時，可按照加工對象、批量等，選擇適當?shù)臅r間間隔，實現(xiàn)預防性檢修，減少緊急故障的出現(xiàn)，推動生產(chǎn)和維修能夠按照計劃有序進行。

3 傳統(tǒng)機械設備維修技術的不良后果

中國傳統(tǒng)的機械設備維修技術多數(shù)采用定期維修方式，其是依據(jù)事先制定的檢修安排計劃，以設備零部件磨損規(guī)律、使用壽命等，明確檢修間隔，開展維護保養(yǎng)工作。該維修技術的主要理論依據(jù)為浴盆曲線，如圖1 所示。定期維修的周期確定為從設備啟動到下一次停機檢修時間［5］。根據(jù)圖中顯示，隨著運行時間的延長，存在早期故障期、偶發(fā)故障期和損耗故障期。早期故障期表示新設備或者大修設備投入運行后，發(fā)生故障的概率較高，主要原因包括設計不合理、安裝不科學以及調(diào)試不當?shù)龋慌及l(fā)故障期則是在設備啟動后，經(jīng)過磨合會處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)，這期間可能出現(xiàn)隨機故障，引發(fā)原因為操作失誤、客觀因素影響等；損耗故障期是指機械設備長期運行后，受到零部件或材料的疲勞磨損，可能會增加故障率。在此理論的指導下，傳統(tǒng)的機械設備維修技術觀點認為故障發(fā)生具有固定的間隔，在損耗故障期之前開展大修，能夠防止故障發(fā)生。所以定期維修的間隔為早期故障期和偶發(fā)故障期，在以往的機械設備維修工作中，定期維修技術發(fā)揮了重要作用。但隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，機械設備的結構日益復雜、自動化特點明顯，促使設備故障的發(fā)生模式出現(xiàn)較大的變化，與浴盆曲線不相符［6］。

圖1 浴盆曲線原理

當對現(xiàn)代機械設備仍采用傳統(tǒng)的定期維修技術時，可能會產(chǎn)生一系列的不良后果。首先是采用不必要的大修會增加總體故障率，當設備故障模式與浴盆曲線不相符時，其維修間隔周期則不適應其故障發(fā)生規(guī)律。在機械設備處于穩(wěn)定運行狀態(tài)下，對其進行盲目的改裝大修，會對其穩(wěn)定性能產(chǎn)生干擾，增加早期故障率。尤其是對于大型的高精尖設備而言，對平穩(wěn)的設備整體進行大拆大卸，在很大程度上會誘發(fā)新事故，增加總體故障率；其次，定期維修會耗費大量的人力、物力和財力。通常情況下，對于大型復雜設備開展定期維修計劃時，需要借助巨大的人力和其他維修設備，并且也會產(chǎn)生高額費用。當設備處于穩(wěn)定狀態(tài)下時，不僅會增加故障率，還會導致各項維修資源的浪費；最后，定期維修會降低機械設備的使用壽命。如果對設備開展頻繁的定期大修，則會降低其合理的使用期限。比如在每次設備拆裝時，均會導致部分構件受到?jīng)_擊，進而導致材料強度降低，在拆裝后啟動設備，則會增加材料的疲勞磨損［7］。

4 機械設備狀態(tài)維修技術的應用流程

由于對機械設備采用傳統(tǒng)的維修技術存在相應的不良后果，為保障設備維修的高效性，以保證生產(chǎn)活動的正常開展，需要采取狀態(tài)維修技術。當前，狀態(tài)維修技術已經(jīng)成為機械設備維修的主流，有利于縮短維修時間、降低維修成本、減少工作量。而在實際應用狀態(tài)維修技術時，需嚴格落實以下3 個步驟和流程，即是加強對機械設備的狀態(tài)檢測、準確進行故障診斷、實施狀態(tài)維修手段。

4.1 狀態(tài)監(jiān)測

在開展狀態(tài)維修之前，應當先對現(xiàn)有設備的狀態(tài)進行有效、準確的估計，再按照設備的實際狀態(tài)采取相應的維修措施。這是因為大多數(shù)機械設備在發(fā)生故障之前，都會出現(xiàn)某些具有顯著特征的前兆，利用適當?shù)谋O(jiān)測技術可獲取表示設備狀態(tài)和性能的參數(shù)，比如機械的速度、壓力、功率等運轉參數(shù)、噪聲、溫度、聲發(fā)射等摩擦引發(fā)的能量損耗、振動以及位移等工作狀態(tài)等，根據(jù)參數(shù)分析其運行狀況。當前在實踐中可采用的監(jiān)測技術包含以下幾種。

（1）振動監(jiān)測技術。在機械設備狀態(tài)信息中，振動信號是其重要載體，能夠充分表示設備異?；蛘吖收闲畔?，所以振動特征是機械設備運行狀態(tài)的監(jiān)測依據(jù)。通過開展振動測試，有利于采集狀態(tài)信號，以判斷機械的運行情況。主要技術有頻域分析法，其是對信號頻域特征的提取，根據(jù)能量在不同頻率上的分布，準確判定機械的運行狀態(tài)，依靠頻譜圖可快速識別設備故障；還可采用時序分析法，以參數(shù)模型為基礎，利用相應的數(shù)學模式近似描述某一時序的動態(tài)序列；沖擊脈沖計是當前應用比較廣泛的監(jiān)測技術之一，借助故障信號激發(fā)的高頻共振，零壓縮波的幅值鑒別設備的異常情況［8］。該技術無需開展頻譜分析，但無法準確判斷故障的發(fā)生位置，因此需要結合包絡分析技術和小波分解技術。即是在故障信號引發(fā)的周期性高頻脈沖激勵基礎上，有效地將加速度傳感器收集的諧振頻率進行包絡檢波，以提高信噪比，進而獲得與故障頻率相同的低頻信號，確定出現(xiàn)故障的具體零部件。而小波分解技術則能夠將振動信號經(jīng)過不同尺度的分解，更便于選擇不同中心頻率的帶通濾波器，基于振動信號的濾波，以此獲得原始信號在尺度上的小波變化結果，確保各個固有振動［9］。其可結合計算機技術和傳感器技術構建振動監(jiān)控系統(tǒng)，構架如圖2 所示。

圖2 機械設備振動監(jiān)測系統(tǒng)

（2）油液磨損分析技術。其是通過掌握油液中磨粒的成分、數(shù)量、尺寸以及形貌等，更及時準確地了解機械設備及其構件的磨損程度和性質(zhì)，有利于判斷設備的技術狀態(tài)和故障趨勢。具體技術方法有電導法，其是對油液污染度機理的控制分析。當油液介質(zhì)在純凈的情況下，電導率通常相對較小，但工程油介質(zhì)除外，其受固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)雜質(zhì)的影響，導致電導率相對較大。在應用時，該技術具有快速、簡便、廉價的特點，能夠實時監(jiān)測液壓油的污染程度，為使用者控制油液污染提供良好基礎，改善傳統(tǒng)的定期換油方式，轉變?yōu)榘促|(zhì)換油，有利于減少系統(tǒng)故障，提高機械設備的可靠性、延長使用期限。此外，也可采用機械油液分析儀進行監(jiān)測，結合現(xiàn)代計算機技術和專業(yè)的分析軟件，在現(xiàn)場可對機械油液開展快速精確的分析，對傳統(tǒng)潤滑油分析成本高、周期長、操作復雜等缺陷進行有效解決。同時還具有準確率高、適應性較強的優(yōu)勢，適用于曲軸箱機油、齒輪后者軸承等潤滑油等監(jiān)測分析，具有良好作用，有利于控制油液污染程度和機件磨損程度等，及時分析機械設備運行狀態(tài)異常的原因［10］。

（3）離線磨粒監(jiān)測技術。在機械設備運行狀態(tài)中出現(xiàn)零件失效的主要原因是磨損失效。因為液壓油中的磨粒能夠攜帶機械運轉狀態(tài)的大量信息，所以為充分反映設備的磨損程度，可加強對磨粒的監(jiān)測和研究，更好地顯示機器磨損機理。其主要監(jiān)測技術包括鐵譜分析法，在操作中即是將油樣按照規(guī)范的步驟稀釋在玻璃片上，再增加一個強磁場，在其作用之下，能夠觀察到不同大小殘渣所能通過的玻璃不同。在按照油樣中殘渣沉淀的情況，準確判斷機器零件的磨損程度。這一過程中可借助光學或電子顯微鏡，對殘渣的形貌進行觀察并判斷其成分。

（4）運轉參數(shù)監(jiān)測技術。對于機械設備的狀態(tài)監(jiān)測，可采用紅外監(jiān)測技術，利用紅外熱成像原理，對設備表面溫度場分布情況進行顯示，能夠準確地診斷出設備的襯里破壞、散熱損失、管道沉積以及電阻變化等。尤其是對高靈敏度紅外敏感元件、對材料變形進行監(jiān)測時，可有效感知晶格摩擦產(chǎn)生的微小熱量。

4.2 故障診斷

根據(jù)對機械設備的狀態(tài)監(jiān)測結果，可進一步分析和判斷故障發(fā)生的原因、具體部位以及性質(zhì)等，甚至可基于狀態(tài)檢測預測故障的發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)的故障診斷技術中，往往是借助各種便攜式儀表，對故障發(fā)生情況、故障嚴重程度等進行判斷。而在當前階段，科學技術的發(fā)展推動了信號處理技術、專家處理系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡技術的創(chuàng)新進步，將其引入到機械設備狀態(tài)診斷方面，具有良好的運用效果。比如構建以計算機技術為中心的多功能自動化診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)信號采集處理、異常狀態(tài)自動化識別、實時顯示、輸出分析結果打印等功能。同時，能夠按照機械設備的故障類型，及時發(fā)出警報，并迅速對出現(xiàn)的故障性質(zhì)、嚴重程度以及具體位置、發(fā)展趨勢等進行自動化診斷。相關維修人員也可通過計算機系統(tǒng)查閱設備的歷史運行狀態(tài)、維修記錄、監(jiān)測參數(shù)等，為維修決策提供可靠的依據(jù)。近年來，在對機械設備狀態(tài)維修中，開展故障判斷逐漸應用遠程專家診斷系統(tǒng)，以便于迅速、實時地明確設備故障，為維修工作的實施提供良好條件。

4.3 狀態(tài)維修

狀態(tài)維修是基于狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷而實施的具體處理方法，按照故障的性質(zhì)和發(fā)展趨勢，并結合生產(chǎn)實際，確定維修時間、維修部位等。在維修時，相關人員需要綜合考慮全體部件的狀態(tài)，將其納入到一個運行維修網(wǎng)絡圖，指導操作人員明確故障維修重要程度，以便于合理安排針對性維修計劃，保證機械設備的運行狀態(tài)保持良好。

5 結束語

綜上所述，在現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的背景下，機械設備的運用日益復雜化和自動化，其精密程度也有較大的提高。為保障其能夠更好地投入生產(chǎn)，保證正常、穩(wěn)定運行，需要重視其維修工作。傳統(tǒng)維修方式和技術存在停機時間長、耗費人力、物力大、影響設備的合理使用壽命等問題，因此對其可采用狀態(tài)維修技術，通過采用適當?shù)臓顟B(tài)監(jiān)測技術，科學分析和判斷故障的性質(zhì)、原因、位置、發(fā)展趨勢等，采取有效的、針對性的維修手段，對問題零部件進行修理或更換，預防嚴重事故的發(fā)生，起到預防性作用。同時能夠充分解決非計劃停產(chǎn)檢修、資源浪費等缺陷，實現(xiàn)機械設備的使用壽命延長、增加經(jīng)濟效益的優(yōu)勢。