淺論機(jī)械系統(tǒng)的可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)理論

車彥奇等

摘要：機(jī)械系統(tǒng)是人類用于轉(zhuǎn)換能量和減輕體力勞動(dòng)，改造自然提高生產(chǎn)效率的主要工具，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)支柱的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力發(fā)展的重要標(biāo)志。其機(jī)械產(chǎn)品的性能和制造水平是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征。而機(jī)械系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)的水平與機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、裝配直至使用、維護(hù)、保養(yǎng)的全過(guò)程息息相關(guān)。本文從機(jī)械系統(tǒng)的可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的必要性、可行性出發(fā)，對(duì)其研究?jī)?nèi)容和意義進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械系統(tǒng)；可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)理論；意義

機(jī)械系統(tǒng)的可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)理論研究對(duì)提高機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)品性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就考慮監(jiān)測(cè)問(wèn)題，將可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)納入產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、保障性設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)等同等重要的位置，將大大提高機(jī)械系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)水平和準(zhǔn)確性，為機(jī)械系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與診斷奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)機(jī)械設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理發(fā)展提供必要的條件。

1.開展可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的必要性

首先，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備及其系統(tǒng)不斷向大型化、復(fù)雜化、集成化、高參數(shù)化和自動(dòng)化方向邁進(jìn)，其工作條件的要求越來(lái)越高，設(shè)備維修越來(lái)越復(fù)雜困難，這對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)用戶對(duì)產(chǎn)品的可靠性、智能化水平要求越來(lái)越高。

其次，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初未考慮監(jiān)測(cè)問(wèn)題，致使大部分機(jī)械系統(tǒng)的可監(jiān)測(cè)性差，往往造成狀態(tài)信息的采集困難，即使采集到了數(shù)據(jù)由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的選取不當(dāng)而數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的反映的敏感度卻不高，有時(shí)甚至無(wú)法獲取。如在眾多大型機(jī)械系統(tǒng)存在很多重要、關(guān)鍵的設(shè)備需要開展監(jiān)測(cè)，且可使用的監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段也有多種，但由于該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)建造時(shí)忽略了該設(shè)備完成監(jiān)測(cè)診斷所需的基本條件，沒(méi)有設(shè)計(jì)安裝必要的監(jiān)測(cè)設(shè)備或沒(méi)有預(yù)留監(jiān)測(cè)所必須的測(cè)試部位或接口，這就導(dǎo)致了許多需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的設(shè)備無(wú)法進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)或是監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)不夠直接準(zhǔn)確并不能反映系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)。

2.開展可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的可行性

首先，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能技術(shù)的快速發(fā)展，為監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的進(jìn)行提供了可靠的硬件和軟件基礎(chǔ)，其常規(guī)性能、振動(dòng)、噪聲、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、油液監(jiān)測(cè)等技術(shù)在許多機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，且有些已可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的需要。

其次，所有的機(jī)械系統(tǒng)都具有機(jī)械產(chǎn)品存在的明顯劣化衰退過(guò)程，當(dāng)其非正常工作狀態(tài)時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出或監(jiān)測(cè)到磨損、振動(dòng)、溫度等方面的異常現(xiàn)象，從這些異?，F(xiàn)象入手，可以判斷出產(chǎn)品的健康水平?？v觀機(jī)械系統(tǒng)的失效形式，從系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)和理論，該系統(tǒng)可看作一個(gè)復(fù)雜的摩擦學(xué)系統(tǒng)。它具有顯著的時(shí)變性和系統(tǒng)依賴性。這就為系統(tǒng)提供了監(jiān)測(cè)的可行性，而且從監(jiān)測(cè)的角度獲得參數(shù)隨時(shí)間變化的特征比獲得參數(shù)即時(shí)絕對(duì)值顯得更為重要。

3.可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容

可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)是對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而非單一部件的設(shè)計(jì)，所以可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)可以理解為是在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件和部件的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和各種監(jiān)測(cè)技術(shù)手段方法基礎(chǔ)上，并完成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的可觀性、可達(dá)性而進(jìn)行的內(nèi)部監(jiān)測(cè)和外部監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)安裝，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的全壽命周期的設(shè)計(jì)過(guò)程。

第一，可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)相關(guān)術(shù)語(yǔ)研究。該部分主要是結(jié)合CMFD技術(shù)、PHM技術(shù)、機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、機(jī)械故障機(jī)理、機(jī)械失效理論等，采用科學(xué)調(diào)研、工程化項(xiàng)目總結(jié)提煉、領(lǐng)域?qū)＜已杏懙仁侄?，系統(tǒng)研究機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論知識(shí)，借鑒機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)等理論體系的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)體系的基本術(shù)語(yǔ)的組成、標(biāo)準(zhǔn)定義、內(nèi)涵及外延等內(nèi)容。

第二，可監(jiān)測(cè)性分配方法研究。測(cè)點(diǎn)的選取是可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)實(shí)施的效果?？杀O(jiān)測(cè)性分配方法即系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置方法研究。主要是借鑒可靠性、維修性分配方法理論，以機(jī)械系統(tǒng)高可靠性、高安全性和智能化為目標(biāo)，以獲取反映機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)為準(zhǔn)則。研究基于層次分析理論、FMECA 分析、故障樹分析理論及最優(yōu)化理論等的機(jī)械系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置方法，構(gòu)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取策略和基本選取原則，并制定傳感器選取的原則和策略，形成機(jī)械系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)性優(yōu)化分配方法體系。

第三，可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)方法研究。該內(nèi)容主要是在深入調(diào)研了解機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性設(shè)計(jì)方法、可維修性設(shè)計(jì)方法、保障性設(shè)計(jì)方法等制定可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的實(shí)施細(xì)則，運(yùn)用并行工程思想和全生命周期設(shè)計(jì)理論綜合考慮效益原則、安全性原則、可靠性原則、危險(xiǎn)性原則建立可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)綜合優(yōu)化方法體系，開展可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的工程化實(shí)施方法指導(dǎo)。

第四，可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)研究。實(shí)施科學(xué)評(píng)價(jià)是可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)實(shí)施的關(guān)鍵，它貫穿于可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，包括設(shè)計(jì)階段的評(píng)價(jià)、生產(chǎn)階段的評(píng)價(jià)和使用階段的評(píng)價(jià)等。該部分主要是結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)評(píng)價(jià)理論和方法，收集相關(guān)數(shù)據(jù)建立基于各特征參數(shù)不完全信息情況下的機(jī)械系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)參數(shù)體系，進(jìn)而構(gòu)建系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)各階段的評(píng)價(jià)模型，形成可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)各階段的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法。

4.開展可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)的意義

可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷的重要的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該理念的應(yīng)用和實(shí)施是實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)視情維修決策的基礎(chǔ)，可大大提高機(jī)械系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與健康管理的能力，為以可靠性為中心的自治維修的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)；可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)提高系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、降低維修成本、節(jié)省保障費(fèi)用開支有重要意義。該理念的應(yīng)用實(shí)施與系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)、安全可靠、維修后勤保障和生命周期成本息息相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、維修性、安全性、保障性、經(jīng)濟(jì)性的一種關(guān)鍵技術(shù)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就開展可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)工作，充分考慮機(jī)械系統(tǒng)的可監(jiān)測(cè)性，使系統(tǒng)具備良好的可監(jiān)測(cè)性。這種系統(tǒng)將具備良好的性能監(jiān)控、故障監(jiān)測(cè)診斷與預(yù)測(cè)和故障定位能力，大大減少故障診斷與定位的時(shí)間，降低對(duì)維修保障人員的技能要求，提高完成任務(wù)的可靠性，加強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)的使用效能，降低機(jī)械系統(tǒng)全壽命周期的維修保障費(fèi)用。