基于狀態(tài)檢修的機(jī)械設(shè)備可靠性檢測(cè)及更換策略

白雪艷，張士磊，白 杰

（1.泰山科技學(xué)院，山東 泰安 271000；2.山東碩誠(chéng)機(jī)械有限公司，山東 臨沂 276000；3.山東厚豐汽車散熱器有限公司，山東 泰安 271000）

1 機(jī)械設(shè)備檢修背景

對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行設(shè)備的檢修需要考慮多種問題，如設(shè)備的使用壽命、設(shè)備的檢修成本費(fèi)用等，往往設(shè)備的檢修費(fèi)用會(huì)高于當(dāng)前的系統(tǒng)使用費(fèi)用，為此很多廠商都有所顧慮，這是因?yàn)樵O(shè)備若是發(fā)生突發(fā)故障，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行，其經(jīng)濟(jì)損失往往巨大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前企業(yè)設(shè)備故障檢修和停機(jī)損失費(fèi)用可以占到企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本的15%～40%，由此可知停機(jī)故障對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)影響重大，為此需要做好故障預(yù)防措施，確保系統(tǒng)可以在合理的可靠范圍維持正常運(yùn)作，這樣可以縮減部分損失費(fèi)用以及檢修費(fèi)用。因而這種定時(shí)檢修被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，按照設(shè)備故障規(guī)律制定出合理的檢修計(jì)劃，從總體上達(dá)到對(duì)成本的控制，以此來(lái)提高設(shè)備在使用期間的可靠性，同時(shí)避免停機(jī)事故的出現(xiàn)，降低企業(yè)損失，確保生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量，以此來(lái)提升設(shè)備生產(chǎn)能力計(jì)劃。但是因?yàn)閱我坏亩〞r(shí)檢修方式在實(shí)際工作生產(chǎn)中存在很多的缺陷，如若是間隔時(shí)間太長(zhǎng)容易出現(xiàn)檢修過剩，對(duì)于狀態(tài)良好的設(shè)備進(jìn)行反復(fù)檢修，反而縮短設(shè)備的有效利用時(shí)間，導(dǎo)致其可用度降低；其次就是檢修時(shí)間間隔較大，因?yàn)闄z修不足，導(dǎo)致很多帶有故障的設(shè)備裝置按照原定的檢修計(jì)劃，仍處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致故障惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生停機(jī)故障，其損失不僅使檢修費(fèi)用增多還會(huì)增加設(shè)備生產(chǎn)損失。

2 狀態(tài)檢修概述

狀態(tài)檢修是設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)的提升以及信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用于加工制造領(lǐng)域，其主要是通過監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)了解設(shè)備目前的運(yùn)行狀態(tài)，捕獲相關(guān)的參數(shù)，將這些參數(shù)作為判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障的依據(jù)，當(dāng)前先進(jìn)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備、診斷技術(shù)以及可靠性評(píng)估等都是為了及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障征兆，并預(yù)判設(shè)備故障部位的嚴(yán)重程度以及故障未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)等，按照診斷結(jié)果，盡可能在故障發(fā)生前或者是設(shè)備性能下降前完成主動(dòng)檢修。

狀態(tài)檢修主要結(jié)合設(shè)備運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)，了解當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)，并根據(jù)所測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)來(lái)選擇合適的檢修方案，這是因?yàn)樵O(shè)備的故障往往瞬時(shí)發(fā)生。正常故障的出現(xiàn)需要從征兆逐漸發(fā)展到最終功能故障完全異常甚至功能失效，起初因?yàn)樵O(shè)備受限無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)征兆，但是隨著征兆表現(xiàn)出來(lái)，或者是異常現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)或是捕獲到可以將其稱作潛在故障。當(dāng)從潛在故障發(fā)展到最后功能故障可以將其稱作為P-F間隔時(shí)期。目前間隔時(shí)間越短表現(xiàn)出設(shè)備從前在故障發(fā)展到功能故障所要經(jīng)過的時(shí)間也比較短，這就需要采用相對(duì)先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)做出處理。

3 狀態(tài)檢修決策分析

3.1 狀態(tài)檢修決策的要素即決策流程

在進(jìn)行協(xié)同檢修過程中需要在動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的角度將所涉及到的多方主體進(jìn)行協(xié)同工作，其包括設(shè)備廠使用廠商、生產(chǎn)商、制造商以及維護(hù)商等形成一個(gè)設(shè)備故障診斷以及設(shè)備故障維護(hù)的聯(lián)盟體系，雖然決策問題有所不同，利益主體對(duì)象也有所不同，但是將這些主要決策方如專家、檢修商等對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，確定廠商設(shè)備的檢修時(shí)間，具體見表1。具體的決策流程如圖1所示。

表1 協(xié)同檢修決策問題的決策主體

圖1 狀態(tài)檢修決策流程

3.2 基于可靠性的設(shè)備狀態(tài)檢修策略優(yōu)化

3.2.1 以可靠性為中心的設(shè)備檢修

對(duì)于加工企業(yè)來(lái)說(shuō)設(shè)備是產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵，產(chǎn)品是企業(yè)占領(lǐng)市場(chǎng)的重要要素，為此設(shè)備是企業(yè)發(fā)展的強(qiáng)有力保障，對(duì)于設(shè)備進(jìn)行檢修的目的就是保持設(shè)備原有的功能以及生產(chǎn)活動(dòng)。通常設(shè)備在使用期間需要承受一定的負(fù)荷和環(huán)境因素的影響，難免會(huì)出現(xiàn)設(shè)備零配件老化、故障以及失效等問題，從經(jīng)濟(jì)性、安全性和生產(chǎn)效率等多個(gè)方面考慮，可以通過檢修的方式來(lái)恢復(fù)這些設(shè)備原有的功能，但是隨著近些年設(shè)備的復(fù)雜程度增大，尤其是一些大型設(shè)備的自動(dòng)化程度提升，導(dǎo)致設(shè)備的生產(chǎn)成本顯著增大，為此在保證企業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)的基礎(chǔ)上，受到環(huán)境影響也愈發(fā)增大。檢修作為保證生產(chǎn)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行的更關(guān)鍵途徑，可以提升設(shè)備應(yīng)用的可靠性和安全性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期。

將設(shè)備在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可靠性作為中心檢修的判斷依據(jù)，中心檢修是根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的可靠性狀態(tài)，來(lái)判斷出設(shè)備在檢修中所需要消耗的最小資源，并通過邏輯判斷分析方式確定設(shè)備故障檢修的內(nèi)容、類型以及間隔時(shí)間和檢修的級(jí)別等，將這些內(nèi)容一一羅列出來(lái)，形成檢修大綱。基于不同的角度為企業(yè)提供合適的設(shè)備故障檢修方案。設(shè)備可靠性作為中心檢修也是系統(tǒng)化考慮設(shè)備功能和功能失效的重要途徑，基于優(yōu)先權(quán)充分考慮設(shè)備檢修的經(jīng)濟(jì)性和安全性來(lái)確定最終檢修的可行性方案和任務(wù)，其本質(zhì)是以經(jīng)濟(jì)性作為出發(fā)點(diǎn)，綜合設(shè)備故障類型以及故障模式，提出有效的檢修方案。

3.2.2 檢修策略優(yōu)化

在本文中所提到的檢修策略是需要根據(jù)檢修目標(biāo)即設(shè)備，以及維護(hù)對(duì)象失效模式來(lái)確定設(shè)備故障的檢修方案，目前檢修策略主要解決的問題就是設(shè)備的故障問題、采用什么樣的檢修方案，當(dāng)采用這樣的檢修方案以后設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)將有何種變化。從20世紀(jì)60年代起就有學(xué)者對(duì)檢修策略優(yōu)化問題展開討論，這也是工業(yè)領(lǐng)域重要的研究方向之一，這是因?yàn)樵O(shè)備故障檢修可以提升設(shè)備的應(yīng)用可靠性，但需要支付一定的檢修費(fèi)用，根據(jù)故障類型的不同所需要的檢修費(fèi)用也存在差異，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)檢修費(fèi)用會(huì)因?yàn)闄z修次數(shù)的增多而增加。同時(shí)，設(shè)備系統(tǒng)的可用度也會(huì)因此受到影響，其表現(xiàn)為隨著檢修次數(shù)的增多相應(yīng)可用度也有所下降，因而檢修策略優(yōu)化的目的主要是平衡設(shè)備的可用度和設(shè)備的檢修費(fèi)用，確保對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修的時(shí)間是設(shè)備檢修成本最低的階段。

在企業(yè)生產(chǎn)中可以從生產(chǎn)角度、安全角度等方面將設(shè)備按照重要程度依次劃分為一類設(shè)備，這些設(shè)備目前在企業(yè)使用數(shù)量占比較小，但是該設(shè)備占據(jù)著企業(yè)設(shè)備的多數(shù)資金，對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)有著較大的影響力。在本文中主要是對(duì)于這類設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢修，在狀態(tài)檢修前需要考慮狀態(tài)檢修策略優(yōu)化的問題。狀態(tài)檢修主要是根據(jù)多數(shù)故障不會(huì)瞬時(shí)發(fā)生的規(guī)律，從故障出現(xiàn)征兆→征兆被發(fā)現(xiàn)→故障發(fā)生，一個(gè)過程需要經(jīng)歷一段的時(shí)間，具體過程如圖2所示。在設(shè)備或者是設(shè)備局部出現(xiàn)故障前都會(huì)有征兆。開展?fàn)顟B(tài)檢修的目的就是為了了解從征兆到故障發(fā)生的趨勢(shì)，若是持續(xù)蔓延的現(xiàn)象，就需要在故障發(fā)生前綜合設(shè)備的可用度選擇合適的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行停機(jī)檢修，避免后續(xù)有更大的設(shè)備問題出現(xiàn)。

圖2 P-F曲線與P-F間隔

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，或者是從某一個(gè)故障征兆來(lái)臨發(fā)展到功能故障時(shí)，在這期間若是可以較早地監(jiān)測(cè)出故障征兆點(diǎn)所在的位置P，在P點(diǎn)前，雖然已有故障征兆顯現(xiàn)出來(lái)，但是由于技術(shù)限制無(wú)法及時(shí)將其監(jiān)測(cè)到，只有在P點(diǎn)所在的位置才可以通過設(shè)備或者是技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷故障征兆的特征。狀態(tài)檢測(cè)主要是監(jiān)測(cè)在發(fā)現(xiàn)故障征兆點(diǎn)P到設(shè)備受到故障影響，系統(tǒng)發(fā)生的變化，這樣便于及時(shí)采取合適的檢修措施來(lái)進(jìn)行故障排除，同時(shí)也可以有效地遏制故障影響規(guī)?；Ｗ钤缈梢员O(jiān)測(cè)到故障征兆所在的位置P點(diǎn)和功能故障所在的點(diǎn)F間經(jīng)過的時(shí)間，通常會(huì)將其稱作為P-F間隔期間，也屬于故障在不斷擴(kuò)大和發(fā)展的時(shí)間。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)相對(duì)于更換設(shè)備更希望可以延長(zhǎng)現(xiàn)有設(shè)備的使用時(shí)間，為此會(huì)選擇檢修。對(duì)于檢修人員需要根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果選擇合理的檢修時(shí)間，針對(duì)設(shè)備的故障類型選擇合適的檢修方案，盡可能保障設(shè)備在可靠度的前提下使用的經(jīng)濟(jì)性。

4 檢測(cè)更換策略

4.1 按照安全原則進(jìn)行檢修

設(shè)備發(fā)生故障后嚴(yán)重影響到運(yùn)行安全，為此需要適當(dāng)?shù)乜s短裝備檢修的時(shí)間，以此來(lái)增強(qiáng)設(shè)備機(jī)械故障的檢修頻度，這樣可以保證設(shè)備在安全的狀態(tài)下運(yùn)行，設(shè)備的故障率維持在相對(duì)低的水平下，以此來(lái)滿足設(shè)備安全運(yùn)行的原則。

對(duì)于機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)需要在隱患周期內(nèi)對(duì)其可用度進(jìn)行估計(jì)，目前機(jī)械設(shè)備的平均可用度與安全隱患檢查周期呈現(xiàn)出函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)具有反比特性，因而需要單位的實(shí)際需求在設(shè)備運(yùn)行期間滿足可用度，并且確定合適的檢修周期。

4.2 按照經(jīng)濟(jì)效益確定設(shè)備的檢修周期

為了確保設(shè)備在發(fā)生故障后不會(huì)影響到具體的運(yùn)行安全，可以從經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)確定設(shè)備的檢修周期，檢修周期的確定需要遵循合理性，若是太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備從安全期進(jìn)入到故障期，耗費(fèi)大量的時(shí)間又要增加檢修費(fèi)用，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)不符合經(jīng)濟(jì)效益的要求。因而需要借助檢修系統(tǒng)來(lái)確定各參數(shù)間的實(shí)際關(guān)系，優(yōu)化傳統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系，這樣可以選擇出最合適的檢修周期，確保機(jī)械設(shè)備處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)檢修費(fèi)用也不會(huì)有所浪費(fèi)，但是需要注意成本費(fèi)用的控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前因市場(chǎng)的變化，各行各業(yè)的應(yīng)用設(shè)備在不斷增加，設(shè)備向著精密化、智能化方向發(fā)展，導(dǎo)致設(shè)備的復(fù)雜度也因此增大，對(duì)于檢修人員來(lái)說(shuō)檢修難度提升，為了有效控制設(shè)備停機(jī)為企業(yè)帶來(lái)的損失，采用新的檢修方式，深入對(duì)設(shè)備檢修方式、設(shè)備故障決策和設(shè)備檢修費(fèi)用等多方面問題的思考，依據(jù)設(shè)備的可靠度，制定合適的檢修策略，因而在本文基于多種檢修方式，采用協(xié)同決策，對(duì)狀態(tài)檢修策略進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)又對(duì)設(shè)備檢測(cè)更換策略進(jìn)行分析。

（1）基于設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及監(jiān)測(cè)性等方面需要了解設(shè)備的重要影響因素，可以采用層次分析法或者蒙特克羅模擬方法了解設(shè)備的重要度，然后基于設(shè)備重要度提出符合邏輯要求的判斷規(guī)則，展開對(duì)設(shè)備故障檢修方式的分析。

（2）在分析中需要明確設(shè)備故障檢修決策的主體、決策解決的問題以及決策流程，基于決策中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)同檢修決策模型，解決故障決策存在的問題，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的方式來(lái)提出設(shè)備故障檢修決策流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)檢修時(shí)機(jī)的優(yōu)化，以設(shè)備檢修成本最小為目標(biāo)，以可靠度作為決策約束提供設(shè)備故障狀態(tài)檢修策略優(yōu)化方案。