機械系統實施主動維修的方法研究

姚陸鋒,王建中

(海軍工程大學理學院,湖北武漢 430033)

與其它維修理論不同,主動維修并不是從研究故障出發來規劃維修活動,而是進一步地從研究“故障根源”出發來規劃維修活動[1]。

對機械系統實施主動維修,不僅僅包括如何全面認識系統的故障誘因及其表征信息、如何探測系統故障誘因、如何采取維修措施消除誘因等問題,還包括如何有效利用監測手段包括監測的時機、儀器、間隔周期等,及時準確的查找故障誘因,如何確定維修規則等,所以需要對各個環節的問題進行分析,找出解決問題的方法。由此可以看出機械系統實施主動維修是一個復雜的過程。

1 相關的工作分析

分析相關工作的目的是從主動維修的根本出發,逐層次分析在機械系統或設備實施主動維修時所遇到的不同環節的問題,以形成機械系統實施主動維修的方法思路。

消除系統或設備所存在的故障誘因、截斷故障進程,是實施主動維修的根本。在系統或設備工作過程中,對其采取的主動維修措施是否有效、能否消除故障誘因、截斷故障進程,取決于系統或設備會不會遇到這種故障誘因的。不同的使用條件和環境條件都會使機械系統或設備所遇到的故障誘因各不相同,因此,只有正確辨識出系統或設備可能遇到的故障誘因,才能夠確保主動維修的有效性。

當系統或設備的所有可能遇到的故障誘因確定后,如何探測系統或設備在工作中所存在的故障誘因及其大小,取決于故障誘因會有什么表征。故障誘因的表征是故障進程中誘因的信息反饋,其與誘因之間存在必然的聯系,通過獲取這些誘因的表征信息,為判定誘因是否存在提供依據。

如何獲取系統或設備在工作時的那些表征誘因大小的信息,取決于可以使用的監測方法和手段的有效性。有效的對系統進行監測獲取誘因表征信息,應合理選擇監測對象和監測要求,即明確對系統和設備的哪些部件和位置進行監測;應合理利用監測儀器,即明確針對不同誘因用何種儀器進行監測;應合理選擇監測時機,即明確在何時對系統和設備進行監測;還應該知道監測周期,即在多少時間間隔內來進行監測。

是否采取維修措施對系統或設備進行維護,取決于基于監測征兆所判定的故障誘因的種類和大小。誘因的存在和大小直接反映著故障進程發展的速度,如果誘因的大小達到了能加速系統或設備故障進程的幅度,就要采取主動維修措施,控制故障進程。然而,由于監測儀器所探測到的表征誘因大小的探測值不能直接為故障進程發展速度提供判據,所以還需要進一步對故障誘因的表征與其自身量值的大小建立一種定量關系,利用誘因表征的探測值推算誘因的大小,為維修策略的制定提供依據。

根據以上分析,在實施機械系統的主動維修時,首先應全面認識系統可能遇到的故障誘因,然后分析故障誘因會產生的各種表征,繼而研究通過何種監測診斷技術獲取故障誘因各種的表征信息,判定系統是否已經遇到了可能加速故障進程的誘因,以便于在系統的材料和性能退化之前及時來制定維修策略,消除系統故障誘因,截斷故障進程,恢復和保持設備的穩健運行狀態。顯然,這樣復雜的工作必須通過合理的工程化方法步驟來實現。

2 主動維修實施步驟

在前述基本思路的基礎上,從工程實踐的層面上,還必須考慮實施主動維修的必要性問題。實施主動維修要看是否有適用的、經濟的、有效的“主動維修”措施;同時,是否實施主動維修要看故障影響、故障后果是否有必要,過早的 “主動維修”措施有可能使零部件的壽命無法得到充分利用。所以,它特別適用于可靠度要求比較高的關鍵設備或部件。

根據相關工作分析的結果,可得到機械設備實施主動維修的方法步驟。

2.1 分析設備或系統可能的故障誘因及其衡量指標

對機械系統或一臺設備實施主動維修,首先應考慮系統實際運行的環境及所遇到的故障誘因,此時要進行的工作包括下面兩個方面的內容。

1)分析系統可能的故障誘因。

通過對系統故障機理的分析,列出系統的故障誘因列表,對故障誘因的分析必須詳細。故障機理分析是尋求機械系統發生故障的實質原因,其與機械系統的類型、使用條件和運行的環境是密切相關的。對一般機械系統故障機理分析可以得出機械系統故障的產生主要來源于系統工質、零部件、材料等特性的變化,工質特性包括污染、泄漏、化學、物理、氣蝕等方面,材料、零部件特性包括外部因素、內部因素[2]。此外,還需要對系統所處的環境條件對設備運行狀況的影響進行分析,得出可能引起系統故障的誘因。

2)建立能夠反映故障誘因大小的定量指標。

故障誘因列表中的一種或多種故障誘因存在于系統時,需要確定不同的故障誘因達到何種程度后,就會加速設備的故障進程。通過對故障誘因建立起的定量指標來衡量故障誘因的大小,以確定各種故障誘因與設備故障速度之間的關系,及其加速故障進程的特征量,為故障進程的控制提供定量指標。例如,有些反映零部件性能的指標可以根據其與系統特征參數之間的關系,轉化為系統特征參數進行指標量化。

對于公路橋梁工程而言，其處于交通運輸網的核心位置；確保其應用質量的提升對于社會發展具有重大影響。因此就其保養和加固而言，強制性是其較為典型的特征所在[2]。其主要體現在兩個層面：①公路橋梁施工管理中，國家從法律法規的角度對其進行指標規范，確保樂養護加固的高標準。②新時期，人們對于公路橋梁應用的安全要求不斷提升，其也要求工程建設單位必須進行高度嚴格的公路橋梁養護和加固。

2.2 分析各種故障誘因的表征

系統存在的故障誘因有時并不會引起明顯的材料或零部件性能下降,但如果任其繼續發展,就能形成引起故障的條件。所以,實施主動維修的前提條件,應查找出系統存在的故障誘因。

當系統或設備存在故障誘因時,如何確認故障誘因的存在,是一個關鍵性的問題。故障誘因往往具有一些表征信息,例如設備零部件振動誘因的存在,其表征信息是設備零件之間對中或平衡與否等,而并非設備振動的異常。通常即使故障誘因不明,而故障誘因的表征信息即系統的根源性參數仍是可以監測到的。所以在實施主動維修過程中,可以根據故障誘因的表征信息來獲取系統存在哪些故障誘因,方法是根據第一步中所建立的故障誘因列表,羅列出各種故障誘因的表征,建立故障誘因表征的特征信息庫,為探測誘因表征信息的方法提供相應的依據。

2.3 分析探測故障誘因表征信息的方法

實施主動維修過程中,探測故障誘因表征的特征信息,這些信息能夠反映系統工質、零部件等的狀態,從這些信息中獲得識別故障誘因的判斷參考,目的是鑒別出系統存在的真正故障誘因。對根源性參數的探測方法包括自然感官監測方法,利用熱量監測、污染監測、噪音監測等先進方法。在實際實施過程當中,還應通過對技術手冊、說明書和其他資料的研究來確定,應對系統哪些關鍵位置和部件的根源性參數進行探測,同時選擇故障誘因表征信息探測的時機,并針對不同的誘因,應利用不同的儀器進行監測其不同的表征信息。

利用探測故障誘因的表征信息,例如工質的黏度、密度、污染等,判別系統物理、化學,污染等特征參數是否發生了改變,及時確定故障誘因列表中的故障誘因存在與否,為制定維護策略提供支持,實現在系統運行的早期階段發現系統或設備的故障誘因,對于預測故障發展趨勢并截斷故障進程具有重要意義。

2.4 確定探測值與故障誘因指標之間的定量模型

探測到故障誘因的表征信息,還不能完全確定系統存在的確切故障誘因,因為從故障進程來看,故障誘因的表征信息與其本身往往不是一一對應的,即由某一種故障誘因可能衍生出其它故障誘因,隨著時間的推移,最后可以在系統中探測出若干種故障誘因的表征信息。故障誘因與其表征信息會呈現出錯綜復雜的關系,給如何甄別出系統或設備真正的故障誘因帶來很大的困難。

解決方法是依據第一步中建立的能反應故障誘因大小的定量指標,確定故障誘因表征信息的探測值與不同故障誘因大小之間的定量模型。這種定量模型的建立可以提供甄別系統運行期間工質、材料、零部件特性是否能夠發生變化的方法,為維修人員識別故障誘因提供依據。例如設備零部件間隙程度和系統溫度的探測值,這兩種表征信息特征探測值與零部件振動頻率之間的定量模型的建立,可以為維修人員識別振動故障誘因的存在提供支持。

2.5 確定故障誘因的探測周期

探測工作連續還是間斷進行,是否有效,關系到誘因查找的及時性和準確性。連續對系統或設備進行監測,需要耗費大量的人力和物力,在實際的工程中不適用,也失去了主動維修的經濟性。采取間斷監測的方法,應分析不同誘因的監測周期。根據誘因自身隨系統工作時間發展的速度,確定誘因的定量指標何時達到引起工質、零部件材料性能發生退化和并發性退化或誘因達到加速故障進程特征量的最低限度,在這個最低限度范圍內,確定各種故障誘因表征信息的探測間隔周期。

在確定的探測間隔周期內,對探測到的表征信息,根據特征值與誘因定量模型進行定量處理和分析,找出系統存在能加速故障進程的各種故障誘因,以確定對系統制定維護策略,消除故障發生根源,避免系統發展并進入具有發生故障條件的狀態。

2.6 形成維修規則

根據以上分析,對系統或一臺設備實施主動維修,應當在設備實際運行環境中全面分析系統故障誘因的前提下,得出系統的故障誘因列表及相應的表征信息特征庫,根據不同故障誘因的探測時機、儀器及間隔周期,形成探測規則,根據故障誘因指標與故障誘因表征信息特征值之間的定量關系,確認系統存在的故障誘因,并據此采取相應的維修策略,形成具體的維修規則,保持系統的穩定性。

2.7 規則的發布實施

按照以上 6個步驟,制定對整個機械系統實施主動維修的維修規程。制定維修規程要掌握設備功能、設計特性和故障機理,同時還要考慮機械系統在不同的任務和使用條件下,系統設備使用功能的不同,對維修的信息還應該長期保留,形成制度,以利于對維修工作的持續調整,使得維修工作的安排更加科學合理,確保對機械系統實施主動維修的持續推進。

按照制定的規程對機械系統或設備實施主動維修,如果在系統工作的過程中仍出現了一些故障,說明對系統的故障誘因分析還不夠全面,應根據故障的反饋信息,按照規則對系統進行分析,查找并消除故障誘因,截斷故障進程,保證在設備全壽命的使用過程中,保持系統的穩定性,達到主動維修的最終目的。

3 結束語

主動維修的最終目的就是利用先進的檢測技術,準確地判定可能引起系統故障的誘因,并在設備的材料和性能退化之前及時采取措施進行維修,截斷故障進程,恢復和保持設備的穩健運行狀態,實現從故障根源上對故障進行預防,這是維修理念和技術上的重大發展。

[1]莫布雷J.以可靠性為中心的維修 [M].石磊,谷寧昌,譯.北京:機械工業出版社,2000.

[2]姚陸鋒.機械系統故障分析及控制策略研究 [J].中國修船,2009,22(1):16-18.