可監測性設計在機械產品中的應用研究

張月雷 嚴新平 袁成清 白秀琴

1．武漢理工大學，武漢，430063 2．中國人民解放軍94270部隊，濟南，255017 3．船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢，430063

0 引言

伴隨科學技術的快速發展，機械系統正面臨著巨大的挑戰［1］。為適應市場和機械系統自身的需要，在機械的設計與使用中，如何有效地預防、控制和排除各種故障，發揮機械的最大功效，保持設備最高可靠性和安全性，從而提高機械系統的智能化水平已成為人們研究的重要課題。開展機械系統狀態監測和故障診斷技術的研究和應用，實時掌握機械系統運行狀態并提前預測系統故障和發展趨勢，完成機械設備以可靠性為中心的維修已成為發展的必然趨勢。

可監測性是機械設備設計的一種屬性。在設定的監測診斷技術水平下，系統的可監測性水平是在設計階段決定的［2］。國內外對機械系統狀態監測技術進行了廣泛的研究，現已形成以性能參數監測、油液分析監測、振動監測等為主的狀態監測診斷技術體系［3］。機械設備狀態監測技術逐步從研究階段走向實用化階段，各種在線監測傳感器和在線監測系統不斷問世。然而，目前國內外大量機械設備制造廠往往在設計之初未考慮系統的可監測性問題，致使系統的可監測性比較差。如在一些大型艦船上，許多重要的設備需要進行監測，可使用的監測技術手段也有很多，但由于在設計建造時忽略了設備的監測診斷工作所需要的必備條件，從而導致了對許多需要重點監測的設備無法進行有效監測或監測得不夠準確［4］。很多大型機械設備即使設計安裝了狀態監測系統，但大多數都是在系統設計生產交付使用后安裝的，產品設計和狀態監測一直走在平行的兩股道上。近年來，國內外部分學者對可監測性問題進行了一些研究，指出系統的可監測性是系統本身所具備的檢測和隔離故障的能力［5－6］。這些研究多集中在機械系統結構損傷監測方面，未對機械系統可監測性問題進行系統分析，也未見從機械系統運行狀態和性能角度進行可監測性方面研究的報道。將狀態監測技術與產品現代設計相結合，在產品設計之初就充分考慮系統可監測性問題，開展可監測性設計的研究應用已成為當務之急。

1 可監測性設計應用的意義

可監測性設計作為產品性能設計的重要組成部分，是實現系統狀態監測故障診斷的重要基礎和關鍵環節［7］。該理念的應用和實施是實現機械系統視情維修決策的基礎，可大大提高機械系統的故障預測與健康管理的能力，為以可靠性為中心的自治維修的實施奠定了基礎；可監測性設計大大提高了系統監測的準確性，對提高系統狀態監控技術、降低維修成本、節省保障費用開支有重要意義。應該說，該理念的應用實施與系統設計開發、安全可靠、維修后勤保障和生命周期成本息息相關，是實現系統可靠性、維修性、安全性、保障性、經濟性的一種關鍵技術，其具體意義如圖1所示。

2 可監測性設計的應用過程

可監測性設計的工程化實施涉及眾多人員和部門，主要涉及用戶、設備生產廠家、技術市場、設計部門和制造部門等多個對象和部門。各個部門之間都是相互影響、相互制約的，每個環節出現問題都會影響設計的進程及可監測性設計應用的效果。在可監測性設計過程中，各部門之間信息的傳遞相當復雜，呈現出一個復雜的信息傳遞鏈。其信息流在各部門之間的傳遞簡化圖如圖2所示，實際信息流的傳遞比該圖復雜得多。

圖1 可監測性設計理論應用潛在的意義

圖2 可監測性設計信息流

2．1 基于全生命周期的可監測性設計

可監測性作為機械產品的一種屬性貫穿于產品論證、設計、生產、制造、使用、維護以及報廢的整個生命周期中［7］。基于全生命周期的可監測性設計系統結構如圖3所示，其設計過程是一項復雜的系統工程，涉及結構設計、線路設計、軟件系統設計，也涉及現代設計技術、系統工程技術、狀態監測與故障診斷技術、計算機技術、傳感器技術等學科，是多學科融合的綜合性理論。

2．2 設計應用實例

本文以內燃機模擬試驗系統的設計為例來探討可監測性設計的實施。該系統中的試驗機在設計制造過程中按照基于全生命周期的可監測性設計系統框架進行。用戶在充分收集類似機械相關數據的基礎上首先提出初步可監測性要求。在設計驗證定型生產制造階段充分考慮可監測性問題，完成測點優化布置和圖紙的設計，最后完成產品的制造并交付使用。其中監測點的選取直接影響系統狀態監測與故障診斷的水平［8］。這樣，在論證階段中，系統的故障機理研究和產品研制階段中系統的測點優化布置成為可監測性設計實施過程中的關鍵環節，直接決定可監測性設計的優劣和影響系統狀態監測與故障診斷的水平。

圖3 基于全生命周期的可監測性設計系統結構

2．2．1 產品設計論證階段

產品設計論證階段主要根據機械系統的任務、性能和其他要求確定系統初步總體監測要求；根據類似系統故障情況及當前監測技術中軟硬件現狀和技術應用市場的情況，初步確定該系統采用的監測技術方式和手段。該試驗機的主要目的是用來模擬內燃機主要部件的摩擦磨損和運行性能狀況，為內燃機的設計改進提供數據支持，也為內燃機主要部件的可監測性設計提供經驗借鑒。基于上述原因，該試驗機的可監測性設計目標初步定位為A級（即監測級別定位為A級），并且盡可能進行全面的監測，以獲取更加準確可靠的狀態信息數據。收集以往數據不難發現，該類型機械系統出現的故障和失效的原因主要表現為摩擦和磨損。系統正常運行時，系統表現出磨損、振動以及溫度發生變化等方面的現象，各監測參數變量維持在一個特定的界限內或波動范圍內。當系統處于非正常工作狀態時，各監測參數變量表現出超出界限或出現大的波動，且系統性能出現明顯的劣化衰退過程。當系統在使用中出現損傷時會引起零部件結構參數發生變化，當損傷發展到使零部件結構參數超出允許值時，機械就會出現潛在故障。從潛在故障發展到功能故障（功能失效）一般具有較長的一段時間。該內燃機模擬試驗系統發生摩擦、磨損、腐蝕、疲勞、老化等現象都與時間關系密切，即該類型機械的損傷是逐步產生的，零部件的結構參數改變也是緩慢進行的，機械的性能參數也是逐漸惡化的。可見，該系統故障具有明顯的潛在性和漸發性特點。這樣，我們就可以通過各種監測技術手段實現系統故障的預防，從系統異常現象入手，可以判斷出設備的部分或整體的健康水平。在充分分析現有機械設備成熟監測技術手段和監測設備硬件現狀前提下，對該試驗機選取性能參數監測、振動監測、瞬時轉速監測和油液監測等四種監測類別來進行系統的監測。

2．2．2 產品設計研制階段

產品設計研制階段主要根據試驗機運行特點和常見故障來確立系統監測的重要部件及采用的監測方式，確立最佳監測點優化方案并在條件允許的情況下完成各種監測設備的試驗和軟硬件平臺的搭建及調試工作。在完成上述工作的情況下，根據監測設備的尺寸，在系統結構設計中完成結構設計、線路設計、接口設計等工作以及備用監測點所需的設計工作，最終完成系統的總體設計工作和圖紙設計工作。

根據技術和性能要求，該試驗機概念結構設計圖見圖4（其中圖4b為圖4a中的氣缸蓋12的放大圖）。試驗機主要由主驅動系統、內燃機模擬系統、軸向加載系統、潤滑系統、主控制系統等部分組成［9］。缸套、活塞環、曲軸、軸承等作為內燃機的核心部件，長期在高溫高壓下工作，工況惡劣。氣缸15、活塞環16、活塞17、曲軸18以及氣缸蓋12上的高壓氣體的進氣口32、排氣口30組成了主驅動機構，其動力源是高壓空氣。該主驅動機構是利用高壓空氣模擬氣缸內空氣燃燒時產生的爆炸壓力及壓力變化而實現驅動的。在氣缸15的上方裝有加熱電阻絲11，用于對氣缸15內壁的上半部分空間中的氣體進行加熱，模擬缸內的高溫環境。當氣缸15中的活塞16運動到缸體頂端時，高壓氣體進氣口32打開并進行短暫的充氣，然后控制進氣的電磁閥關閉，活塞向下移動；當活塞運行至最下端準備返回氣缸頂部時，氣體排氣口30打開，氣體排出氣缸；當活塞運轉至頂端位置，氣體排氣口30關閉，高壓氣體進氣口32打開，活塞進行下一個往復運動。可見缸套－活塞環副在高壓推動下做往復運動，發動機曲軸在徑向和軸向作用力下運動。運動中，缸套、活塞環采用飛濺潤滑，軸滑動軸承采用流體動壓潤滑。通過上述分析可知，試驗機主要監測部件應為缸套、活塞環、曲軸、軸承等。在不影響系統正常運行工作的情況下，以系統最高可靠性為原則，系統的監測點布置如圖5所示。在保障系統性能的情況下，根據油液監測傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器和轉速傳感器等的大小完成系統的總體設計。在圖紙設計過程中，通過考慮傳感器最佳安裝位置來完成監測設備在系統中的結構設計、線路孔設計等工作，最終完成系統總體設計圖。

圖4 內燃機模擬試驗機概念結構簡圖

圖5 主要監測點設置圖

2．2．3 產品生產階段

產品生產階段是可監測性設計的實施落實階段，主要工作是根據各項技術要求并按照圖紙完成產品的設計制造。在系統組裝過程中完成各種傳感器的安裝調試和布線工作，并完成外部數據采集顯示分析系統、網絡布線、網絡配置、外部硬件平臺搭建及軟件平臺調試工作。在設計之初充分考慮系統的可監測性問題，開展可監測性設計應用后交付使用的試驗機成品如圖6所示。

3 可監測性設計的應用效果

實踐證明，在產品設計之初就充分考慮系統的可監測性問題來進行產品全生命周期的可監測性設計，可實時準確地獲取系統運行中反映系統運行狀態的參數。通過對獲取的這些監測參數的分析，可對整個設備和重點部件或部位所處的狀態進行判斷，從而保障設備的有效可靠運行。經過內燃機試驗機一年多的使用，可監測性設計的效果主要表現在以下兩方面：

圖6 內燃機模擬試驗機

（1）可監測性設計的實施使設備的可監測性水平得到了顯著提高。可監測性設計的實施有效增強了試驗機系統狀態監測的能力，避免了以往類似試驗機某些部位需要進行監測而在產品設計之初未考慮的弊端。該試驗機在設計之初充分考慮了系統的可監測性問題，與以往試驗機相比，增設了在線水分傳感器、黏度傳感器、在線油液傳感器、在線顆粒傳感器、在線鐵譜可視傳感器和瞬時轉速傳感器，并且還設計了潤滑油液采樣口，使系統的可監測性水平得到了顯著提高。可監測性設計的實施確保了系統狀態監測綜合分析的需要，有效降低了系統故障識別的虛警率，使系統狀態判斷和故障診斷能力顯著提高。

（2）可監測性設計的實施使獲取的監測數據更加準確和可靠。由于進行了可監測性設計，各種傳感器均安裝在最佳位置，使系統能更加準確及時地獲取狀態數據，實現了系統地有效監測。數據獲取不可靠和故障信息延遲的弊端被有效避免，保障了系統故障預測和診斷的準確性和時間充裕性。

4 結束語

可監測性設計作為機械設計的重要組成部分，應該加強和推廣。本文是對可監測性設計理念實施的一次嘗試，通過嘗試表明可監測性設計的應用可以大大提高系統的可監測性水平，同時提高系統的可靠性和系統故障預測能力，在具體工程化應用實施中還有很多因素需要考慮：

（1）可監測性設計是一個復雜的系統工程，貫穿于系統整個生命周期中。在對機械系統開展可監測性設計時除了考慮可靠性、可監測性、維修性等因素外，還要充分考慮系統的經濟性、機械產品的外觀設計、監測設備的體積及尺寸大小等因素。

（2）監測點的選取是可監測性設計的關鍵環節，其選取的好壞直接影響系統監測的準確性和可靠性，決定可監測性設計實施的水平。

（3）可監測性設計應納入產品的設計過程中，提升到與產品可靠性、維修性設計同等重要的位置。

［1］ 郝靜如．機械可靠性工程［M］．北京：國防工業出版社，2008．

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