機械設備運行可靠性評估的發(fā)展與思考

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的需求量不斷增大。在生產(chǎn)過程中機械設備以及設備運行的有效管理對企業(yè)發(fā)展起到很大的作用。文章重點闡述了機械設備運行可靠性評估的發(fā)展這一問題，供大家參考。

關鍵詞：機械設備；運材管理；可靠性

隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構性調(diào)整，工業(yè)電子化產(chǎn)品需求處于逐年遞增態(tài)勢，信息產(chǎn)業(yè)人才、產(chǎn)業(yè)資源優(yōu)勢，以及在先進制造業(yè)領域的迅速崛起，使機械制造成為部分地區(qū)的工業(yè)強市，而先進的機械設備能有效提高工業(yè)增長速度，保證工業(yè)質(zhì)量和效益。機械設備種類繁多，機械設備運行時，其一些部件甚至其本身可進行不同形式的機械運動。機械設備由驅(qū)動裝置、變速裝置、傳動裝置、工作裝置、制動裝置、防護裝置、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部分組成。

1.機械設備可靠性評估問題

傳統(tǒng)可靠性評估方法多依賴設備的失效分布，準確求解設備失效分布參數(shù)、解析設備的失效概率是傳統(tǒng)可靠性評估的主要任務之一。設備失效分布是一種有限假設，即使在大樣本情況下，準確的失效分布也難以估計。針對某臺機械設備進行運行可靠性評估的小樣本特性，進一步加劇了失效分布參數(shù)估計的難度。傳統(tǒng)可靠性評估方法基于二值假設或有限狀態(tài)假設，即假定設備只有正常和失效兩種狀態(tài)或有限個狀態(tài)。然而在工程實際中，機械設備的狀態(tài)多是漸進連續(xù)退化的，具有很強的不確定性，表現(xiàn)為狀態(tài)變化的模糊性和隨機性。傳統(tǒng)可靠性評估的二值假設和有限狀態(tài)假設難以準確描述機械設備實際失效過程。機械設備內(nèi)部結構復雜，各個零部件之間存在著復雜的運動關系和耦合作用，不同零部件的失效分布規(guī)律不同，基于概率的可靠性數(shù)學模型往往事后統(tǒng)計其失效分布規(guī)律，難以獲得設備零部件失效前可靠性的變化規(guī)律，實現(xiàn)預知維修困難。對于正在服役的機械設備，關注的焦點是其運行過程中的可靠性。機械設備運行條件和環(huán)境多變，傳統(tǒng)的可靠性評估缺乏分析設備運行過程中各種變工況、非平穩(wěn)復雜狀態(tài)，難以實時在線評估設備的運行可靠性。

2.運行可靠性的技術分析

2.1運行可靠性與運行可靠度

機械設備是一個系統(tǒng)，由許多不同的零部件（如轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承等）組成以實現(xiàn)系統(tǒng)應具有的功能，這些不同的零部件如同組成木桶的各個木板。機械設備運行可靠性相當于木桶的存水能力，它取決于組成木桶最短的某個木板，即木桶的短板效應。設備的零部件在運行過程中受到應力、應變、電流、電壓、溫度、腐蝕等因素作用而引起其性能退化，這些零部件由早期的損傷經(jīng)歷萌生和擴展演變?yōu)楣收希M而導致設備失效。損傷、故障和失效是零部件性能不同程度退化的直觀反映。零部件性能退化后，相當于木桶的某塊木板的高度降低，成為一個短板。機械設備在運行過程中零部件的損傷發(fā)生、發(fā)展導致設備性能降低，其運行可靠性即隨之降低。因此，機械設備的運行可靠性可由損傷程度最嚴重的零部件的狀態(tài)來衡量。這和人的健康指標（運行可靠性）一樣，如果某人患高血壓疾病（故障）而其他器官基本正常，那么他的健康指標就取決于高血壓疾病的嚴重程度。因此，本文賦予運行可靠性新的含義，即運行可靠性是指設備在規(guī)定的條件下和服役的時間內(nèi)由其零部件的運行狀態(tài)所決定的完成規(guī)定功能的能力。

2.2運行可靠性評估方法

針對某臺具體機械設備，提出基于設備故障機理分析和故障特征提取的運行可靠性評估方法，建立設備運行狀態(tài)信息與運行可靠度之間的映射模型，實現(xiàn)運行可靠度的計算，為解決缺乏概率統(tǒng)計數(shù)據(jù)這一難題開辟了新途徑。機械設備在運行過程中產(chǎn)生的豐富的狀態(tài)信息，如位移、速度、加速度、噪聲、聲發(fā)射、應力、應變、溫度、壓力、電量等，能有效反映設備不同程度退化的狀態(tài)，提供設備可靠性評估的重要信息，可作為設備運行可靠性的評估依據(jù)。在設備運行狀態(tài)信息獲取的基礎上，進行動態(tài)建模與故障機理分析（正問題）以及信號處理與故障特征提取（反問題）兩大基礎理論技術研究。正問題如同醫(yī)學中的解剖學和病理學，給出人體各組織結構產(chǎn)生各種病變的原因和病變的特征，為醫(yī)療診斷提供依據(jù)。動態(tài)建模與故障機理分析針對機械設備基礎零部件（轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承等）在不同的約束條件下所受的載荷、溫度等物理量的作用，構建動力學模型并通過模型從原理上分析得到故障產(chǎn)生的機理及其在時域、頻域或時頻域中的表征，為故障診斷提供理論依據(jù)。例如數(shù)控機床高速主軸精密滾動軸承，在高速回轉(zhuǎn)條件下離心慣性力及陀螺力矩的作用下，利用動力學模型可以分析出軸承外圈損傷比內(nèi)圈損傷嚴重；反問題如同醫(yī)學中的檢驗學和診斷學，給出人體各組織結構產(chǎn)生各種病變的征兆和病變的部位，為疾病診斷提供治療依據(jù)。信號處理與故障特征提取是測量運行設備的動態(tài)響應物理量信號，通過先進的信號處理技術，如第二代小波、多小波、雙樹復小波、隨機共振、經(jīng)驗模式分解、局域均值分解等方法提取反映故障的征兆或特征，用于故障零部件的定位和損傷嚴重程度的定量，為設備健康保健提供技術支撐。例如采用第二代小波包頻帶能量分解和包絡解調(diào)技術，定量診斷電力機車輪對軸承損傷程度，據(jù)此計算電力機車輪對軸承在該條件下的運行可靠度并進行運行可靠性評估。正確的動態(tài)建模與故障機理分析加上準確的信號處理與故障特征提取為設備運行可靠性奠定了理論基礎。

3.結束語

機械設備在設計可靠性和制造可靠性的保障條件下，生產(chǎn)出廠的機械設備交付給企業(yè)用戶后，在設備全生命周期的運行服役過程中，所創(chuàng)造的價值遠遠比設備自身的價值高得多。要切實做好機械設備運行可靠性評估并能在工程中發(fā)揮作用，還有大量挑戰(zhàn)性的問題需要探索研究。需要綜合可靠性、人工智能、信號處理、故障診斷等多個領域，展開交叉研究，推進運行可靠性評估理論和技術的發(fā)展。

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