企業設備預防性維護策略優化

摘 要：制造企業要想在市場競爭中獲得優勢，設備維護是一項必要的生產管理舉措。隨著企業設備規模的大型化和復雜化，傳統的設備維護模式已不能滿足現代企業對設備的維護管理的需求。該文提出了一種設備在“修復非新”情況下的預防性維護模型，該模型采用預防性維護調整因子法。該調整因子直接考慮到設備的可靠性和故障率，通過設備的故障率函數變化可以表示出設備的預防性修復結果。并通過案例分析計算對該模型的正確性和有效性進行驗證。

關鍵詞：設備 預防性維護 優化策略 修復非新

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0211-02

近年來，隨著市場全球化的發展，現代企業的市場競爭日益激烈。企業需要根據全球市場的變化迅速的作出反應，以滿足客戶多樣化的需求，而企業的設備狀態對產品質量有著直接的影響，同時設備成本也對企業的利潤有著巨大影響。為此，維護設備性能以較少的投入獲得高回報是保證企業經營利潤的一個重要方面。

隨著科學技術的進步、設備復雜性的增加以及人們對設備故障規律認知水平的提高，設備的維護技術不斷創新發展。設備預防性維護主要作用是通過延長設備使用壽命來降低生產費用，避免技術事故，減少企業成本[1-2]。

1 設備預防性維護的發展現狀

自20世紀50年代，人們開始更進一步的認識設備的運行機理：設備有一個從正常工作到產生磨損再到發生故障到最后影響使用安全的過程。要保證設備在使用過程中的安全可靠，應該在其故障發生前就開始預防性維修工作，形成一種以預防為主的維護理念。這種理念實質是采用預防性計劃和措施將故障在發生初期就消滅掉，不用被動的等故障發生再去維修。

預防性維護的傳統方法是采用等周期的檢修，設備所有部件通過檢修而得到徹底修復，即設備能夠“修復如新”。但設備在實際的維護過程中，隨著使用時間和預防性維護次數的增加，設備故障率逐漸增加，傳統方法并不能對設備的可靠度進行有效改善，所以設備的預防性維護周期應隨著使用時間的增長而縮短，以此保證設備的安全可靠。于是有學者提出了對設備的“修復非新”策略，該策略將設備的預防性維護周期隨著設備使用時間的增長逐步縮短。目前，對于設備的“修復非新”采用最多的建模方法是調整因子法。因為該因子直接考慮到設備的可靠性和故障率，通過設備的故障率函數變化可以表示出設備的預防性修復結果[3-4]。

2 設備預防性維護模型的建立

2.1 設備故障率函數的選取

故障是指設備的零部件無法達到它規定的使用功能狀態。通過對故障發生的規律分析，一般將其分為三個階段：早期故障期、偶發故障期和耗損故障期。設備在早期故障期的故障率隨著時間逐步下降，這段時間的長短與產品質量有關，故障原因主要是設計和使用上的缺陷。當對此類問題進行有效處理，設備運行穩定后進入偶發故障期，故障率低且穩定。設備到使用的后期，由于零部件的磨損、老化等原因故障率又開始上升，此階段為耗損故障期。

針對設備故障各階段的不同特點，目前學者們提出了泊松分布、正態分布、指數分布、威布爾分布等多種故障率分布。該模型采用威布爾分布[5]。選取該函數為：

（1）

式（1）：中β為形狀參數；η為生命特征參數。在威布爾分布中，當η不變，β>1時，設備的故障率為逐步下降的趨勢。β=1，設備的故障率穩定趨于常量。β>1，設備故障率為逐步增長的趨勢。對β和η兩個參數的取值參考具體設備收集的故障數據進行數理分析而得。

2.2 建立“修復非新”模型

該文采用預防性維護調整因子法對設備進行“修復非新”建模，用預防性維護調整因子來表示設備預防性維護的效果，該因子與設備的維護成本、設備使用時長和維護的學習效應等因素有關，隨著設備運行時間和維護次數的增加而變化。設備的預防性維護的修復非新模型為：

（2）

該模型中，λn為對設備進行第n此預防性維護的使用時長調整因子；ε為成本調整系數；kr為購買設備的成本；kpn為設備進行維護所花費的成本。當kr=kpn，且ε=1時，λn=1，即設備的維護成本相當于購買成本，可重新購買設備。v為時間調整系數，設備隨著運行時間增長，性能和可靠性逐漸降低，對設備進行預防性維護的效果減小，調整因子值也隨之減小；w為預防維護學習效應調整系數，該系數可由經驗給定數值。

2.3 建立設備預防性維護模型

設定模型參數：Tn為第n個預防維護周期；λn為預防性維護的調整因子；dn為第n次進行維護后設備的等效使用時長；tn為設備維護時間；tr為設備出現故障所需修復時間。用威布爾分布來表示設備故障率分布，假定β>1，設備隨運行時間增長故障率逐步增高。須通過預防性維護來提高設備運行性能。設備實際使用時長是指設備運行的時間總和，等效使用時長是考慮預防性維護對設備有一定修復效果，使該設備的實際使用時長出現回退。設定設備在進行第n次預防性維護前的等效使用時長為dn-1，調整因子為λn-1，則設備的使用時長回退量：dn-1λn-1，設備等效使用時長：λn-1（1-λn-1）。

設備在進行第n此預防性維護后的等效使用時長為：

dn=（dn-1+Tn）（1-λn）

則設備在第n個預防性維護周期出現故障次數為：

（3）

設備在設定的一個維護周期內，有效工作時間為Tn，出現故障后的修復花費時間為trm（Tn），預防性維護花費時間為tp，則設備的性能穩態可用度為：

=

（4）

以設備的性能穩態度作為優化指標取其最大，由式（4）可得設備預防性維護的周期。

3 模型驗證

對某設備的歷史故障數據進行數理分析，由威布爾分布的參數估計方法，得設備故障率的分布函數：

對修復非新模型參數設定如下：成本調整系數β=1，維護成本kpn=3000，購買成本kr=600000，時間調整系數v=0.005，學習效應調整系數w=0.9。則預防性維護調整因子為：

設定設備的初始使用時長do=40，預防性維護花費時間tp=4，設備故障所需修復時間tr=12，有效工作時間tn=30。

對式（4）進行迭代求解，得該設備前九次預防性維護周期，如表1所示。

由表1可知，隨著設備的預防性維護次數的增加，預防性維護的周期縮短，也說明了該文關于設備預防性維護模型的正確性。

4 結語

隨著先進制造技術的高速發展，傳統設備維護模式很難滿足企業需要，改善設備的維護技術是提升制造企業競爭力的有效途徑，該文利用預防性維護調整因子構建了設備在“修復非新”情況下的預防性維護模型，并通過案例進行驗證，正面模型的正確性。下一步的研究中，在對設備的維護效果方面建模，可通過混合的故障率變化規律來建立“修復非新”模型。

參考文獻

[1]多小玲，包旺寧.電力系統變電運維安全管理與設備維護[J].電子制作，2015（3）：243.

[2]單志榮.鐵路信號計算機聯鎖設備維護與管理[J].電子技術與軟件工程，2012（6）：91-93.

[3]吐遜江，麥麥提.計算機設備維護的規范化管理研究[J].電子制作.2015（13）.252.

[4]石慧，曾建潮.基于壽命預測的預防性維護策略[J].計算機集成制造系統，2014，20（5）：1134-1140.

[5]夏唐斌，周曉軍.基于失效率調整因子的多目標動態預防性維護決策建模[J]，上海交通大學學報，2009，43（5）：821-824.