淺論機械系統的可監測性設計理論

車彥奇等

摘要：機械系統是人類用于轉換能量和減輕體力勞動，改造自然提高生產效率的主要工具，是國民經濟經濟支柱的基礎，是生產力發展的重要標志。其機械產品的性能和制造水平是一個國家綜合實力的象征。而機械系統監測狀態的水平與機械系統的設計、加工、裝配直至使用、維護、保養的全過程息息相關。本文從機械系統的可監測性設計的必要性、可行性出發，對其研究內容和意義進行了分析。

關鍵詞：機械系統；可監測性設計理論；意義

機械系統的可監測性設計理論研究對提高機械系統產品性能和市場競爭力具有重要意義。在產品設計之初就考慮監測問題，將可監測性設計納入產品功能設計、可靠性設計、安全性設計、保障性設計、維修性設計等同等重要的位置，將大大提高機械系統的監測水平和準確性，為機械系統的監測與診斷奠定基礎，進而推動我國機械設備故障預測與健康管理發展提供必要的條件。

1.開展可監測性設計的必要性

首先，機械產品設備及其系統不斷向大型化、復雜化、集成化、高參數化和自動化方向邁進，其工作條件的要求越來越高，設備維修越來越復雜困難，這對機械產品設計提出了更高的要求，同時用戶對產品的可靠性、智能化水平要求越來越高。

其次，由于產品設計之初未考慮監測問題，致使大部分機械系統的可監測性差，往往造成狀態信息的采集困難，即使采集到了數據由于監測點位置的選取不當而數據對系統狀態的反映的敏感度卻不高，有時甚至無法獲取。如在眾多大型機械系統存在很多重要、關鍵的設備需要開展監測，且可使用的監測的技術手段也有多種，但由于該系統在設計建造時忽略了該設備完成監測診斷所需的基本條件，沒有設計安裝必要的監測設備或沒有預留監測所必須的測試部位或接口，這就導致了許多需要重點監測的設備無法進行有效地監測或是監測到的數據不夠直接準確并不能反映系統的真實狀態。

2.開展可監測性設計的可行性

首先，計算機技術、網絡技術、傳感器技術、智能技術的快速發展，為監測性設計的進行提供了可靠的硬件和軟件基礎，其常規性能、振動、噪聲、瞬時轉速、油液監測等技術在許多機械系統狀態監測中廣泛應用積累了豐富的經驗和數據，且有些已可實現系統在線監測的需要。

其次，所有的機械系統都具有機械產品存在的明顯劣化衰退過程，當其非正常工作狀態時，就會表現出或監測到磨損、振動、溫度等方面的異常現象，從這些異常現象入手，可以判斷出產品的健康水平。縱觀機械系統的失效形式，從系統工程學的觀點出發，運用摩擦學知識和理論，該系統可看作一個復雜的摩擦學系統。它具有顯著的時變性和系統依賴性。這就為系統提供了監測的可行性，而且從監測的角度獲得參數隨時間變化的特征比獲得參數即時絕對值顯得更為重要。

3.可監測性設計的研究內容

可監測性設計是對系統的設計而非單一部件的設計，所以可監測性設計可以理解為是在系統、分系統、設備、組件和部件的綜合設計過程中，綜合考慮系統運行過程和各種監測技術手段方法基礎上，并完成系統監測的可觀性、可達性而進行的內部監測和外部監測設備的設計安裝，實現系統狀態監測的全壽命周期的設計過程。

第一，可監測性設計相關術語研究。該部分主要是結合CMFD技術、PHM技術、機械現代設計理論、機械故障機理、機械失效理論等，采用科學調研、工程化項目總結提煉、領域專家研討等手段，系統研究機械系統狀態監測與現代設計基礎理論知識，借鑒機械系統可靠性設計、維修性設計等理論體系的經驗，構建可監測性設計體系的基本術語的組成、標準定義、內涵及外延等內容。

第二，可監測性分配方法研究。測點的選取是可監測性設計的關鍵，直接影響可監測性設計實施的效果。可監測性分配方法即系統監測點優化布置方法研究。主要是借鑒可靠性、維修性分配方法理論，以機械系統高可靠性、高安全性和智能化為目標，以獲取反映機械系統運行狀態的準確可靠數據為準則。研究基于層次分析理論、FMECA 分析、故障樹分析理論及最優化理論等的機械系統監測點優化布置方法，構建監測點選取策略和基本選取原則，并制定傳感器選取的原則和策略，形成機械系統可監測性優化分配方法體系。

第三，可監測性設計方法研究。該內容主要是在深入調研了解機械系統設計方法的基礎上，結合可靠性設計方法、可維修性設計方法、保障性設計方法等制定可監測性設計的設計準則、可監測性設計的實施細則，運用并行工程思想和全生命周期設計理論綜合考慮效益原則、安全性原則、可靠性原則、危險性原則建立可監測性設計綜合優化方法體系，開展可監測性設計的工程化實施方法指導。

第四，可監測性設計評價研究。實施科學評價是可監測性設計實施的關鍵，它貫穿于可監測性設計的整個過程，包括設計階段的評價、生產階段的評價和使用階段的評價等。該部分主要是結合當前系統評價理論和方法，收集相關數據建立基于各特征參數不完全信息情況下的機械系統可監測性設計的評價參數體系，進而構建系統可監測性設計各階段的評價模型，形成可監測性設計各階段的評價體系和評價方法。

4.開展可監測性設計的意義

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的基礎和關鍵環節。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。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。

在產品設計之初就開展可監測性設計工作，充分考慮機械系統的可監測性，使系統具備良好的可監測性。這種系統將具備良好的性能監控、故障監測診斷與預測和故障定位能力，大大減少故障診斷與定位的時間，降低對維修保障人員的技能要求，提高完成任務的可靠性，加強機械系統的使用效能，降低機械系統全壽命周期的維修保障費用。