機(jī)電設(shè)備預(yù)防性維修周期研究

摘 要：機(jī)電設(shè)備事后性維修方式給產(chǎn)品的維修成本和維修工時(shí)帶來(lái)了很大的浪費(fèi)，而不科學(xué)的“定時(shí)”預(yù)防性維修不但不能很有效的解決問(wèn)題，反而可能給產(chǎn)品帶來(lái)新的維修。因此，本文針對(duì)機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)，從預(yù)防性維修對(duì)象鑒別、預(yù)防性維修周期方法的確定以及基于壽命統(tǒng)計(jì)特性的預(yù)防性檢測(cè)維修周期模型的確定等幾個(gè)方面對(duì)預(yù)防性維修周期進(jìn)行了研究，為機(jī)電設(shè)備預(yù)防性維修制定維修周期提供科學(xué)的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)電設(shè)備 預(yù)防性維修周期 威布爾分布

一、引言

維修活動(dòng)按照目的與時(shí)機(jī)劃分，可分為預(yù)防性維修和修復(fù)性維修。修復(fù)性維修是針對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行的維修，屬于事后維修。預(yù)防性維修則是在事故發(fā)生之前對(duì)設(shè)備提前進(jìn)行預(yù)防性檢修，使其保持在規(guī)定的技術(shù)狀態(tài)，消除故障隱患，防患于未然。一般來(lái)說(shuō)，預(yù)防性維修主要適用于故障后果影響較嚴(yán)重的情況。目前機(jī)電產(chǎn)品采取的預(yù)防性維修主要是把故障后果嚴(yán)重的具有耗損特性的部件，經(jīng)過(guò)一定使用期限后，均定為潛在故障部件而加以翻修或更換。但隨著現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備性能提升而復(fù)雜性不斷提高時(shí)，這種維修方式并不能完全防止故障的發(fā)生，反而隨著定期維修周期的縮短，在裝配、維修中的操作失誤，導(dǎo)致“早期故障”時(shí)有發(fā)生，可靠性水平不能得到有效保持[1]。同時(shí)大量的維修工作量導(dǎo)致維修工時(shí)大幅上升，維修費(fèi)用急劇上升，設(shè)備的可用性水平大幅下降。

“以可靠性為中心的維修分析”（RCM）的預(yù)防維修方式的出現(xiàn)，大大提高了預(yù)防性維修的工作效率。其中檢測(cè)更換周期是RCM中的核心，合理確定各部件的檢測(cè)更換周期能夠減少維修資源消耗，在降低產(chǎn)品的維修工時(shí)和維修成本的同時(shí)，保持產(chǎn)品的可靠性和安全性水平。因此本文以RCM為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的預(yù)防性維修進(jìn)行研究，以期為機(jī)電產(chǎn)品的維修提供幫助。

二、預(yù)防性維修對(duì)象的鑒別

鑒別預(yù)防性維修對(duì)象的界限，應(yīng)以失效率隨時(shí)間上升為準(zhǔn)則。當(dāng)部件的失效率隨使用時(shí)間增加而上升時(shí)，發(fā)生失效的概率就與日俱增。因此當(dāng)失效概率（即不可靠度）上升到一定高度而尚未發(fā)生失效時(shí)，用新部件更換已經(jīng)處于高失效概率的舊部件，可靠性就得到了保障。

由于三參數(shù)威布爾分布含有參數(shù)較多，因此應(yīng)用范圍較廣。在工程應(yīng)用中，多數(shù)電子產(chǎn)品及具有耗損特性的機(jī)械產(chǎn)品，其壽命分布均可以視為服從威布爾分布。本文使用威布爾分布來(lái)描述部件的壽命分布。威布爾分布的可靠度函數(shù)如下所示：

（1）

式中，-形狀參數(shù)；-位置參數(shù)；α-尺度參數(shù)。

威布爾分布可以描述失效率下降、上升或?yàn)槌?shù)的部件壽命分布。假設(shè)具有此種壽命特性的部件經(jīng)過(guò)使用時(shí)間后，它在規(guī)定的任務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的可靠性條件概率記為。現(xiàn)在考察某部件經(jīng)過(guò)累積使用時(shí)間后的可靠性條件概率和尚未使用過(guò)的新部件在任務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的可靠性概率之比，令比例系數(shù)為，即：

（2）

根據(jù)的大小可以判斷出預(yù)防性維修對(duì)該種部件是否有效。

根據(jù)條件概率公式，可靠性條件概率等于：

（3）

所以，根據(jù)式（1）、（2）、（3）可得比例系數(shù)：

（4）

現(xiàn)在用形狀參數(shù)分別等于1、大于1和小于1代表不同壽命統(tǒng)計(jì)特性的部件來(lái)考察比例系數(shù)的大小。在工程實(shí)際應(yīng)用中，任何部件的最小保證壽命不小于0，故設(shè)定位置參數(shù)=0，對(duì)兩參數(shù)威布爾分布進(jìn)行分析。后面討論的都屬于兩參數(shù)威布爾分布。

1.當(dāng)形狀參數(shù)=1時(shí)，比例參數(shù)=1。此時(shí)新部件與舊部件的可靠性一樣，用新部件更換舊部件的預(yù)防維修措施無(wú)效，白白浪費(fèi)了舊部件。形狀參數(shù)=1的壽命統(tǒng)計(jì)特性，實(shí)際上是失效率等于常數(shù)的負(fù)指數(shù)分布，這是絕大多數(shù)電子元器件的正常壽命特性。可見(jiàn)，電子元器件不需要也不應(yīng)該進(jìn)行定期更換的預(yù)防維修。

2.當(dāng)形狀參數(shù)<1時(shí)，比例參數(shù)>1。此時(shí)舊部件比新部件的可靠性高，用新部件更換已經(jīng)使用過(guò)T時(shí)間的舊部件可靠性反而下降。形狀參數(shù)小于1的威布爾分布，是電子元器件中的半導(dǎo)體器件的壽命分布特性。半導(dǎo)體器件在正常使用條件下壽命很長(zhǎng)，使用過(guò)的器件的可靠性比新器件要高，并不意味著器件的壽命隨使用時(shí)間而增加。新器件可靠性不如已經(jīng)用過(guò)的舊器件，原因在于存在早期失效器件。

3.當(dāng)形狀參數(shù)>1時(shí)，比例參數(shù)<1。此時(shí)新部件的可靠性比舊部件高。此類(lèi)壽命特性的部件，均是需要進(jìn)行定期維護(hù)、定期檢測(cè)、定期翻修或定期更換等預(yù)防維修的對(duì)象。這類(lèi)部件通常稱(chēng)為“有壽部件”。電子元器件中的磁控管、速調(diào)管、行波管、顯像管、繼電器、電位器、接插件等，機(jī)械結(jié)構(gòu)件中的齒輪部件、滾珠軸承、活塞氣缸運(yùn)動(dòng)部件等，其壽命均是形狀參數(shù)大于1的威布爾分布。

對(duì)于單元失效率是常數(shù)的冗余結(jié)構(gòu)，其失效率已經(jīng)不是常數(shù)，而是使用時(shí)間的增函數(shù)，對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)必須進(jìn)行預(yù)防性維修。不過(guò)此類(lèi)系統(tǒng)是更換已經(jīng)發(fā)生失效的冗余單元，使該系統(tǒng)由已經(jīng)退化為非冗余結(jié)構(gòu)的狀態(tài)恢復(fù)到原來(lái)的冗余狀態(tài)。

三、預(yù)防性維修周期的確定方法

預(yù)防維修對(duì)象的更換期，對(duì)于預(yù)防故障發(fā)生和節(jié)約費(fèi)用都起決定作用。預(yù)防維修周期延長(zhǎng)，可以節(jié)省人力物力，但發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)增大，因此要仔細(xì)分析，全面權(quán)衡。常用的方法有：

1.直接觀(guān)察法。這種方法憑借人的感官或測(cè)量?jī)x表直接判斷故障是否即將發(fā)生，可以通過(guò)定期觀(guān)察來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種觀(guān)察的間隔頻率應(yīng)該隨著潛在故障的劣化程度加強(qiáng)而加密。當(dāng)劣化程度達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就是被觀(guān)察對(duì)象的更換期。更換期的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上又隨故障后果不同而不同。故障后果具有的危害性較低時(shí)，規(guī)定更換劣化程度相對(duì)輕一些，否則，規(guī)定更換劣化程度相對(duì)嚴(yán)一些。這樣既可以預(yù)防故障發(fā)生，又可使?jié)撛诠收喜考玫匠浞掷谩?/p>

2.壽命統(tǒng)計(jì)特性判斷法。當(dāng)預(yù)防維修對(duì)象既無(wú)可以觀(guān)察到的潛在故障，又無(wú)失效前出現(xiàn)的先兆現(xiàn)象時(shí)，只能積累壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

先從壽命數(shù)據(jù)中求出均值和方差：

（5）

（6）

式中，—第i個(gè)部件的壽命時(shí)間；

-被測(cè)部件的數(shù)量。

當(dāng)從耗損性部件壽命數(shù)據(jù)中求出它的均值和方差后，就可以由式（7）、（8）求出它的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)α：

（7）

（8）

式中，-函數(shù)。

根據(jù)確定的威布爾分布參數(shù)，利用給定的預(yù)防性檢測(cè)維修周期模型就可以確定出相應(yīng)的耗損性部件的預(yù)防性維修周期。

本文重點(diǎn)研究壽命統(tǒng)計(jì)特性判斷法，后文研究中內(nèi)容主要以此為基礎(chǔ)。

四、基于壽命統(tǒng)計(jì)特性的預(yù)防性檢測(cè)維修周期模型

1.給定失效率時(shí)的檢測(cè)維修周期模型。檢測(cè)維修周期應(yīng)以失效率隨時(shí)間上升為準(zhǔn)則。當(dāng)部件的失效率隨使用時(shí)間增加而上升時(shí)，發(fā)生失效的概率就與日俱增。因此在給定部件的失效率之后，根據(jù)失效率確定產(chǎn)品的檢測(cè)更換周期。檢測(cè)維修或更換周期由下式確定：

（9）

式中，—規(guī)定的任務(wù)持續(xù)時(shí)間時(shí)的失效率的要求值；

—在無(wú)故障累計(jì)工作為條件下在規(guī)定任務(wù)持續(xù)時(shí)間時(shí)的失效率。

對(duì)于具有耗損特性的部件，可以使用形狀參數(shù)大于1的兩參數(shù)威布爾分布來(lái)描述。

威布爾分布的失效率計(jì)算式為：

（10）

對(duì)于給定的失效率時(shí)，依據(jù)式（9）和（10），其定期檢查更換周期可以由下式求出：

（11）

2.給定可靠度時(shí)的檢測(cè)維修周期模型。檢測(cè)維修或更換周期應(yīng)以滿(mǎn)足規(guī)定的可靠性要求為準(zhǔn)則。對(duì)于間斷工作的任務(wù)剖面，可靠性以任務(wù)可靠度為準(zhǔn)則，檢測(cè)維修或更換周期由下式確定：

（12）

式中，—規(guī)定的任務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的可靠度的要求值；

—在無(wú)故障累計(jì)工作為條件下在規(guī)定任務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的可靠度。

對(duì)于具有耗損特性的部件，可以使用形狀參數(shù)大于1的兩參數(shù)威布爾分布來(lái)描述。當(dāng)要求的可靠度確定以后，其定期檢查更換周期可以由下式求出：

（13）

五、實(shí)例分析

某機(jī)電產(chǎn)品的耗損性部件要求預(yù)防維修之后，持續(xù)工作時(shí)間為200h時(shí)其任務(wù)可靠度不低于82%。為了確定預(yù)防維修檢測(cè)周期，收集了50個(gè)壽命數(shù)據(jù)。對(duì)于耗損性部件，其壽命分布完全可以用威布爾分布擬合，因此假設(shè)該耗損性部件壽命服從威布爾分布，利用收集的數(shù)據(jù)確定該耗損性部件的預(yù)防維修檢測(cè)周期。限于篇幅，本章不再給出具體計(jì)算過(guò)程。主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果如下：

利用公式（7）、（8）求得

=3.05

α=5.62×109

利用公式（13）得到T0=1030h時(shí)，持續(xù)使用200h的任務(wù)可靠度為82.08%。故可以確定該部件的預(yù)防檢測(cè)周期為1030h。

六、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)電設(shè)備的損耗特性，運(yùn)用威布爾分布，建立了檢測(cè)維修周期模型，通過(guò)實(shí)例預(yù)測(cè)了的預(yù)防性維修周期，是一種值得推廣的維修方法，但由于機(jī)電設(shè)備種類(lèi)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其部件的失效特性也不僅限于耗損特性的機(jī)械部件，因此，后續(xù)還將針對(duì)其它的失效特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：李國(guó)勝，男。研究生。工程師。可靠性系統(tǒng)工程。王紅征，女。研究生。工程師。可靠性系統(tǒng)工程。馬苗，女。研究生。工程師。質(zhì)量與可靠性。徐寒柳，女。研究生。工程師。質(zhì)量與可靠性。