論機械設備運行可靠性評估的發展與思考

華鑫斌

（安徽工業大學　機械工程學院，安徽　馬鞍山　243032）

隨著時代不斷發展，我國科學技術水平逐漸提升，大部分企業開始重視對機械設備的運行進行可靠性評估，以此來提升設備設施的工作效率.機械設備的有效運轉與維護，對于企業的生產水平與經濟產生直接的關聯，因此，只有做好機械設備運行的可靠性評估，才能從根本上保證設備處于穩定的運轉狀態，從而幫助企業提升經濟效益.

1　現階段機械設備運行可靠性評估存在的問題與解決方法

1.1　存在的問題

傳統的可靠性理論在發展過程中，具有不確定性與隨機性等特點，因此，主要利用的評估方法為數理統計方法與概率學方法，其主要是指通過對大量的并且具有重復性的樣本進行失效分布測量，從宏觀角度進行分析，并得出一個具體的概率數值，從而通過數值對機械設備的運行可靠性進行評估.但在實際的測量過程中，由于設備的運行環境、零件狀態、失效程度以及運行情況等均有所不同，導致機械設備的運行可靠性必然也存在較大的差異.具體來說，主要存在以下幾點問題：

1.1.1大樣本數據問題

在對機械設備運行可靠性進行評估時，通常情況下利用數理統計學與概率學兩種方式，但這兩種方法需要以大量的數據樣本為基礎，而在實際的評估過程中，相關的機械設備一般為小樣本，并且部分的設備問題并不具備概率問題，導致大數據樣本出現問題[1].

1.1.2失效分布參數不準確

在實際測評時，傳統的方法需要以設備失效參數為基礎，從而計算出設備的失效概率，但實際上，設備的失效分布參數屬于一種假設性，具有不準確性，并且通常進行小樣本評估，從根本上提升了評估難度.

1.1.3傳統評估方法為假設

在傳統的設備有效性評估過程中，評估方法通常為假設，例如，二值假設、有限狀態假設等，假設相關的機械設備只存在兩種狀態，一種是正常運行，一種是故障狀態，但實際上，機械設備受外界因素與工作因素影響，其狀態具有不確定性，導致評估方法假設存在問題.

1.1.4機械設備內部構造復雜

一般情況下，機械設備通常由大量的零件組合而成，在運行過程中，每一個零件都具有不同的失效分布規律，導致機械設備的失效概率具有不確定性，難以進行有效的失效評估.

1.2　解決方法

1.2.1利用較少依賴概率分布方法

基于傳統的大數據樣本問題，可以利用先進的較少依賴概率分布方法進行有效的改進，利用此方法，避免小樣本數據影響，降低數據分析的難度，從而提升評估的準確性.

1.2.2利用實時動態可靠性評估方法

在傳統的分析評估過程中，傳統方法難以有效的測量出設備的實時運行狀態，因此，應改變傳統的評估方法，利用實時動態可靠性評估方法，對其進行有效性測評，提升測評的效率.

1.2.3利用動態信號處理評估方法

動態信號的利用，可以從根本上折射出設備的運行狀態，改變傳統的測評方法，從而為設備的有效性評估提供有效的參考信息，同時將設備的可靠性與運行的狀態相互連接，以此來進行判斷.

1.2.4將產品的失效路徑進行假設

受設備內部構造復雜影響，由于機械設備的運行環境具有較大的差別，因此，可充分利用產品失效方法，降低人為因素的干擾，獲取完整的設備退化指標，從而得到設備的失效分布，進行有效的設備失效評估.

2　機械設備運行可靠性理論與技術

2.1　機械設備的運行可靠度與可靠性

機械設備屬于一個整體的運行系統，由大量的零部件組合而成，例如，軸承、齒輪、轉子、鏈條等，從而形成完整統一的機械設備，達到設備實際原有的功能，以此來保證機械正常有效的運轉.例如，下圖是某機械的運轉齒輪，如圖1所示.

圖1　某機械運轉齒輪

機械設備的可靠性與可靠度是設備正常運行的參考值，在國標GB/T 20921-2007將可靠度進行明確的定義，是指在一定的條件下，機械設備能有效的進行運轉，并且不失效，從而達到原本的功能要求概率.在傳統計算過程中，可靠度以失效率進行表示，并形成指示函數公式：R（t）=exp(-h(t)dt),其中，h(t)是指機械設備的失效率函數，t是指相關的時間變量，該公式主要表示為在t時間后，機械設備的失效幾率.通常情況下，一臺機械設備的失效率函數值難以獲取，導致可靠度的數值也難以求出，因此，以R（t）可靠度定義為基礎：在機械設備正常運轉的條件下，工作時間與運行狀態形成量化數值，并且，R（t）可靠度為 t的函數，所以為正實數，其值域范圍在[0,1]之間.

2.2　設備運行的可靠性評估方法

針對某一臺機械設備，其自身的設備故障特征與故障機理是運算出機械設備可靠性數值的前提，因此，應建設出有效的機械設備與運行狀態之間的關系模型，通過相關的映射反應，以此計算出運行的可靠度，從而解決了當前缺乏概率統計數據的現狀.機械設備在運行過程中，必然會出現相關的運動狀態，例如，發出聲響、產生移動、出現溫度變化、產生壓力、應力等，并且將自身的運行狀態通過狀態信息進行反映，以此來顯示出自身的退化信息，從而為機械設備的可靠性評估提供有效的參考信息.在設備實際運行過程中，可以以設備的運行狀態信息為依據，對動態模型與故障機理進行詳細的分析，并提取出故障的特征與故障信號.動態模型與故障機理主要是在不同條件下，對機械設備自身的零件等受到的的溫度、壓力、應力等物理作用，從原理上分析出故障原因[2].

2.3　計算設備的運行可靠度

利用當前先進的信號處理技術與信號處理理論，可以有效的為機械設備評估提供方法，參考設備運行過程中發生的損傷與設備運轉特征，從而對機械設備進行可靠性評估.在計算設備的運行可靠度時，可以利用以下幾種方法進行計算：

2.3.1函數凝聚法

在對機械設備進行可靠性評估過程中，對于相同類型的機械設備可以以正常的設備狀態為參考，從而對其進行機械設備評估，其可靠度的計算公式為 R（Tx,y(f)）=max[|Sx,y(f)|2/Sx(f)Sy(f)]=max[T2x,y(f)]，在公式中，x是指狀態良好的設備，y表示待測評的機械設備，Sx,y(f)是指信號的互功率普，T2x,y(f)則指信號的凝聚函數.

2.3.2狀態參數量法

在機械設備正常運轉過程中，當某個機械零件出現損傷時，將導致機械設備運行狀態中某個特征常量發生變化，將該常量標記為k,當該常量數值增大時，表示機械設備的運行可靠度下降，其計算公式為：R(k)會有三種情況，0、1或者一個數值范圍，當R(k)=0時，則表明相關的數值k大于設備特征常量的最小值，當R(k)=1時，則表明相關的數值k小于等于特征常量的最大值，當R（k）=1-(k-特征常量最小值/特征常量最大值-特征常量最小值)時，則表明k值在特征最小常量與特征最大常量之間，通過上述公式可知，R（k）的數值在0至1之間.

3　機械設備運行可靠評估實際案例

在機械設備的運行可靠性評估中，可以通過實際的案例進行驗證，以此來驗證評估方法的實際效果.以回轉機械為實驗對象，進行可靠性測評，利用上述的狀態參量法，計算出滾軸運行過程中的可靠度，從而評估回轉機械損傷退化為失效狀態的運行可靠性.

在計算過程中，回轉機械的振動程度可以以振動速度的均方根值進行表示，具體表示為Vrms=V2（t）dt/T,將回轉機械的絕對振動量作為基礎，并對其速度進行分類，以表格的形式將速度的均方根值與運行狀態表示，如表1所示.

表1　回轉機械的振動速度均方根值與運行狀態分類

通過上表，利用狀態參量法進行計算，不允許狀態的最小值為25mm/s,則將最小特征常量定為a1=0.25mm/s,最大特征常量定為a2=25mm/s,并將該數值帶入到公式中，得出相關的數值，并以表格的形式進行表示，如表2所示.

表2　回轉機械的運行可靠度與運行狀態對比

通過表2可知，當回轉機械的運轉可靠度數值大于0.90時，機械處于良好的運轉狀態，當可靠度數值在0.74至0.84之間時，則表示回轉機械的運行狀態滿意，當可靠數值小于0.62時，則表示回轉機械的運行狀態不滿意或者不允許[3].

4　結論

綜上所述，機械設備可靠性評估發展與思考過程中，應充分利用基于狀態信息的運行可靠性評估方法，以傳統的可靠性基礎理論為前提，賦予運行可靠性新含義，同時利用計算回轉機械的運行可靠性度進行實踐，驗證方法的有效性，以此來為現階段機械設備運行可靠性評估缺乏概率統計數據與大樣本數據開辟新途徑.

參考文獻：

〔1〕付玉東.機械設備智能維護系統數采終端開發與散熱風扇可靠性研究[D].北京化工大學,2016.

〔2〕楊鵬.基于在線監測信息的機械設備關鍵零部件壽命預測方法研究[D].電子科技大學,2016.

〔3〕高兵.基于溫度梯度及統計特性的IGBT模塊失效評估方法研究[D].重慶大學,2016.