基于數(shù)字化的大型設備故障分析與應用

王 丹，佘 柳，王申兆

（1.航天工程咨詢（北京）有限公司，北京 100049；2.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076；3.中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

0 引言

近年來，隨著國家供給側結構性改革的深入，國有大型企業(yè)也在及時調整傳統(tǒng)的發(fā)展思路，逐漸由外延式發(fā)展向內涵式發(fā)展轉變。企業(yè)的設備管理工作也在與時俱進，利用數(shù)字化手段提高管理精細化水平，推動設備管理由階段性向全生命周期轉變，目標就是通過高質量管理，提高設備可靠性水平，降低使用成本，最大限度發(fā)揮設備效能，推動企業(yè)整體效益提升[1]。

以往大型企業(yè)的設備通常采取三級保養(yǎng)、事后維修、定期檢測的傳統(tǒng)管理方式[2]，雖然記錄了設備維修情況，但并沒有對維修數(shù)據進行系統(tǒng)性分析，故障數(shù)據未發(fā)揮實際價值，對設備維修、保養(yǎng)實際操作和管理能力提升不能發(fā)揮積極作用[3]。同時，產品研制的可靠性設計通常采用試驗數(shù)據進行分析，缺乏實際使用過程的故障數(shù)據積累與應用。設計、生產、使用、售后全流程優(yōu)化意識淡薄，前后端信息缺乏共享，使用過程問題不能支撐設計生產優(yōu)化。

本文立足企業(yè)新的發(fā)展階段，利用數(shù)字化手段，結合設備可靠性原理，建立一種普適性強的故障分析方法，通過具體實踐證明，該方法在提升設備可靠性水平、降低設備故障率方面發(fā)揮了積極的作用。

1 信息化平臺建設

設備信息化管理平臺建設最重要是優(yōu)化管理流程，建立設備狀態(tài)監(jiān)控手段，將設備使用過程信息及時更新，完善設備數(shù)字化履歷，保證信息的準確性、完整性和實效性，實現(xiàn)設備全壽命周期數(shù)字化管理，提升設備管理質效[4]。

設備信息化管理平臺包含前期管理、臺賬管理、維修管理、維護管理、處置管理、現(xiàn)場管理、考核管理等10 個模塊，嵌入31 項標準化管理流程，具備數(shù)據分析和多維度組合查詢功能。其中維修、維護管理主要記錄設備使用過程的維保情況，具體記錄內容包括維保設備名稱、編號、出廠日期、型號、廠家、責任部門、故障描述、故障解決措施、更換配件、維修時間等信息。通過信息化平臺記錄的采購、驗收、分發(fā)、登記、維護、維修、檢定、封存、啟封、潤滑、處置等全生命周期數(shù)據資源，為設備管理數(shù)字化轉型奠定了基礎。

2 故障分析方法研究

2.1 故障分析理論

為了定量描述設備故障情況，本文應用了設備管理的可靠性理論，將設備工作可靠度分為固有可靠度和使用可靠度[5]。

（1）設備可靠性：設備可靠性是指產品在規(guī)定條件、規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的能力，規(guī)定條件是指環(huán)境條件、使用條件、維護保養(yǎng)條件；規(guī)定時間通常指經濟壽命；規(guī)定功能是指設備應有的技術性能。

（2）設備可靠度R（t）：產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率。可靠度表示為時間t 的函數(shù)，其值在0～1 之間。

其中，固有可靠度R1 是產品在設計、制造過程中形成的可靠度；使用可靠度R2 是操作及維護保養(yǎng)條件降低固有可靠度的概率；工作可靠度R0 是產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率。

（3）不可靠度（累積故障概率）F（t）：產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內不能完成規(guī)定功能的概率。

其中，R（0）=1，R（∞）=0；F（0）=0，F(xiàn)（∞）=1。

（3）平均故障間隔期MTBF：可修復系統(tǒng)相鄰兩次故障之間正常工作的平均時間。平均故障間隔期常用來表示可修復系統(tǒng)的可靠性。

（4）平均壽命MTTF：產品從開始使用到失效為止使用時間的平均值。平均壽命常用來表示不可修復系統(tǒng)的可靠性。

（5）故障率：產品壽命期內發(fā)生故障的概率。瞬時故障率λ（t）為到某一時刻t 為止尚未發(fā)生故障的產品在隨后的dt 時間內可能發(fā)生故障的條件概率；平均故障率λ 為產品單位時間內發(fā)生故障的次數(shù)。

2.2 故障分析方法

本文基于可靠性理論結合數(shù)理統(tǒng)計分析方法，依托大量故障數(shù)據樣本，形成了一種算法簡單、結果直觀、效果顯著、通用性和可操作性較強的故障分析方法。對于提高設備維保質量，改善設備預防性維修效率，優(yōu)化產品設計和生產工藝都具有指導作用。具體實現(xiàn)過程如下：

第一步，針對相同類型設備計算出不同型號的平均故障間隔時間，通過對比分析可以顯示每種型號設備的可靠性水平。其結果對于采購決策具有支撐作用。

第二步，統(tǒng)計、分析和歸集設備使用期間的故障信息，針對不同類型設備建立故障模式、故障原因、故障部位等故障描述標準數(shù)據字典。

第三步，對每一類故障信息建立數(shù)據分析模型，計算每類故障發(fā)生的比率，以此衡量設備的固有可靠度和使用可靠度水平。

第四步，利用計算結果，分析故障產生的主要原因，產品存在的質量缺陷，提出設計優(yōu)化需求，產品裝配制造質量控制建議，指出使用過程操作、維護注意事項。

3 應用實例

3.1 典型設備選取

根據設備特點，選取企業(yè)內部樣本量最大、最具代表性、與科研生產緊密相關的200 套振動臺和150 套試驗箱近2000 次故障維修記錄作為故障分析目標樣本（圖1）。應用信息平臺記錄的故障資源庫，歸納故障原因、故障類別和影響程度，對型號、部位、原因、類型等不同維度進行分析。

圖1 設備故障記錄數(shù)據樣表

3.2 建立故障描述標準

根據振動臺和試驗箱本身特點建立適應此類設備專屬的故障原因庫、故障類別庫、故障影響程度分類，將離散的故障信息進行分析歸納，形成可統(tǒng)計的故障信息庫。

試驗箱故障原因可分為：設計缺陷、制造缺陷、質量管理缺陷、維護不良、操作不當、超負荷運轉、配件質量低，自然磨損、運輸（包裝）問題、其他。

試驗箱故障類別可分為：降溫速率不達標、升溫速率不達標、溫度不穩(wěn)、溫度達不到設定值、濕度不穩(wěn)、濕度達不到設定值、試驗箱漏水、制冷劑泄漏、電機損壞、跳閘故障、PT100 損壞、PLC 損壞、電磁閥損壞、PID 參數(shù)設置問題、其他。

振動臺故障原因可分為：設備搬遷、操作不當、超負荷運轉、量級過大、配件質量低、疲勞受損、設計缺陷、維護不良、自然磨損、自然老化、生產質量缺陷、其他。

振動臺故障類別可分為：電氣故障、打火、對中失效、功放報警、機械故障、接觸不良、漏氣、漏水、漏油、疲勞損壞、配件質量低、氣路系統(tǒng)故障、水冷報警、溫度報警、信號干擾、壓力報警、其他。

3.3 故障數(shù)據統(tǒng)計

利用信息化平臺設備維修故障數(shù)據，從設備型號、故障原因、故障類別等6 個維度進行故障統(tǒng)計分析。

3.3.1 按型號故障分析

以試驗箱部分數(shù)據為例，統(tǒng)計不同型號試驗箱的數(shù)量、故障數(shù)量、維修次數(shù)、統(tǒng)計周期，計算出平均故障間隔時間（MTBF）和平均故障率（λ），并通過柱狀圖直觀表現(xiàn)統(tǒng)計結果（圖2）。從圖2 可看出TH5-**型號試驗箱平均故障率遠高于其他型號，生產廠家應重點對該型號試驗箱的缺陷進行改進，使用單位在做采購決策時應慎重考慮。

圖2 故障型號統(tǒng)計

3.3.2 按故障部位統(tǒng)計

以試驗箱部分數(shù)據為例，對試驗箱發(fā)生故障的部位進行統(tǒng)計（圖3），可分析出故障易發(fā)薄弱點和可靠性較差的元器件。從分析結果可以看出制冷管路和電氣件發(fā)生故障的次數(shù)較多，在維護過程中應重點關注。

圖3 故障部位統(tǒng)計

3.3.3 按故障類別統(tǒng)計

以振動臺部分數(shù)據為例，對振動臺故障類別進行統(tǒng)計分析（圖4），結果可直觀顯示故障發(fā)生的主要現(xiàn)象。從分析結果可看出，振動臺機械故障頻率較高，在使用過程中應加強潤滑保養(yǎng)，避免超負荷運轉。

圖4 故障類別統(tǒng)計

3.3.4 按故障原因統(tǒng)計

以振動臺部分數(shù)據為例，故障原因可分為自然老化、操作不當、設計缺陷、超負荷運轉等類型，從分析結果可提示故障產生的主要原因（圖5）。通過分析可知，因操作不當產生的故障占比較高，直接提示應加強使用人員的操作培訓，規(guī)范使用程序。

圖5 故障原因統(tǒng)計

3.3.5 按更換配件統(tǒng)計

以試驗箱部分數(shù)據為例，對重要配件和易損件的更換情況進行統(tǒng)計分析（圖6），可得出振動臺和試驗箱在配件更換的比率和數(shù)量，對配件質量控制和備品備件配置提供依據。從分析結果可以看出，試驗箱的電磁閥和繼電器更換頻率較高，提示生產廠家應進一步分析該配件頻繁更換的原因是配件質量問題還是設計缺陷。

圖6 易損件更換情況統(tǒng)計

3.3.6 按影響程度統(tǒng)計

根據試驗箱和振動臺維修產生的經費和維修周期將故障影響程度分為輕微故障（費用500 元以內，維修周期24 h 以內）、一般故障（500～2000 元，維修周期1周以內）、嚴重故障（2000～50 000 元，維修周期1 個月以內）、重大故障（5 萬元以上，維修周期超過1 個月）。從分析結果可看出，大部分屬于輕微和一般故障（圖7）。

圖7 故障占比

3.4 綜合分析

從故障部位和更換配件的角度分析，試驗箱的電機、壓縮機等核心部件的更換頻率很高，而且大部分在3 年內更換，這種情況嚴重影響了設備的使用，增加了維修經費支出，因此，廠家要嚴格控制此類核心部件的選用和入廠質量驗收，避免后期頻繁地更換和維修。同時鑒于電磁閥和繼電器更換頻率最為頻繁，建議加大這兩類器件庫存，縮短配件準備時間，提高設備使用效率。

從故障原因角度分析，試驗箱設計缺陷、生產加工和裝配缺陷比率為33.8%，出廠配件質量缺陷為37.2%，因此，試驗箱本身質量問題占全部故障的71%。由于操作不當、維護保養(yǎng)不到位、程序設置缺陷導致的故障為17.4%。自然老化、制冷劑不足等正常磨損只占故障的11.6%，分析結果表明，試驗箱固有可靠性較低，應從產品設計和制造過程兩個方面著手進行優(yōu)化和改進。

3.5 應用效果分析

利用分析結果，可為所屬單位規(guī)范設備使用，精準維護、維修提供依據，為生產單位優(yōu)化產品設計、降低質量缺陷提供數(shù)據支持，對備品備件合理配置、動態(tài)庫存管理提供準確信息。同時，通過不同年度故障變化的趨勢對比，可分析產品質量改進，維護保養(yǎng)是否達到預期效果等（圖8）。

圖8 故障變化趨勢統(tǒng)計

從數(shù)據對比分析結果可以看出，試驗箱和振動臺在2021 年整體故障率有所下降，產品出廠質量缺陷導致的故障明顯下降，核心配件更換的數(shù)量大幅減少，重大故障的比率較大程度下降。表明應用試驗箱和振動臺故障分析結果，對優(yōu)化設計、加強生產薄弱環(huán)節(jié)質量控制，指導后期使用和維護產生了積極的作用。達到了降低設備故障率，提高設備完好性，充分發(fā)揮效益效能，降低成本支出，合理配置資源的目的。

4 結束語

基于使用階段數(shù)據資源的大型設備故障分析方法尚處于探索階段，尤其是用標準化語言描述不同類型設備的故障原因、故障類別等故障管理要素還未形成統(tǒng)一標準，增加了數(shù)據分析的難度。未來將以本文研究成果為基礎，逐步擴大研究范圍，覆蓋更多類型設備，建立設備故障數(shù)字化管理體系，為提升設備使用效能、增加經營收益提供基礎資源保障。