机械设备故障规律与维修策略研究

学术论文 2008-07-15 08:27:32

杨景辉 康建设

(军械工程学院装备指挥与管理工程系 石家庄 050003)

    摘  要:按照RCM的基本原理,分析了机械设备潜在性故障和功能故障以及P-F间隔期及其有效性和适用性准则。阐述了机械设备的故障规律及早期故障期、偶发故障期、耗损故障期的特点,最后依据不同的故障规律,选择不同的维修策略。
    关键词:故障规律 浴盆曲线 维修策略

    以可靠性为中心的维修管理(RCM:Reliability Centered Maintenance)属于第三代维修管理的具有代表性的模式。这种设备管理模式强调以设备的可靠性、设备故障后果作为制订维修策略的主要依据。
    1 潜在性故障和功能性故障
    机械设备在使用过程中,其性能或状态随着使用时间的推移而逐步下降,呈现如图1所示之曲线。
    所谓的潜在故障(Potential failure),指故障发生前的一些预兆,是可以识别的物理态,它表明一种可能的故障即将发生。功能性故障(Functional failure),指设备已丧失了某种规定功能,称设备从潜在故障到功能故障的间隔期为P-F(Potential failure.Functional failure)间隔。

    图1中,“P”点表示性能已经恶化,并发展到可识别的潜在故障的程度:可能是表明金属疲劳的一个裂纹;也可能是振动,说明即将发生轴承故障等等。“F”点表示潜在故障已变成功能故障,换句话说,它已质变到损坏的程度了。各种故障的P-F间隔差别很大,可由几秒到好几年,突发故障的P-F间隔一般就很短。
    从图1中可以看出,只有在满足下列有效性和适用性准则,在P-F间隔期进行预防维修才是技术可行的:
    (1)能够确定一个明显的潜在故障状态点“P”;
    (2)从潜在故障点“P”到功能故障点“F”的间隔比较稳定;
    (3)以小于P-F间隔的时间长度来监测切实可行;
    (4)最小P-F间隔期必须足够长以安排进行预防预防维修是在设备进入潜在故障期,但尚未发展成功能故障时进行的维修活动。较长的间隔意味着有更多的时间来预防功能性故障的发生,因而,要不断地花费很大的精力去寻找潜在故障的物理参数,为采取新的预防技术,避免功能性故障,争得较长的时间。
    2 机械设备故障规律
    设备故障率随时间的变化规律,大多如图2所示。该曲线常被叫做“浴盆曲线”。设备的故障率随时间的变化大致分3个阶段:早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。

    (1)早期故障期
    设备处于早期故障期,开始故障率很高,但随时间的推移故障率迅速下降。早期故障期对于机械产品又称为“磨合期”。此段时间的长短,随产品、系统的设计与制造质量而异。此期间发生的故障,主要是由设计、制造上的缺陷所致,或是使用环境不当所造成。
    (2)偶发故障期
    设备进入偶发故障期,故障率大致处于稳定状态,趋于定值。在此期间,故障发生是随机的。在偶发故障期内,设备的故障率最低,而且稳定。因而可以说,这是设备的最佳状态期或称正常工作期。这个区段称为“有效寿命”。
    偶发故障期的故障,多起因于设计、使用不当及维修不力。故通过提高设计质量,改进使用管理,加强监视诊断与维护保养等工作,可使故障率降低到最低水平。
    (3)耗损故障期
    在设备使用的后期,故障率开始上升。这是由于设备零部件的磨损、疲劳、老化、腐蚀等造成的。
    设备故障率曲线变化的3个阶段,真实地反映出设备从磨合、调试、正常工作到大修或报废故障率变化的规律。
    随着科学技术的发展,特别是机电液一体化技术的综合应用,由简单的机械设备转变为计算机辅助控制的大型复杂设备。这些精密、大型、数控等结构复杂设备的故障规律与传统的浴盆曲线相背离,使人们开始对这些设备的故障规律进行研究。
    美国民航在过去的30多年里,作了大量关于设备可靠性的研究,发现在设备从使用到淘汰,除典型的浴盆曲线外,还有5种故障特征曲线,如图3所示。

    曲线A显示了恒定的,或者略增的故障率,接着就是磨损期。
    曲线B显示了缓慢增长的故障率,但没有明显的磨损期。
    曲线C显示了新设备从刚出厂的低故障率,急剧地增长到一个恒定的故障率。
    曲线D显示了设备整个寿命周期内的一个恒定的故障率。
    曲线E显示,开始有高的初期故障率,然后急剧地降低到一个恒定的或者是增长极为缓慢的故障率。
    研究表明,4%的设备遵循典型的浴盆曲线,2%的设备遵循曲线A,5%的设备遵循曲线B,7%的设备遵循曲线C,14%的设备遵循曲线D,不少于68%的设备遵循曲线E。显然,在设备越来越复杂的情况下,更多的设备遵循D和E所代表的模式。这一研究说明,原来认为设备使用时间越长磨损越严重,而会使故障率上升。现在看来,这样一种观点不一定正确。对于某种故障模式起主导作用的设备,故障率可能与使用时间有关。而对于大多数设备来说,使用时间长短对于设备可靠性的影响不大。
    3 依据故障特征选择维修策略
    RCM策略是通过故障的严重程度(即故障后果)和维修的可行性,在定期维修、状态预防维修、事后维修和定期报废等方式中进行抉择。
    选择设备维修策略的一般原则是:①通过维修,恢复设备规定的功能,提高设备的可靠性或者消除设备修前存在的缺陷,并充分利用零、部件的有效寿命;②力求维修费用与设备停修对生产的经济损失两者之和为最小。
    设备故障特征只有6种,但实际中运行的设备故障率可能是其中的一种或几种的组合。根据不同的故障规律、故障频率和故障严重性,采取不同的维修对策,达到经济适用、有效安全的目的。
    定期维修 是一种以时间为基础的预防检修方式,也称计划检修。它是根据设备磨损的统计规律或经验,事先确定检修类别、检修周期、设备检修内容、检修备件及材料等的检修方式。定期检修适合于已知设备磨损规律的设备,以及难以随时停机进行检修的流程工业、自动生产线设备。

    4%的设备遵循典型的浴盆曲线,适用于定期维修的维修方式,如图4所示。在定期维修时,如果在有效寿命期内进行大修,即设备的技术状况尚好,仍可继续使用,但仍按规定的维修间隔期进行大修,将会造成维修过剩;如果设备的技术状态劣化已达到难以满足产品要求的程度,但由于未达到规定的维修间隔期而没有安排维修计划,造成维修不足。
    如果在拐点(也称为“维修窗口”)“P”即耗损故障期开始(即总故障率开始超过规定的故障率)时,进行大修(按照图4中的周期2),可明显降低故障率(沿图中虚线下降)。
    状态维修 是一种以设备状态为基础、以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式,也称视情维修。它根据对设备的日常检查、定期重点检查、在线状态监测和故障诊断所提供的信息,经过分析处理,判断设备的健康和性能劣化状况及其发展趋势,并在设备故障发生前,即性能降低到规定的故障率前有计划地安排检修。状态维修克服了定期维修的维修过剩与维修不足的弊端,调整了维修间隔期。
    为此,提倡状态维修,特别是结构复杂的现代化设备,充分利用潜在故障已经发生,并在其转变成为功能故障之前的这段时间(P—F间隔期)做好状态监测。针对故障前兆,实施状态修理,可使维修工作量和维修费用大幅度的降低,实现少投入、多产出的理想效果。
    事后维修 是当设备发生故障或其它失效时进行的非计划性维修。在现代管理设备要求下,事后维修仅用于对生产影响极小的非重点设备、有冗余配置的设备或采用其它检修方式不经济的设备。这种检修方式又称为故障维修。
    定期报废 顾名思义,定期报废意味着按固定的时间间隔用新产品或部件更换旧产品或部件,恢复产品或部件的可靠性。要求产品在规定的工龄极限内或在此之前报废产品或部件,而不管其当时的状况。定期报废的频率由产品或部件的故障条件概率增加时的工龄来确定,因为RCM特别注意安全性影响。在处理定期报废工作时,RCM认可两种不同类型的寿命极限。第一种适用于避免具有安全性后果的故障,称为安全寿命极限,如图5所示。

    第二种用于预防没有安全性后果的故障,称为经济寿命极限,如图6所示。

    在实际应用中,可按需要选择其中一种,或者选取两者的最佳结合点,兼顾安全性和经济性。
    4 结论
    通过深入分析故障规律、潜在性故障和功能性故障以及尸.F间隔期,有利于机械设备在实际应用中,记录设备故障发生的频率、严重性,从而依据故障特征的类型,有针对性地选择维修策略,避免工作的盲目性。
参考文献
[1] [英]约翰·莫布雷.以可靠性为中心的维修,第二版.康建设,何耀欣,译.石家庄:军械工程学院出版社,2002:30-35,100-103
[2] 甘茂治,康建设,高崎.军用装备维修工程学,第二版.北京:国防工业出版社,2005:221-223
[3] 马绍民.综合保障工程.北京:国防工业出版社,1995:86—88

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