可靠性工程理论是设备维修重要的科学发展观

学术论文 2007-11-23 23:23:09

黄昭毅

    摘  要:本文论述了大型复杂设备系统对可靠性工程的需求、传统的维修基础理论存在的误识问题、国内维修工程界应用可靠性工程的现状和不足。应提高认识,把可靠性工程理论贯彻到各项设备业务之中,这就是设备维修重要的科学发展观。
    关键词:可靠性工程;设备诊断技术;设备维修基础理论

    一、大型复杂设备系统需要得到可靠性工程的大力支持
    随着世界生产的发展和技术进步,以及对经济效益的更高追求,不少机械设备已从以往的单机进化为机组乃至大型复杂系统。如从普通机床到加工中心、火电机组从200M W到600M W。这种从简单到复杂,从低级到高级的过程,固然带来了生产效率和质量的提高,创造出了高的经济效益,但也带来了一些严重的问题。如果一旦发生故障或事故,就可能是像印度博帕尔农药厂、苏联切尔诺贝利核电站,以及美国的“挑战者”宇航飞机那样的重大事故。
    现代设备运行必须保证安全性和可靠性这两个基本性要求。不论设备的设计、制造、安装还是使用都必须贯彻这两个基础要求。一个大型复杂系统是由众多的零部件总成或单机所构成,而每一个原器件又都有各自的故障概率。为了节约资金或空间,除少数极为关键的部位外,不可能采用并联系统冗余备份。现代化生产设备在机电一体化、自动化控制方面不仅有众多的系统硬件,还有众多的系统软件,这也是产生故障的根源。如神舟5号导航飞船是由696台设备组成的复杂系统,共有约10万个原器件,1 160个接插件,其中任何一个失效都将导致失败:因此工作人员设立了 108种故障模式,设想了300多种故障,耗时近4年,防止了类似美国“挑战者”号因“O”型密封圈在低温下失效导致发生机毁人亡的事故。
    因此,我们需要取得可靠性工程的大力支持,充分利用可靠性技术来解决设备维修中的核心问题:因为这个20世纪50年代初形成并迅速发展起来的新兴学科,经过了50多年的完善与提高,已成为工业企业生产、维修重要的战略伙伴及必不可少的维修理论和指导思想。
    二、传统的故障概率浴盆曲线存在的缺陷
    迄今在设备维修界仍有相当多的人认为设备越老故障越多,故障的产生和发展与使用时间直接相关。经典的浴盆曲线是所有设备故障率的普遍规律,据此就可以以时间为基础,在一定的间隔时间进行定期检修(TBM),而且似乎拆修愈频繁,检修愈彻底,故障发生的概率就将减小。因此,设备的修理复杂系数以及修理周期结构就成了他们的工作宝典。
    这种维修基础理论上的误识在2001年9月被打破了。日本设备诊断首席专家丰田利夫在介绍设备故障率与设备诊断工作的关系时指出,设备越复杂,故障率就越高,随机性也更大,这时如采用TBM能很好解决问题,而维护保养则多无效。后来,他更在日本《设备工程师》杂志上著文指出,预防维修(PM)的基本哲学就是表示设备劣化的浴盆曲线,这是一个不正确的观点,并提出“原来的PM是有害而无益”。
    丰田利夫的基本观点是来自美国宇航局NASA所属的维修指导小组MSG,他们从1968年至1993年所进行的四次大型调查,分析出了六种故障概率曲线,最终查明了在古典的预防维修中能够遵循浴盆曲线发挥效果的不过11%,而89%的零部件劣化与役龄无关。无论进行一月一次还是一年一次的点检维修,效果都一样,而且每维修一次还会破坏原有的磨合,增加出现故障的可能性。这已为日本和美国维修人员的现场经验所证实。近年来英国、美国对复杂系统故障概率的研究进一步肯定了Dalanik定律指出的“可修复的复杂设备,不论其故障原件寿命分布类型如何,故障经修复或更新后,其设备故障率随时间趋于常数。”即设备老,故障并不一定多;设备新,故障也不一定少。故障随机发生,与时间并无直接关系。一个大型复杂系统是由若干子系统构成,而每个系统所包含的设备及原件都具备不同的故障模式,且并非都是摩擦磨损型,因而作为总系统的综合故障概率就有很大的随机性。
    三、国内设备维修工程界在推进可靠性工程上尚有严重不足
    我国的设备维修体系是一个历史悠久,人员众多,具有丰富经验的群体。多年来在各设备协会及维修学会的引导下,做了不少实际工作,并努力向设备管理现代化方向推进,且取得一定成绩。但是长期以来,在对现代维修基础理论的研究以及可靠性工程的贯彻应用上尚存在明显不足,这是一个亟待解决的现实问题。
    早在20世纪80年代初,不少工业企业设备管理部门在学习国外先进经验,推广设备综合工程学Terotechnology和全员生产维修TPM的过程中,就曾明确了要贯彻系统工程、价值工程、信息工程及可靠性工程等现代科学思想。以可靠性工程为例,专业杂志曾发表过诸如“关于浴盆曲线适用范围问题的探讨”、“也谈浴盆曲线的适用范围”、“可维修复杂机械的寿命曲线研究”、“可靠性工程与设备动态管理”以及“关于波音747型飞机维修方式简介”等为数不多的有关可靠性工程的论文,涉及了一些核心问题,但深度、广度不足,未能引起维修界的更大重视。
    20世纪90年代初,随着英国John•Moubray的“第三代维修管理”论文在《设备管理与维修》杂志的发表,以及美国CSI公司总裁R•More于1993年在北京国际会议中心做了为期3天的“可靠性维修的基本原理”的学术报告,才再次引起了人们对可靠性工程的关注。这是因为John•Moubray的文中指出:“对设备维修管理来说,RCM可以说是第三代设备维修管理最重要的贡献,因为它使我们能够充分可信地准确地从设备使用角度来确定设备的维修要求,而且也可使日常维修工作量大幅度下降。”他在故障特性上指出了第二代维修理论所依据的单一浴盆曲线在巧年后已发展成为众所周知的六种模式。过去那种设备越老旧磨损就越大的观念,以及认定在可靠性与运行时间之间永远存在一种联系的看法,在大多数情况下是不确切的。
    以上这些基本理论,深深撼动了维修工作者的传统思想,也引起了从业人员的反思。但受传统思维的影响,在文章发表之初,就有人提出了美国的经验是基于民航客机的经验,而飞机的材料主要是铝合金等合成材料,材质机理不同。还有人认为美国公司仅凭简单的一两次调查就得出这样的结论未免太过草率。殊不知美国宇航局NASA维修指导小组MSG所组织的调查,最早始于1968年,其后又曾于1978、1985及1993年进行了几次同样的调查。调查对象固然首先起步于飞机零部件的劣化,但其后也涉及到火力发电厂等流程工业,且得到了令人震惊的相同结果,并最后制定出MSG-1及MSG-2维修大钢指导手册。
    上述情况充分说明,我国设备维修部门对世界上先进的科研成果尚重视不足,未能加强对现代维修新理论的跟踪分析和考核论证。因而至今在不少工业企业,作为工厂的主人却说不清自己长期使用设备的平均无故障工作时间MTBF以及故障概率曲线,未能更好地建立起自己的失效故障统计与分析档案,使得与实现的以可靠为中心的维修体制存在着较大的差距。
    四、贯彻可靠性维修、实施科学故障诊断,保持生产力的可持续发展
    尽管多年来国内维修工程界在普及和深化可靠性工程的应用上尚有不足,但推进以状态为基础的维修体制CBM却比较顺利。状态监测与故障诊断技术自1983年以来得到了很大发展,成为当前维修工程的大热门,吸引了众多生产单位、科研院校及仪器厂家的参与诊断技术的目标是掌握设备的现实状态,判断产生故障的原因和部位,以及对未来的预测预报采用手段包括了振动、油液、红外、电气、无损检测、工况参数等多种分析方法。过去的理论多是立足于“找出故障”,与近来国外发展的“找出根源”存在差距。技术开发多依赖故障产生的物理变化,如振动、温度、磨损、腐蚀等瞬态现象,而要从故障机理的根本入手,则还必须要与故障模式、故障概率、可靠度、有效度等这些可靠性工程的研究相结合。正如失效分析也必须从静态的断口分析,与动态的测试分析相结合一样,既治标也治本,这才是全面正确的解决方案。
    在工业企业最受欢迎的设备首先是工作安全、运行可靠,这比仅有高的生产效率和低的价格成本更为重要。对一台可靠性低、故障频发的设备,不管采用什么样的维修方式,如预防维修、状态维修、质量维修、风险维修等都毫无意义。尽管当今维修制度已发展到20多种,但以可靠性为核心的维修体制RCM必须占据其核心位置。为此,各行业都要加强可靠性工程的研究与应用。把可靠性工程列入工作日程,作到年年有计划,争取年年出成果:过去机械科学研究院、太原钢铁公司和湘潭电机厂在挖掘机和汽车的可靠性研究上曾创造了典型经验,机械工程学会可靠性工程分会在理论研究、学术交流上又创造了条件和动力,因此,我们应能努力赶上世界先进水平。

    参考文献
    [1]J•莫布雷.第三代维修管理[J].设备管理与维修,1990,3~4.
    [2]J•莫布雷.以可靠性为中心的维修[M].机械工业出版社,1995,1.
    [3]陈学楚.设备维修基础理论[M].北京科学出版社,1998,12.
    [4]丰田利夫.预知维修技术进展与向设备资产管理系统PAM的进化[J].日本Plant Engineer,2002,2.
    [5]中国航天梦园神舟五号纪念特刊[J].中国航天科技集团公司,2003,10.

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