机械系统实施主动维修的方法研究

姚陆锋,王建中

(海军工程大学理学院,湖北武汉 430033)

与其它维修理论不同,主动维修并不是从研究故障出发来规划维修活动,而是进一步地从研究“故障根源”出发来规划维修活动[1]。

对机械系统实施主动维修,不仅仅包括如何全面认识系统的故障诱因及其表征信息、如何探测系统故障诱因、如何采取维修措施消除诱因等问题,还包括如何有效利用监测手段包括监测的时机、仪器、间隔周期等,及时准确的查找故障诱因,如何确定维修规则等,所以需要对各个环节的问题进行分析,找出解决问题的方法。由此可以看出机械系统实施主动维修是一个复杂的过程。

1 相关的工作分析

分析相关工作的目的是从主动维修的根本出发,逐层次分析在机械系统或设备实施主动维修时所遇到的不同环节的问题,以形成机械系统实施主动维修的方法思路。

消除系统或设备所存在的故障诱因、截断故障进程,是实施主动维修的根本。在系统或设备工作过程中,对其采取的主动维修措施是否有效、能否消除故障诱因、截断故障进程,取决于系统或设备会不会遇到这种故障诱因的。不同的使用条件和环境条件都会使机械系统或设备所遇到的故障诱因各不相同,因此,只有正确辨识出系统或设备可能遇到的故障诱因,才能够确保主动维修的有效性。

当系统或设备的所有可能遇到的故障诱因确定后,如何探测系统或设备在工作中所存在的故障诱因及其大小,取决于故障诱因会有什么表征。故障诱因的表征是故障进程中诱因的信息反馈,其与诱因之间存在必然的联系,通过获取这些诱因的表征信息,为判定诱因是否存在提供依据。

如何获取系统或设备在工作时的那些表征诱因大小的信息,取决于可以使用的监测方法和手段的有效性。有效的对系统进行监测获取诱因表征信息,应合理选择监测对象和监测要求,即明确对系统和设备的哪些部件和位置进行监测;应合理利用监测仪器,即明确针对不同诱因用何种仪器进行监测;应合理选择监测时机,即明确在何时对系统和设备进行监测;还应该知道监测周期,即在多少时间间隔内来进行监测。

是否采取维修措施对系统或设备进行维护,取决于基于监测征兆所判定的故障诱因的种类和大小。诱因的存在和大小直接反映着故障进程发展的速度,如果诱因的大小达到了能加速系统或设备故障进程的幅度,就要采取主动维修措施,控制故障进程。然而,由于监测仪器所探测到的表征诱因大小的探测值不能直接为故障进程发展速度提供判据,所以还需要进一步对故障诱因的表征与其自身量值的大小建立一种定量关系,利用诱因表征的探测值推算诱因的大小,为维修策略的制定提供依据。

根据以上分析,在实施机械系统的主动维修时,首先应全面认识系统可能遇到的故障诱因,然后分析故障诱因会产生的各种表征,继而研究通过何种监测诊断技术获取故障诱因各种的表征信息,判定系统是否已经遇到了可能加速故障进程的诱因,以便于在系统的材料和性能退化之前及时来制定维修策略,消除系统故障诱因,截断故障进程,恢复和保持设备的稳健运行状态。显然,这样复杂的工作必须通过合理的工程化方法步骤来实现。

2 主动维修实施步骤

在前述基本思路的基础上,从工程实践的层面上,还必须考虑实施主动维修的必要性问题。实施主动维修要看是否有适用的、经济的、有效的“主动维修”措施;同时,是否实施主动维修要看故障影响、故障后果是否有必要,过早的 “主动维修”措施有可能使零部件的寿命无法得到充分利用。所以,它特别适用于可靠度要求比较高的关键设备或部件。

根据相关工作分析的结果,可得到机械设备实施主动维修的方法步骤。

2.1 分析设备或系统可能的故障诱因及其衡量指标

对机械系统或一台设备实施主动维修,首先应考虑系统实际运行的环境及所遇到的故障诱因,此时要进行的工作包括下面两个方面的内容。

1)分析系统可能的故障诱因。

通过对系统故障机理的分析,列出系统的故障诱因列表,对故障诱因的分析必须详细。故障机理分析是寻求机械系统发生故障的实质原因,其与机械系统的类型、使用条件和运行的环境是密切相关的。对一般机械系统故障机理分析可以得出机械系统故障的产生主要来源于系统工质、零部件、材料等特性的变化,工质特性包括污染、泄漏、化学、物理、气蚀等方面,材料、零部件特性包括外部因素、内部因素[2]。此外,还需要对系统所处的环境条件对设备运行状况的影响进行分析,得出可能引起系统故障的诱因。

2)建立能够反映故障诱因大小的定量指标。

故障诱因列表中的一种或多种故障诱因存在于系统时,需要确定不同的故障诱因达到何种程度后,就会加速设备的故障进程。通过对故障诱因建立起的定量指标来衡量故障诱因的大小,以确定各种故障诱因与设备故障速度之间的关系,及其加速故障进程的特征量,为故障进程的控制提供定量指标。例如,有些反映零部件性能的指标可以根据其与系统特征参数之间的关系,转化为系统特征参数进行指标量化。

对于公路桥梁工程而言，其处于交通运输网的核心位置；确保其应用质量的提升对于社会发展具有重大影响。因此就其保养和加固而言，强制性是其较为典型的特征所在[2]。其主要体现在两个层面：①公路桥梁施工管理中，国家从法律法规的角度对其进行指标规范，确保乐养护加固的高标准。②新时期，人们对于公路桥梁应用的安全要求不断提升，其也要求工程建设单位必须进行高度严格的公路桥梁养护和加固。

2.2 分析各种故障诱因的表征

系统存在的故障诱因有时并不会引起明显的材料或零部件性能下降,但如果任其继续发展,就能形成引起故障的条件。所以,实施主动维修的前提条件,应查找出系统存在的故障诱因。

当系统或设备存在故障诱因时,如何确认故障诱因的存在,是一个关键性的问题。故障诱因往往具有一些表征信息,例如设备零部件振动诱因的存在,其表征信息是设备零件之间对中或平衡与否等,而并非设备振动的异常。通常即使故障诱因不明,而故障诱因的表征信息即系统的根源性参数仍是可以监测到的。所以在实施主动维修过程中,可以根据故障诱因的表征信息来获取系统存在哪些故障诱因,方法是根据第一步中所建立的故障诱因列表,罗列出各种故障诱因的表征,建立故障诱因表征的特征信息库,为探测诱因表征信息的方法提供相应的依据。

2.3 分析探测故障诱因表征信息的方法

实施主动维修过程中,探测故障诱因表征的特征信息,这些信息能够反映系统工质、零部件等的状态,从这些信息中获得识别故障诱因的判断参考,目的是鉴别出系统存在的真正故障诱因。对根源性参数的探测方法包括自然感官监测方法,利用热量监测、污染监测、噪音监测等先进方法。在实际实施过程当中,还应通过对技术手册、说明书和其他资料的研究来确定,应对系统哪些关键位置和部件的根源性参数进行探测,同时选择故障诱因表征信息探测的时机,并针对不同的诱因,应利用不同的仪器进行监测其不同的表征信息。

利用探测故障诱因的表征信息,例如工质的黏度、密度、污染等,判别系统物理、化学,污染等特征参数是否发生了改变,及时确定故障诱因列表中的故障诱因存在与否,为制定维护策略提供支持,实现在系统运行的早期阶段发现系统或设备的故障诱因,对于预测故障发展趋势并截断故障进程具有重要意义。

2.4 确定探测值与故障诱因指标之间的定量模型

探测到故障诱因的表征信息,还不能完全确定系统存在的确切故障诱因,因为从故障进程来看,故障诱因的表征信息与其本身往往不是一一对应的,即由某一种故障诱因可能衍生出其它故障诱因,随着时间的推移,最后可以在系统中探测出若干种故障诱因的表征信息。故障诱因与其表征信息会呈现出错综复杂的关系,给如何甄别出系统或设备真正的故障诱因带来很大的困难。

解决方法是依据第一步中建立的能反应故障诱因大小的定量指标,确定故障诱因表征信息的探测值与不同故障诱因大小之间的定量模型。这种定量模型的建立可以提供甄别系统运行期间工质、材料、零部件特性是否能够发生变化的方法,为维修人员识别故障诱因提供依据。例如设备零部件间隙程度和系统温度的探测值,这两种表征信息特征探测值与零部件振动频率之间的定量模型的建立,可以为维修人员识别振动故障诱因的存在提供支持。

2.5 确定故障诱因的探测周期

探测工作连续还是间断进行,是否有效,关系到诱因查找的及时性和准确性。连续对系统或设备进行监测,需要耗费大量的人力和物力,在实际的工程中不适用,也失去了主动维修的经济性。采取间断监测的方法,应分析不同诱因的监测周期。根据诱因自身随系统工作时间发展的速度,确定诱因的定量指标何时达到引起工质、零部件材料性能发生退化和并发性退化或诱因达到加速故障进程特征量的最低限度,在这个最低限度范围内,确定各种故障诱因表征信息的探测间隔周期。

在确定的探测间隔周期内,对探测到的表征信息,根据特征值与诱因定量模型进行定量处理和分析,找出系统存在能加速故障进程的各种故障诱因,以确定对系统制定维护策略,消除故障发生根源,避免系统发展并进入具有发生故障条件的状态。

2.6 形成维修规则

根据以上分析,对系统或一台设备实施主动维修,应当在设备实际运行环境中全面分析系统故障诱因的前提下,得出系统的故障诱因列表及相应的表征信息特征库,根据不同故障诱因的探测时机、仪器及间隔周期,形成探测规则,根据故障诱因指标与故障诱因表征信息特征值之间的定量关系,确认系统存在的故障诱因,并据此采取相应的维修策略,形成具体的维修规则,保持系统的稳定性。

2.7 规则的发布实施

按照以上 6个步骤,制定对整个机械系统实施主动维修的维修规程。制定维修规程要掌握设备功能、设计特性和故障机理,同时还要考虑机械系统在不同的任务和使用条件下,系统设备使用功能的不同,对维修的信息还应该长期保留,形成制度,以利于对维修工作的持续调整,使得维修工作的安排更加科学合理,确保对机械系统实施主动维修的持续推进。

按照制定的规程对机械系统或设备实施主动维修,如果在系统工作的过程中仍出现了一些故障,说明对系统的故障诱因分析还不够全面,应根据故障的反馈信息,按照规则对系统进行分析,查找并消除故障诱因,截断故障进程,保证在设备全寿命的使用过程中,保持系统的稳定性,达到主动维修的最终目的。

3 结束语

主动维修的最终目的就是利用先进的检测技术,准确地判定可能引起系统故障的诱因,并在设备的材料和性能退化之前及时采取措施进行维修,截断故障进程,恢复和保持设备的稳健运行状态,实现从故障根源上对故障进行预防,这是维修理念和技术上的重大发展。

[1]莫布雷J.以可靠性为中心的维修 [M].石磊,谷宁昌,译.北京:机械工业出版社,2000.

[2]姚陆锋.机械系统故障分析及控制策略研究 [J].中国修船,2009,22(1):16-18.