張月雷 嚴新平 袁成清 白秀琴

1．武漢理工大學，武漢，430063 2．中國人民解放軍94270部隊，濟南，255017 3．船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室，武漢，430063

0 引言

伴隨科學技術的快速發(fā)展，機械系統(tǒng)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)［1］。為適應市場和機械系統(tǒng)自身的需要，在機械的設計與使用中，如何有效地預防、控制和排除各種故障，發(fā)揮機械的最大功效，保持設備最高可靠性和安全性，從而提高機械系統(tǒng)的智能化水平已成為人們研究的重要課題。開展機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究和應用，實時掌握機械系統(tǒng)運行狀態(tài)并提前預測系統(tǒng)故障和發(fā)展趨勢，完成機械設備以可靠性為中心的維修已成為發(fā)展的必然趨勢。

可監(jiān)測性是機械設備設計的一種屬性。在設定的監(jiān)測診斷技術水平下，系統(tǒng)的可監(jiān)測性水平是在設計階段決定的［2］。國內外對機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術進行了廣泛的研究，現(xiàn)已形成以性能參數(shù)監(jiān)測、油液分析監(jiān)測、振動監(jiān)測等為主的狀態(tài)監(jiān)測診斷技術體系［3］。機械設備狀態(tài)監(jiān)測技術逐步從研究階段走向實用化階段，各種在線監(jiān)測傳感器和在線監(jiān)測系統(tǒng)不斷問世。然而，目前國內外大量機械設備制造廠往往在設計之初未考慮系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題，致使系統(tǒng)的可監(jiān)測性比較差。如在一些大型艦船上，許多重要的設備需要進行監(jiān)測，可使用的監(jiān)測技術手段也有很多，但由于在設計建造時忽略了設備的監(jiān)測診斷工作所需要的必備條件，從而導致了對許多需要重點監(jiān)測的設備無法進行有效監(jiān)測或監(jiān)測得不夠準確［4］。很多大型機械設備即使設計安裝了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，但大多數(shù)都是在系統(tǒng)設計生產(chǎn)交付使用后安裝的，產(chǎn)品設計和狀態(tài)監(jiān)測一直走在平行的兩股道上。近年來，國內外部分學者對可監(jiān)測性問題進行了一些研究，指出系統(tǒng)的可監(jiān)測性是系統(tǒng)本身所具備的檢測和隔離故障的能力［5－6］。這些研究多集中在機械系統(tǒng)結構損傷監(jiān)測方面，未對機械系統(tǒng)可監(jiān)測性問題進行系統(tǒng)分析，也未見從機械系統(tǒng)運行狀態(tài)和性能角度進行可監(jiān)測性方面研究的報道。將狀態(tài)監(jiān)測技術與產(chǎn)品現(xiàn)代設計相結合，在產(chǎn)品設計之初就充分考慮系統(tǒng)可監(jiān)測性問題，開展可監(jiān)測性設計的研究應用已成為當務之急。

1 可監(jiān)測性設計應用的意義

可監(jiān)測性設計作為產(chǎn)品性能設計的重要組成部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測故障診斷的重要基礎和關鍵環(huán)節(jié)［7］。該理念的應用和實施是實現(xiàn)機械系統(tǒng)視情維修決策的基礎，可大大提高機械系統(tǒng)的故障預測與健康管理的能力，為以可靠性為中心的自治維修的實施奠定了基礎；可監(jiān)測性設計大大提高了系統(tǒng)監(jiān)測的準確性，對提高系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控技術、降低維修成本、節(jié)省保障費用開支有重要意義。應該說，該理念的應用實施與系統(tǒng)設計開發(fā)、安全可靠、維修后勤保障和生命周期成本息息相關，是實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、維修性、安全性、保障性、經(jīng)濟性的一種關鍵技術，其具體意義如圖1所示。

2 可監(jiān)測性設計的應用過程

可監(jiān)測性設計的工程化實施涉及眾多人員和部門，主要涉及用戶、設備生產(chǎn)廠家、技術市場、設計部門和制造部門等多個對象和部門。各個部門之間都是相互影響、相互制約的，每個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響設計的進程及可監(jiān)測性設計應用的效果。在可監(jiān)測性設計過程中，各部門之間信息的傳遞相當復雜，呈現(xiàn)出一個復雜的信息傳遞鏈。其信息流在各部門之間的傳遞簡化圖如圖2所示，實際信息流的傳遞比該圖復雜得多。

圖1 可監(jiān)測性設計理論應用潛在的意義

圖2 可監(jiān)測性設計信息流

2．1 基于全生命周期的可監(jiān)測性設計

可監(jiān)測性作為機械產(chǎn)品的一種屬性貫穿于產(chǎn)品論證、設計、生產(chǎn)、制造、使用、維護以及報廢的整個生命周期中［7］?；谌芷诘目杀O(jiān)測性設計系統(tǒng)結構如圖3所示，其設計過程是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及結構設計、線路設計、軟件系統(tǒng)設計，也涉及現(xiàn)代設計技術、系統(tǒng)工程技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術、計算機技術、傳感器技術等學科，是多學科融合的綜合性理論。

2．2 設計應用實例

本文以內燃機模擬試驗系統(tǒng)的設計為例來探討可監(jiān)測性設計的實施。該系統(tǒng)中的試驗機在設計制造過程中按照基于全生命周期的可監(jiān)測性設計系統(tǒng)框架進行。用戶在充分收集類似機械相關數(shù)據(jù)的基礎上首先提出初步可監(jiān)測性要求。在設計驗證定型生產(chǎn)制造階段充分考慮可監(jiān)測性問題，完成測點優(yōu)化布置和圖紙的設計，最后完成產(chǎn)品的制造并交付使用。其中監(jiān)測點的選取直接影響系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的水平［8］。這樣，在論證階段中，系統(tǒng)的故障機理研究和產(chǎn)品研制階段中系統(tǒng)的測點優(yōu)化布置成為可監(jiān)測性設計實施過程中的關鍵環(huán)節(jié)，直接決定可監(jiān)測性設計的優(yōu)劣和影響系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的水平。

圖3 基于全生命周期的可監(jiān)測性設計系統(tǒng)結構

2．2．1 產(chǎn)品設計論證階段

產(chǎn)品設計論證階段主要根據(jù)機械系統(tǒng)的任務、性能和其他要求確定系統(tǒng)初步總體監(jiān)測要求；根據(jù)類似系統(tǒng)故障情況及當前監(jiān)測技術中軟硬件現(xiàn)狀和技術應用市場的情況，初步確定該系統(tǒng)采用的監(jiān)測技術方式和手段。該試驗機的主要目的是用來模擬內燃機主要部件的摩擦磨損和運行性能狀況，為內燃機的設計改進提供數(shù)據(jù)支持，也為內燃機主要部件的可監(jiān)測性設計提供經(jīng)驗借鑒?；谏鲜鲈?，該試驗機的可監(jiān)測性設計目標初步定位為A級（即監(jiān)測級別定位為A級），并且盡可能進行全面的監(jiān)測，以獲取更加準確可靠的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。收集以往數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，該類型機械系統(tǒng)出現(xiàn)的故障和失效的原因主要表現(xiàn)為摩擦和磨損。系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)表現(xiàn)出磨損、振動以及溫度發(fā)生變化等方面的現(xiàn)象，各監(jiān)測參數(shù)變量維持在一個特定的界限內或波動范圍內。當系統(tǒng)處于非正常工作狀態(tài)時，各監(jiān)測參數(shù)變量表現(xiàn)出超出界限或出現(xiàn)大的波動，且系統(tǒng)性能出現(xiàn)明顯的劣化衰退過程。當系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)損傷時會引起零部件結構參數(shù)發(fā)生變化，當損傷發(fā)展到使零部件結構參數(shù)超出允許值時，機械就會出現(xiàn)潛在故障。從潛在故障發(fā)展到功能故障（功能失效）一般具有較長的一段時間。該內燃機模擬試驗系統(tǒng)發(fā)生摩擦、磨損、腐蝕、疲勞、老化等現(xiàn)象都與時間關系密切，即該類型機械的損傷是逐步產(chǎn)生的，零部件的結構參數(shù)改變也是緩慢進行的，機械的性能參數(shù)也是逐漸惡化的?？梢?，該系統(tǒng)故障具有明顯的潛在性和漸發(fā)性特點。這樣，我們就可以通過各種監(jiān)測技術手段實現(xiàn)系統(tǒng)故障的預防，從系統(tǒng)異?，F(xiàn)象入手，可以判斷出設備的部分或整體的健康水平。在充分分析現(xiàn)有機械設備成熟監(jiān)測技術手段和監(jiān)測設備硬件現(xiàn)狀前提下，對該試驗機選取性能參數(shù)監(jiān)測、振動監(jiān)測、瞬時轉速監(jiān)測和油液監(jiān)測等四種監(jiān)測類別來進行系統(tǒng)的監(jiān)測。

2．2．2 產(chǎn)品設計研制階段

產(chǎn)品設計研制階段主要根據(jù)試驗機運行特點和常見故障來確立系統(tǒng)監(jiān)測的重要部件及采用的監(jiān)測方式，確立最佳監(jiān)測點優(yōu)化方案并在條件允許的情況下完成各種監(jiān)測設備的試驗和軟硬件平臺的搭建及調試工作。在完成上述工作的情況下，根據(jù)監(jiān)測設備的尺寸，在系統(tǒng)結構設計中完成結構設計、線路設計、接口設計等工作以及備用監(jiān)測點所需的設計工作，最終完成系統(tǒng)的總體設計工作和圖紙設計工作。

根據(jù)技術和性能要求，該試驗機概念結構設計圖見圖4（其中圖4b為圖4a中的氣缸蓋12的放大圖）。試驗機主要由主驅動系統(tǒng)、內燃機模擬系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)等部分組成［9］。缸套、活塞環(huán)、曲軸、軸承等作為內燃機的核心部件，長期在高溫高壓下工作，工況惡劣。氣缸15、活塞環(huán)16、活塞17、曲軸18以及氣缸蓋12上的高壓氣體的進氣口32、排氣口30組成了主驅動機構，其動力源是高壓空氣。該主驅動機構是利用高壓空氣模擬氣缸內空氣燃燒時產(chǎn)生的爆炸壓力及壓力變化而實現(xiàn)驅動的。在氣缸15的上方裝有加熱電阻絲11，用于對氣缸15內壁的上半部分空間中的氣體進行加熱，模擬缸內的高溫環(huán)境。當氣缸15中的活塞16運動到缸體頂端時，高壓氣體進氣口32打開并進行短暫的充氣，然后控制進氣的電磁閥關閉，活塞向下移動；當活塞運行至最下端準備返回氣缸頂部時，氣體排氣口30打開，氣體排出氣缸；當活塞運轉至頂端位置，氣體排氣口30關閉，高壓氣體進氣口32打開，活塞進行下一個往復運動?？梢姼滋祝钊h(huán)副在高壓推動下做往復運動，發(fā)動機曲軸在徑向和軸向作用力下運動。運動中，缸套、活塞環(huán)采用飛濺潤滑，軸滑動軸承采用流體動壓潤滑。通過上述分析可知，試驗機主要監(jiān)測部件應為缸套、活塞環(huán)、曲軸、軸承等。在不影響系統(tǒng)正常運行工作的情況下，以系統(tǒng)最高可靠性為原則，系統(tǒng)的監(jiān)測點布置如圖5所示。在保障系統(tǒng)性能的情況下，根據(jù)油液監(jiān)測傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器和轉速傳感器等的大小完成系統(tǒng)的總體設計。在圖紙設計過程中，通過考慮傳感器最佳安裝位置來完成監(jiān)測設備在系統(tǒng)中的結構設計、線路孔設計等工作，最終完成系統(tǒng)總體設計圖。

圖4 內燃機模擬試驗機概念結構簡圖

圖5 主要監(jiān)測點設置圖

2．2．3 產(chǎn)品生產(chǎn)階段

產(chǎn)品生產(chǎn)階段是可監(jiān)測性設計的實施落實階段，主要工作是根據(jù)各項技術要求并按照圖紙完成產(chǎn)品的設計制造。在系統(tǒng)組裝過程中完成各種傳感器的安裝調試和布線工作，并完成外部數(shù)據(jù)采集顯示分析系統(tǒng)、網(wǎng)絡布線、網(wǎng)絡配置、外部硬件平臺搭建及軟件平臺調試工作。在設計之初充分考慮系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題，開展可監(jiān)測性設計應用后交付使用的試驗機成品如圖6所示。

3 可監(jiān)測性設計的應用效果

實踐證明，在產(chǎn)品設計之初就充分考慮系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題來進行產(chǎn)品全生命周期的可監(jiān)測性設計，可實時準確地獲取系統(tǒng)運行中反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的參數(shù)。通過對獲取的這些監(jiān)測參數(shù)的分析，可對整個設備和重點部件或部位所處的狀態(tài)進行判斷，從而保障設備的有效可靠運行。經(jīng)過內燃機試驗機一年多的使用，可監(jiān)測性設計的效果主要表現(xiàn)在以下兩方面：

圖6 內燃機模擬試驗機

（1）可監(jiān)測性設計的實施使設備的可監(jiān)測性水平得到了顯著提高?？杀O(jiān)測性設計的實施有效增強了試驗機系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的能力，避免了以往類似試驗機某些部位需要進行監(jiān)測而在產(chǎn)品設計之初未考慮的弊端。該試驗機在設計之初充分考慮了系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題，與以往試驗機相比，增設了在線水分傳感器、黏度傳感器、在線油液傳感器、在線顆粒傳感器、在線鐵譜可視傳感器和瞬時轉速傳感器，并且還設計了潤滑油液采樣口，使系統(tǒng)的可監(jiān)測性水平得到了顯著提高。可監(jiān)測性設計的實施確保了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測綜合分析的需要，有效降低了系統(tǒng)故障識別的虛警率，使系統(tǒng)狀態(tài)判斷和故障診斷能力顯著提高。

（2）可監(jiān)測性設計的實施使獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準確和可靠。由于進行了可監(jiān)測性設計，各種傳感器均安裝在最佳位置，使系統(tǒng)能更加準確及時地獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)地有效監(jiān)測。數(shù)據(jù)獲取不可靠和故障信息延遲的弊端被有效避免，保障了系統(tǒng)故障預測和診斷的準確性和時間充裕性。

4 結束語

可監(jiān)測性設計作為機械設計的重要組成部分，應該加強和推廣。本文是對可監(jiān)測性設計理念實施的一次嘗試，通過嘗試表明可監(jiān)測性設計的應用可以大大提高系統(tǒng)的可監(jiān)測性水平，同時提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)故障預測能力，在具體工程化應用實施中還有很多因素需要考慮：

（1）可監(jiān)測性設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，貫穿于系統(tǒng)整個生命周期中。在對機械系統(tǒng)開展可監(jiān)測性設計時除了考慮可靠性、可監(jiān)測性、維修性等因素外，還要充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性、機械產(chǎn)品的外觀設計、監(jiān)測設備的體積及尺寸大小等因素。

（2）監(jiān)測點的選取是可監(jiān)測性設計的關鍵環(huán)節(jié)，其選取的好壞直接影響系統(tǒng)監(jiān)測的準確性和可靠性，決定可監(jiān)測性設計實施的水平。

（3）可監(jiān)測性設計應納入產(chǎn)品的設計過程中，提升到與產(chǎn)品可靠性、維修性設計同等重要的位置。

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