封會娟,閆 旭,劉祥凱,唐彥峰,李志威
(1.軍事交通學院軍用車輛系,天津300161;2.軍事交通學院研究生管理大隊,天津300161)
隨著裝備結(jié)構復雜程度和技術含量的提高,以及監(jiān)測診斷技術的發(fā)展,裝備的維修方式也發(fā)生了變化,由簡單的以預防為主轉(zhuǎn)向更為精確的基于狀態(tài)的維修(condition based maintenance,CBM),以提高裝備可靠性,節(jié)約維修保障成本和資源。CBM的實施過程可歸納為狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、壽命預測及維修決策4個步驟。狀態(tài)監(jiān)測作為CBM實施的第一步,需要依賴于對狀態(tài)參數(shù)進行近似實時的監(jiān)控,狀態(tài)參數(shù)選擇的重要性顯而易見。然而,目前狀態(tài)參數(shù)的確定普遍經(jīng)驗化,缺乏科學的分析計算,本文正是基于此問題展開相關研究。
基于狀態(tài)的維修(CBM)是一種建立在對裝備狀態(tài)實時或近實時評估基礎上的維修方式。它是在傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術基礎上,綜合運用傳感器、人工智能、計算機、通信和網(wǎng)絡等多種先進技術,通過外部檢測設備或裝備內(nèi)部植入的傳感器獲得裝備運行時的狀態(tài)信息,準確地判定部件的實際狀態(tài),并運用數(shù)據(jù)分析與維修決策技術對裝備狀態(tài)進行實時或周期性的評價,最終作出科學化的維修決策,從而實現(xiàn)裝備維修管理工作的科學化、合理化。
裝備在運行過程中會產(chǎn)生能夠表征其狀態(tài)的物理現(xiàn)象(如振動、溫度變化等),并引起相應參數(shù)(如轉(zhuǎn)矩、壓力等)的變化,這為裝備狀態(tài)監(jiān)測提供了可能。在實際應用中,這些被選擇用于對裝備運行狀態(tài)進行監(jiān)測的參數(shù),稱為狀態(tài)參數(shù)[1]。
目前,狀態(tài)參數(shù)大多依賴專家的使用經(jīng)驗來確定,少數(shù)學者在相關研究中也涉及了定量決策方法。在此基礎上,本文提出狀態(tài)參數(shù)的確定應遵循的原則。
(1)可測性。狀態(tài)參數(shù)應具有一定的物理意義,能夠量化表示且便于測量。
(2)多能性。即參數(shù)能全面地表征設備運行狀態(tài)的能力。設備性能狀態(tài)劣化或故障可能引起許多參數(shù)的變化,應選擇包含更多狀態(tài)信息、反映更多性能的參數(shù)。
(3)靈敏性。裝備性能劣化或故障時,應選擇隨劣化或故障趨勢變化更為明顯的參數(shù)。如發(fā)動機汽缸活塞副磨損較為嚴重時,功率下降僅5%~7%,然而壓縮空氣泄漏率反映更為靈敏,降幅達40% ~50%,則應選擇后者為狀態(tài)參數(shù),前者可作為備選參數(shù)輔助判斷。
(4)穩(wěn)定性。應選擇在相同監(jiān)測條件下數(shù)據(jù)離散度小、重復性好,在指示設備狀態(tài)的有效測量范圍內(nèi)不出現(xiàn)突變的參數(shù)為狀態(tài)參數(shù)。
質(zhì)量功能展開(quality function deployment,QFD)是一種面向需求的產(chǎn)品設計和開發(fā)的計劃過程,是質(zhì)量工程的核心技術。該方法最早由日本學者于1966年首次提出,如今在日本和美國已得到廣泛應用。近年來,QFD方法的研究趨勢正向解決武器系統(tǒng)設計中的關鍵技術決策問題的方向邁進,逐漸成為一種重要的關鍵技術評價與決策的方法和工具。
QFD方法借助矩陣圖表來描述需求與設計指標之間的關系,并進行量化分析,確定描述需求的關鍵設計指標,進而設計出滿足需求的產(chǎn)品。其核心部分為“質(zhì)量屋(house of quality,HoQ)”模型(如圖1所示)。
圖1 質(zhì)量屋
本研究建立的質(zhì)量屋模型包括下列部分。
(1)左墻:監(jiān)測需求及需求權重。監(jiān)測需求是由產(chǎn)品狀態(tài)及故障特征決定的參數(shù)特性。需求權重是各參數(shù)特性重要程度的定量表示。這兩項是質(zhì)量屋最基本的輸入,可通過調(diào)查和專家打分等方法獲取。
(2)天花板:狀態(tài)參數(shù)。技術特征是所輸入需求得以實現(xiàn)的必須保證和實施的手段和措施,在本研究中即為待決策的狀態(tài)參數(shù),可從商業(yè)慣例及相關國家和軍用標準中獲取。
(3)房間:相關關系矩陣。表示各監(jiān)測需求和各參數(shù)之間的相關程度,由相關法則計算得到。
(4)屋頂:參數(shù)自相關關系矩陣。表示參數(shù)間的相關程度。
(5)地下室:參數(shù)評價矩陣。該項是質(zhì)量屋的輸出項,表示各參數(shù)對于監(jiān)測需求整體的重要程度[2]。
建立質(zhì)量屋模型,直觀地描述各監(jiān)測需求與參數(shù)之間關系,借助相關計算得到各參數(shù)對于產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測的重要程度,進而可以確定狀態(tài)參數(shù)。運用質(zhì)量功能展開QFD方法確定狀態(tài)參數(shù)的步驟如下。
(1)獲取監(jiān)測需求。經(jīng)過調(diào)研及對裝備產(chǎn)品和故障資料的分析,結(jié)合狀態(tài)參數(shù)確定原則,對CBM對象的指定故障模式確定監(jiān)測需求,用i和j表示(i,j=1,2,…,m),如狀態(tài)參數(shù)對故障的敏感性、與故障的關聯(lián)性、監(jiān)測傳感器的可用性、與其他參數(shù)的相關性、監(jiān)測成本等。
(2)獲取監(jiān)測參數(shù)。參照國家標準GB/T 20471《機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷——基于應用性能參數(shù)的一般指南》[3]中提供的指示典型故障的性能參數(shù)慣例,獲取指定故障模式常用的狀態(tài)參數(shù)集,如溫度、壓力、空氣流量、振動、功率等。
(3)利用AHP法計算各需求重要度權重。
(a)假設eij為需求i相對于j的重要程度值,構造判斷矩陣E:
(b)運用數(shù)字1~9標度確定各相對重要程度值,標度含義見表1。
表1 標度含義
(c)根據(jù)判斷矩陣,求最大特征根λmax所對應的特征向量α',方程如下:
所求特征向量α'經(jīng)歸一化得到權重向量α=(α1,α2,…,αm)T,即為各需求重要度權重。
(d)為保證權重分配的合理性,需要進行一致性檢驗。
首先,計算判斷矩陣的一般一致性指標C.I.,方程為
其次,由表2確定平均隨機一致性指標R.I.的取值。
表2 平均隨機一致性指標取值
最后,計算判斷矩陣的隨機一致性比率C.R.:
當C.R.<0.1時,即確定判斷矩陣滿意的一致性,說明權重合理[4]。
(4)構建質(zhì)量屋模型。利用HoQ模型,結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測實際情況,根據(jù)狀態(tài)參數(shù)和監(jiān)測需求間的關系,按照各狀態(tài)參數(shù)滿足監(jiān)測需求的情況rnm按照0~5分的標度打分,強相關5分,中等相關3分,弱相關1分,不相關0分,建立QFD的HoQ模型(如圖2所示)。
圖2 HoQ模型
(5)計算參數(shù)重要度。根據(jù)HoQ模型中的監(jiān)測需求重要度權重和關系矩陣,運用式(5)計算參數(shù)重要度,即
參數(shù)重要度矩陣中各元素的數(shù)值即為參數(shù)重要度,表示各參數(shù)對于監(jiān)測需求的滿足程度,可據(jù)此按從大到小順序排列,即對應得到狀態(tài)參數(shù)排序[5]。
現(xiàn)以往復式內(nèi)燃機為例,設置實驗,驗證本研究提出的方法是否科學可行。
經(jīng)過對裝備產(chǎn)品和相關標準資料的分析以及對相關專家和工程人員的調(diào)研,確定往復式內(nèi)燃機點火故障的監(jiān)測需求為:狀態(tài)參數(shù)對故障的敏感性、與故障的關聯(lián)性、監(jiān)測傳感器的可用性、與其他參數(shù)的相關性、監(jiān)測成本,分別記為監(jiān)測需求1~5(見表3)。
表3 監(jiān)測需求示例
根據(jù)GB/T 20471獲取點火故障模式常用的狀態(tài)參數(shù)集:發(fā)動機溫度、汽缸壓力、燃料流量、排氣溫度、振動、輸出功率、油損耗,標記為參數(shù)1~7(見表4)。
表4 參數(shù)示例
利用AHP法,根據(jù)式(1)和式(2)計算各監(jiān)測需求重要度權重,得到結(jié)果為 α=(0.310 2,0.238 1,0.047 6,0.214 5,0.142 8)。經(jīng)式(3)和式(4)進行一致性檢驗,得 C.R.=0.081 3 <0.1,即表示權重合理。
根據(jù)質(zhì)量屋模型,邀請多名操作人員和維修技術人員對參數(shù)滿足監(jiān)測需求的情況進行打分。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后建立質(zhì)量屋模型,利用式(5)計算參數(shù)重要度v(如圖3所示)。
圖3 HoQ模型示例
由圖3可知,針對往復式內(nèi)燃機的狀態(tài)監(jiān)測,狀態(tài)參數(shù)推薦排序為振動、油損耗、輸出功率、燃料流量、汽缸壓力、發(fā)動機溫度、排氣溫度。
本文針對狀態(tài)參數(shù)確定方法普遍經(jīng)驗化的現(xiàn)狀,在研究確定基本原則的基礎上,采用質(zhì)量功能展開的方法建立了狀態(tài)監(jiān)測的質(zhì)量屋模型,提出了一種確定狀態(tài)參數(shù)的定量分析方法。經(jīng)實例分析,該方法能夠客觀、充分反映參數(shù)的重要程度,為實施裝備基于狀態(tài)的維修提供了技術支撐。
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