楊雁玲

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西大同 037003)

通常判斷設(shè)備運行可靠性的因素包含振動程度、機械受損程度、不確定狀態(tài)三種類型，可靠性評估的主要目的為及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷并進(jìn)行改進(jìn)，保障產(chǎn)品可靠性與綜合性能滿足使用需求，同時也能夠防范因設(shè)備運行故障引發(fā)安全事故，保障實現(xiàn)設(shè)備的安全高效運行。

1 設(shè)備運行可靠性的概念與評估計算方法

1.1 運行可靠性

設(shè)備在運行狀態(tài)下受溫度、應(yīng)力、電流、電壓、腐蝕等因素的影響，將導(dǎo)致其零部件的性能不斷退化，由早期損傷逐漸發(fā)展為故障，最終導(dǎo)致設(shè)備失效。設(shè)備運行可靠性的衡量因素通常為受損最嚴(yán)重零部件的狀態(tài)，在進(jìn)行運行可靠性的具體分析時應(yīng)以可靠度作為量化指標(biāo)，基于GB/T20921-2007將運行可靠度定義為在規(guī)定條件下、規(guī)定期限內(nèi)設(shè)備不失效地完成要求功能的概率[1]。設(shè)h(t)為失效率函數(shù)、時間t為自變量，則運行可靠度的計算公式為：

1.2 可靠性評估方法

通常在設(shè)備運行過程中將產(chǎn)生速度、位移、應(yīng)力、溫度、壓力、噪聲、電量等狀態(tài)信息，用于反映設(shè)備的退化情況，為可靠性評估提供重要參考。在設(shè)備運行狀態(tài)信息的獲取上，可分別依據(jù)正問題、反問題進(jìn)行動態(tài)建模與故障機理分析、信號處理與故障特征提取。其中動態(tài)建模與故障機理分析主要以設(shè)備的零部件作為分析對象，選取零部件在不同約束條件下受到的物理量作用完成動力學(xué)模型的建構(gòu)，經(jīng)由分析得出故障產(chǎn)生機理及其表征，用于實現(xiàn)故障診斷；信號處理與故障特征提取則以設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)物理量信號作為分析對象，綜合采用多小波、隨機共振、局域均值分解等信號處理技術(shù)獲取故障特征或征兆，用于實現(xiàn)零部件故障定位與損傷情況的定量計算。在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)系數(shù)法、凝聚函數(shù)法、峭度指標(biāo)法等完成關(guān)聯(lián)映射模型的建構(gòu)，將分析結(jié)果映射到歸一化度量區(qū)間[0,1]上，即可完成設(shè)備運行可靠性評估[2]。

1.3 運行可靠度計算

（1）相關(guān)系數(shù)法。

當(dāng)一類設(shè)備的運行狀態(tài)開始惡化時，在其運行過程中自相關(guān)系數(shù)將隨信號周期分量的增加而增加，則設(shè)備運行可靠度的計算公式為：

選取同類運行狀態(tài)良好的設(shè)備作為對照組，針對運行狀態(tài)劣化設(shè)備的可靠性進(jìn)行評估，則其互相關(guān)系數(shù)的計算公式為：

（2）凝聚函數(shù)法。

選取同類運行狀態(tài)良好的設(shè)備作為對照組，針對劣化設(shè)備的運行可靠性進(jìn)行評估，其可靠性計算公式為：

（3）峭度指標(biāo)法。

通常當(dāng)設(shè)備在運行狀態(tài)下零部件出現(xiàn)損傷時，將使其運行狀態(tài)信號的峭度有所增加，選取峭度指標(biāo)作為可靠性評估依據(jù)，其計算公式為：

2 設(shè)備維修優(yōu)化方法及其應(yīng)用探討

2.1 采用H-RCM方法

傳統(tǒng)設(shè)備維修方法以可靠性(RCM)為中心，將故障后果劃分為隱蔽性故障、安全性和環(huán)境性、使用性以及非實用性后果四種類型，其研究對象局限于單一設(shè)備，未能將人的可靠性納入到評估范疇中，無法滿足企業(yè)現(xiàn)實需求。對此采用H-RCM方法進(jìn)行改進(jìn)，將可靠性評估對象由單一設(shè)備擴展到人機結(jié)合系統(tǒng)，并將其研究對象的功能擴展到設(shè)備本身、自感知、自決策、自控制、自恢復(fù)、自學(xué)習(xí)六項功能層面，其故障模式涵蓋設(shè)備本身故障、感知失誤、決策失誤、控制失誤、維護失誤與學(xué)習(xí)失誤六種類型。在H-RCM人機系統(tǒng)故障原因分析因子設(shè)計上，分別確定典型因子與變量，完成矩陣的設(shè)計，結(jié)合不同企業(yè)實際情況進(jìn)行因子間相關(guān)系數(shù)值的設(shè)計，其中第i個因子與p-1個因子決定系數(shù)的均值的計算公式為：

當(dāng)ri值越大，說明該因子在本類中的代表性越強，因此可將其作為故障原因分析因子，能夠有效提高H-RCM過程中人機系統(tǒng)故障原因分析的效率。將H-RCM方法應(yīng)用于某風(fēng)機機組運行可靠性評估中，將可靠性評估時長設(shè)為1年，配合平衡計分法與層次分析法進(jìn)行評估結(jié)果的量化處理。在過程監(jiān)控功能層方面，采用H-RCM方法后風(fēng)機機組員工的崗位技術(shù)職稱達(dá)標(biāo)率得到明顯提升，系統(tǒng)故障診斷準(zhǔn)確率、維修返修情況也明顯好轉(zhuǎn)；在實施結(jié)果功能層方面，采用H-RCM方法后系統(tǒng)非計劃停工時間較基期值減少217h、人員傷亡事故數(shù)減少2起、違章操作的設(shè)備故障次數(shù)減少17次，人機系統(tǒng)維護資金節(jié)約11.3萬元，風(fēng)機機組的維護管理水平得到顯著提升。

2.2 零相位時變?yōu)V波器設(shè)計

選取變速齒輪箱作為故障診斷對象，通常應(yīng)以識別嚙合頻率的調(diào)制特征作為該設(shè)備的故障診斷依據(jù)，提取各傳動系統(tǒng)的嚙合頻率調(diào)制信號進(jìn)行包絡(luò)調(diào)制分析，以此掌握各齒輪箱內(nèi)齒輪的工作狀態(tài)。在此將零相位濾波器引入到基于Multi-scale chirplet的稀疏信號分解的時變?yōu)V波器設(shè)計方法中，使自適應(yīng)的時變?yōu)V波器在通帶內(nèi)相移為零，用于解決信號畸變、Hilbert變換對非平穩(wěn)信號的單分量要求，提高濾波精度。在診斷流程設(shè)計上，首先應(yīng)通過測量得出振動信號與每個齒輪箱的轉(zhuǎn)速信號；其次選用基于多尺度線調(diào)頻基的稀疏信號分解方法，獲取每個齒輪箱的嚙合頻率；再次需將嚙合頻率、轉(zhuǎn)頻的倍頻分別設(shè)為濾波中心與濾波帶寬，完成零相位自適應(yīng)濾波器的設(shè)計，通過針對振動信號進(jìn)行濾波處理，獲取到單分量的嚙合頻率調(diào)制信號；接下來基于Hilbert變換獲取相應(yīng)包絡(luò)信號；最后結(jié)合轉(zhuǎn)速信號得到相應(yīng)包絡(luò)信號的階比譜，掌握調(diào)制形態(tài)，實現(xiàn)故障診斷。其中基于多尺度線調(diào)頻基的稀疏信號分解方法所用的基函數(shù)庫為：

通過分析每一采樣時刻零相位濾波的時域處理過程、響應(yīng)頻域可以得出，濾波輸出與輸入間不存在相移，由此推斷出零相位自適應(yīng)時變?yōu)V波器的輸出、輸入間也不存在相移，因此能夠有效規(guī)避信號畸變問題的出現(xiàn)，提高濾波可靠性與精度。將該零相位自適應(yīng)濾波器運用在變速齒輪箱的故障診斷中，可有效克服齒輪箱振動信號間的相互干擾，且由此獲取的不同傳動系統(tǒng)的包絡(luò)信號階比譜較為清晰，可實現(xiàn)對齒輪箱故障的有效診斷[3]。

2.3 改進(jìn)的粒子群算法

基于“選擇性趨同”原理針對傳統(tǒng)粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建基于“選擇性趨同”的粒子群算法（S-PSO）。S-PSO算法的速度與位置更新公式分別為：

選取6個基準(zhǔn)優(yōu)化測試函數(shù)，基于S-PSO算法分別對其進(jìn)行搜索運算，仿真試驗的硬件環(huán)境為Pentium(R)D、軟件平臺為WindowsXP，選取MATLAB7.0作為計算軟件，針對6個標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)分別執(zhí)行20次優(yōu)化運算。通過觀察運算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，S-PSO算法對于6個標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)都能夠達(dá)到最靠近全局最優(yōu)點的位置，算法所得結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)方差較低、魯棒性較好；針對S-PSO算法的收斂特性進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)該算法的收斂速度、收斂精度均較高，能夠有效尋找到全局最優(yōu)解。將S-PSO算法應(yīng)用于某企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備維修實際中，實現(xiàn)對設(shè)備原有預(yù)防性維修周期模型的優(yōu)化，將算例參數(shù)代入到模型中可得出，在設(shè)備運行周期為500h的情況下，當(dāng)預(yù)防性維修次數(shù)為5次時，維修總成本為最小值，因此在設(shè)備運行500h內(nèi)進(jìn)行5次預(yù)防性維修，即可保障設(shè)備運行的可靠性、達(dá)到最佳運行效果。

3 結(jié)語

設(shè)備在規(guī)定條件下與服役時間內(nèi)的零部件運行狀態(tài)，將直接影響到設(shè)備運行功能與使用性能的發(fā)揮水平。本文基于H-RCM方法、零相位時變?yōu)V波器與改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行設(shè)備維修方法的優(yōu)化，實驗結(jié)果表明該方法具有良好的可操作性與預(yù)防性維修作用，在生產(chǎn)作業(yè)中具備較強的應(yīng)用價值。