吳鎮(zhèn)江

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510705）

0 引言

機(jī)械設(shè)備在國(guó)家建設(shè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用，有利于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。為充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力和效率優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械設(shè)備使用過程中，需要加強(qiáng)對(duì)其維修工作的重視。當(dāng)前階段，機(jī)械設(shè)備維修方式和技術(shù)與現(xiàn)代化發(fā)展之間存在一定的不適應(yīng)現(xiàn)狀，從而出現(xiàn)機(jī)械停修時(shí)間較長(zhǎng)、修理磨損加重、使用壽命縮短等問題。因此，實(shí)行新的維修技術(shù)是改革機(jī)械設(shè)備維修制度的重點(diǎn)內(nèi)容。

對(duì)于此，國(guó)內(nèi)外開展了大量的研究工作。比如美國(guó)通過以可靠性為核心的維修方法，確定具體維修計(jì)劃，完善維修管理策略；德國(guó)主張推行狀態(tài)維修，以發(fā)展監(jiān)控診斷技術(shù)為目標(biāo)；日本基于全民生產(chǎn)檢修，注重狀態(tài)維修模式可行性的探究。這些研究為中國(guó)的機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)和方式的革新提供了良好的借鑒和參考。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于機(jī)械設(shè)備維修制度的實(shí)施，主要是以計(jì)劃預(yù)防修理制度為指導(dǎo)，建立定期保養(yǎng)、計(jì)劃修理的基本原則。不過實(shí)際上對(duì)計(jì)劃的安排并非是依據(jù)機(jī)械的技術(shù)狀況，而是以設(shè)備的損害規(guī)律預(yù)先確定維修類別、維修間隔以及工作量等，對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常使用產(chǎn)生了較大的影響，在今后的發(fā)展過程中，仍需進(jìn)一步探索新技術(shù)。

綜合國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐，并以中國(guó)實(shí)際生產(chǎn)國(guó)情為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的維修技術(shù)選擇應(yīng)以狀態(tài)維修為主，其是在預(yù)防修理制以及故障理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來的有效維修技術(shù)，能夠不斷監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的性能、運(yùn)行狀況，以此確定維修方式、項(xiàng)目，合理安排維修計(jì)劃，有利于減少設(shè)備停機(jī)修理時(shí)間、降低維修成本，進(jìn)一步提高設(shè)備利用率。并且狀態(tài)維修能夠與現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過從各個(gè)角度檢測(cè)設(shè)備的性能指標(biāo)，以準(zhǔn)確分析判斷故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效維修。

1 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)維修概述

狀態(tài)維修是指針對(duì)機(jī)械設(shè)備的維修，主要是依靠檢測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，基于定期監(jiān)測(cè)的方法，了解和把控機(jī)械設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)，并通過其性能參數(shù)變化等預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障以及劣化趨勢(shì)，以此采用有效的技術(shù)手段對(duì)故障開展診斷分析，憑借診斷結(jié)果指導(dǎo)具體的狀態(tài)維修工作，以盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)機(jī)械設(shè)備的維修工作。該維修制度的特點(diǎn)是能夠良好適應(yīng)機(jī)械本身的故障特性，同時(shí)以機(jī)械設(shè)備可靠性為基礎(chǔ)依據(jù)，明確維修間隔期和最小維修總費(fèi)用，以便于消除維修中存在的過剩和失修問題［1］。

2 機(jī)械設(shè)備維修方式

2.1 年度整套裝置停產(chǎn)檢修

對(duì)于機(jī)械設(shè)備維修方式的選擇，當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外的流程工業(yè)中，普遍采用年檢的方式。即是將整套裝置或者十幾套裝置，在每年的特定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行有計(jì)劃、有安排的全面停產(chǎn)檢修，以確保下一年度機(jī)械設(shè)備的正常使用。這種維修方式對(duì)年度生產(chǎn)具有重要意義，其是根據(jù)流程工業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)而形成的一種維修方式，具有良好的生產(chǎn)保證性［2］。

2.2 事后維保

事后維保在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的維修制度中，是一種相對(duì)滯后的維修方式，但在很多企業(yè)中仍有一定的應(yīng)用，即當(dāng)企業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備或者零部件的磨損發(fā)生規(guī)律尚未完全認(rèn)識(shí)的情況下，只能在機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障后開展維修工作。該方式在當(dāng)前暴露出諸多缺陷和不足，比較明顯的則是設(shè)備停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，造成的生產(chǎn)損失較大，特別是當(dāng)機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)周期內(nèi)發(fā)生故障，開展事后維保時(shí)，會(huì)延誤生產(chǎn)計(jì)劃的進(jìn)行。但這種維修方式的費(fèi)用成本較低，對(duì)管理要求不高，往往不需要付出各種預(yù)防性措施的代價(jià)，在故障發(fā)生后僅是對(duì)損壞部分進(jìn)行修理［3］。在流程工業(yè)或者制造業(yè)流水線上設(shè)備維修中，其具有較大的缺陷，不過在部分中小企業(yè)中仍有應(yīng)用，相關(guān)企業(yè)應(yīng)當(dāng)摒棄該維修方式，革新維修管理制度。

2.3 計(jì)劃維修

計(jì)劃維修是現(xiàn)階段多數(shù)流程工業(yè)和制造業(yè)企業(yè)廣泛應(yīng)用的維修方式。其在實(shí)踐中，主要是通過統(tǒng)計(jì)分析來確定零部件在使用期間內(nèi)發(fā)生故障的規(guī)律以及合理使用壽命。一般是在零部件的使用壽命結(jié)束之前，定期開展維修或者更換，以保證零部件的使用效率得到提升，也能夠減少突發(fā)故障和臨時(shí)故障的發(fā)生，最大限度保證機(jī)械設(shè)備的開機(jī)時(shí)間。這種維修方式的本質(zhì)是一種預(yù)防性維修［4］。另外，在計(jì)劃維修中，也可按照機(jī)械設(shè)備維修的內(nèi)容、工作量等劃分為若干個(gè)維修類別，然后依據(jù)零部件的磨損原理，明確各個(gè)維修類型之間的關(guān)系，從而能夠確定每一種維修類型的間隔周期，構(gòu)建以零部件平均磨損為基礎(chǔ)的計(jì)劃維修體系。在執(zhí)行時(shí)，可按照加工對(duì)象、批量等，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修，減少緊急故障的出現(xiàn)，推動(dòng)生產(chǎn)和維修能夠按照計(jì)劃有序進(jìn)行。

3 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)的不良后果

中國(guó)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)多數(shù)采用定期維修方式，其是依據(jù)事先制定的檢修安排計(jì)劃，以設(shè)備零部件磨損規(guī)律、使用壽命等，明確檢修間隔，開展維護(hù)保養(yǎng)工作。該維修技術(shù)的主要理論依據(jù)為浴盆曲線，如圖1 所示。定期維修的周期確定為從設(shè)備啟動(dòng)到下一次停機(jī)檢修時(shí)間［5］。根據(jù)圖中顯示，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，存在早期故障期、偶發(fā)故障期和損耗故障期。早期故障期表示新設(shè)備或者大修設(shè)備投入運(yùn)行后，發(fā)生故障的概率較高，主要原因包括設(shè)計(jì)不合理、安裝不科學(xué)以及調(diào)試不當(dāng)?shù)龋慌及l(fā)故障期則是在設(shè)備啟動(dòng)后，經(jīng)過磨合會(huì)處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，這期間可能出現(xiàn)隨機(jī)故障，引發(fā)原因?yàn)椴僮魇д`、客觀因素影響等；損耗故障期是指機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后，受到零部件或材料的疲勞磨損，可能會(huì)增加故障率。在此理論的指導(dǎo)下，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為故障發(fā)生具有固定的間隔，在損耗故障期之前開展大修，能夠防止故障發(fā)生。所以定期維修的間隔為早期故障期和偶發(fā)故障期，在以往的機(jī)械設(shè)備維修工作中，定期維修技術(shù)發(fā)揮了重要作用。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、自動(dòng)化特點(diǎn)明顯，促使設(shè)備故障的發(fā)生模式出現(xiàn)較大的變化，與浴盆曲線不相符［6］。

圖1 浴盆曲線原理

當(dāng)對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的定期維修技術(shù)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生一系列的不良后果。首先是采用不必要的大修會(huì)增加總體故障率，當(dāng)設(shè)備故障模式與浴盆曲線不相符時(shí)，其維修間隔周期則不適應(yīng)其故障發(fā)生規(guī)律。在機(jī)械設(shè)備處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)其進(jìn)行盲目的改裝大修，會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性能產(chǎn)生干擾，增加早期故障率。尤其是對(duì)于大型的高精尖設(shè)備而言，對(duì)平穩(wěn)的設(shè)備整體進(jìn)行大拆大卸，在很大程度上會(huì)誘發(fā)新事故，增加總體故障率；其次，定期維修會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。通常情況下，對(duì)于大型復(fù)雜設(shè)備開展定期維修計(jì)劃時(shí)，需要借助巨大的人力和其他維修設(shè)備，并且也會(huì)產(chǎn)生高額費(fèi)用。當(dāng)設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，不僅會(huì)增加故障率，還會(huì)導(dǎo)致各項(xiàng)維修資源的浪費(fèi)；最后，定期維修會(huì)降低機(jī)械設(shè)備的使用壽命。如果對(duì)設(shè)備開展頻繁的定期大修，則會(huì)降低其合理的使用期限。比如在每次設(shè)備拆裝時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致部分構(gòu)件受到?jīng)_擊，進(jìn)而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，在拆裝后啟動(dòng)設(shè)備，則會(huì)增加材料的疲勞磨損［7］。

4 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)維修技術(shù)的應(yīng)用流程

由于對(duì)機(jī)械設(shè)備采用傳統(tǒng)的維修技術(shù)存在相應(yīng)的不良后果，為保障設(shè)備維修的高效性，以保證生產(chǎn)活動(dòng)的正常開展，需要采取狀態(tài)維修技術(shù)。當(dāng)前，狀態(tài)維修技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)備維修的主流，有利于縮短維修時(shí)間、降低維修成本、減少工作量。而在實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)維修技術(shù)時(shí)，需嚴(yán)格落實(shí)以下3 個(gè)步驟和流程，即是加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)、準(zhǔn)確進(jìn)行故障診斷、實(shí)施狀態(tài)維修手段。

4.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在開展?fàn)顟B(tài)維修之前，應(yīng)當(dāng)先對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的估計(jì)，再按照設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)采取相應(yīng)的維修措施。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)械設(shè)備在發(fā)生故障之前，都會(huì)出現(xiàn)某些具有顯著特征的前兆，利用適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)技術(shù)可獲取表示設(shè)備狀態(tài)和性能的參數(shù)，比如機(jī)械的速度、壓力、功率等運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)、噪聲、溫度、聲發(fā)射等摩擦引發(fā)的能量損耗、振動(dòng)以及位移等工作狀態(tài)等，根據(jù)參數(shù)分析其運(yùn)行狀況。當(dāng)前在實(shí)踐中可采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)包含以下幾種。

（1）振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)信息中，振動(dòng)信號(hào)是其重要載體，能夠充分表示設(shè)備異常或者故障信息，所以振動(dòng)特征是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)依據(jù)。通過開展振動(dòng)測(cè)試，有利于采集狀態(tài)信號(hào)，以判斷機(jī)械的運(yùn)行情況。主要技術(shù)有頻域分析法，其是對(duì)信號(hào)頻域特征的提取，根據(jù)能量在不同頻率上的分布，準(zhǔn)確判定機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，依靠頻譜圖可快速識(shí)別設(shè)備故障；還可采用時(shí)序分析法，以參數(shù)模型為基礎(chǔ)，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模式近似描述某一時(shí)序的動(dòng)態(tài)序列；沖擊脈沖計(jì)是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一，借助故障信號(hào)激發(fā)的高頻共振，零壓縮波的幅值鑒別設(shè)備的異常情況［8］。該技術(shù)無需開展頻譜分析，但無法準(zhǔn)確判斷故障的發(fā)生位置，因此需要結(jié)合包絡(luò)分析技術(shù)和小波分解技術(shù)。即是在故障信號(hào)引發(fā)的周期性高頻脈沖激勵(lì)基礎(chǔ)上，有效地將加速度傳感器收集的諧振頻率進(jìn)行包絡(luò)檢波，以提高信噪比，進(jìn)而獲得與故障頻率相同的低頻信號(hào)，確定出現(xiàn)故障的具體零部件。而小波分解技術(shù)則能夠?qū)⒄駝?dòng)信號(hào)經(jīng)過不同尺度的分解，更便于選擇不同中心頻率的帶通濾波器，基于振動(dòng)信號(hào)的濾波，以此獲得原始信號(hào)在尺度上的小波變化結(jié)果，確保各個(gè)固有振動(dòng)［9］。其可結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)構(gòu)建振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)架如圖2 所示。

圖2 機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（2）油液磨損分析技術(shù)。其是通過掌握油液中磨粒的成分、數(shù)量、尺寸以及形貌等，更及時(shí)準(zhǔn)確地了解機(jī)械設(shè)備及其構(gòu)件的磨損程度和性質(zhì)，有利于判斷設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和故障趨勢(shì)。具體技術(shù)方法有電導(dǎo)法，其是對(duì)油液污染度機(jī)理的控制分析。當(dāng)油液介質(zhì)在純凈的情況下，電導(dǎo)率通常相對(duì)較小，但工程油介質(zhì)除外，其受固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)雜質(zhì)的影響，導(dǎo)致電導(dǎo)率相對(duì)較大。在應(yīng)用時(shí)，該技術(shù)具有快速、簡(jiǎn)便、廉價(jià)的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)液壓油的污染程度，為使用者控制油液污染提供良好基礎(chǔ)，改善傳統(tǒng)的定期換油方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榘促|(zhì)換油，有利于減少系統(tǒng)故障，提高機(jī)械設(shè)備的可靠性、延長(zhǎng)使用期限。此外，也可采用機(jī)械油液分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)的分析軟件，在現(xiàn)場(chǎng)可對(duì)機(jī)械油液開展快速精確的分析，對(duì)傳統(tǒng)潤(rùn)滑油分析成本高、周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜等缺陷進(jìn)行有效解決。同時(shí)還具有準(zhǔn)確率高、適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，適用于曲軸箱機(jī)油、齒輪后者軸承等潤(rùn)滑油等監(jiān)測(cè)分析，具有良好作用，有利于控制油液污染程度和機(jī)件磨損程度等，及時(shí)分析機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常的原因［10］。

（3）離線磨粒監(jiān)測(cè)技術(shù)。在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中出現(xiàn)零件失效的主要原因是磨損失效。因?yàn)橐簤河椭械哪チＤ軌驍y帶機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量信息，所以為充分反映設(shè)備的磨損程度，可加強(qiáng)對(duì)磨粒的監(jiān)測(cè)和研究，更好地顯示機(jī)器磨損機(jī)理。其主要監(jiān)測(cè)技術(shù)包括鐵譜分析法，在操作中即是將油樣按照規(guī)范的步驟稀釋在玻璃片上，再增加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，在其作用之下，能夠觀察到不同大小殘?jiān)芡ㄟ^的玻璃不同。在按照油樣中殘?jiān)恋淼那闆r，準(zhǔn)確判斷機(jī)器零件的磨損程度。這一過程中可借助光學(xué)或電子顯微鏡，對(duì)殘?jiān)男蚊策M(jìn)行觀察并判斷其成分。

（4）運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。對(duì)于機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可采用紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用紅外熱成像原理，對(duì)設(shè)備表面溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行顯示，能夠準(zhǔn)確地診斷出設(shè)備的襯里破壞、散熱損失、管道沉積以及電阻變化等。尤其是對(duì)高靈敏度紅外敏感元件、對(duì)材料變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可有效感知晶格摩擦產(chǎn)生的微小熱量。

4.2 故障診斷

根據(jù)對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可進(jìn)一步分析和判斷故障發(fā)生的原因、具體部位以及性質(zhì)等，甚至可基于狀態(tài)檢測(cè)預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)中，往往是借助各種便攜式儀表，對(duì)故障發(fā)生情況、故障嚴(yán)重程度等進(jìn)行判斷。而在當(dāng)前階段，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了信號(hào)處理技術(shù)、專家處理系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步，將其引入到機(jī)械設(shè)備狀態(tài)診斷方面，具有良好的運(yùn)用效果。比如構(gòu)建以計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心的多功能自動(dòng)化診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集處理、異常狀態(tài)自動(dòng)化識(shí)別、實(shí)時(shí)顯示、輸出分析結(jié)果打印等功能。同時(shí)，能夠按照機(jī)械設(shè)備的故障類型，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并迅速對(duì)出現(xiàn)的故障性質(zhì)、嚴(yán)重程度以及具體位置、發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行自動(dòng)化診斷。相關(guān)維修人員也可通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)查閱設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)、維修記錄、監(jiān)測(cè)參數(shù)等，為維修決策提供可靠的依據(jù)。近年來，在對(duì)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)維修中，開展故障判斷逐漸應(yīng)用遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)，以便于迅速、實(shí)時(shí)地明確設(shè)備故障，為維修工作的實(shí)施提供良好條件。

4.3 狀態(tài)維修

狀態(tài)維修是基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷而實(shí)施的具體處理方法，按照故障的性質(zhì)和發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定維修時(shí)間、維修部位等。在維修時(shí)，相關(guān)人員需要綜合考慮全體部件的狀態(tài)，將其納入到一個(gè)運(yùn)行維修網(wǎng)絡(luò)圖，指導(dǎo)操作人員明確故障維修重要程度，以便于合理安排針對(duì)性維修計(jì)劃，保證機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)保持良好。

5 結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的背景下，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)用日益復(fù)雜化和自動(dòng)化，其精密程度也有較大的提高。為保障其能夠更好地投入生產(chǎn)，保證正常、穩(wěn)定運(yùn)行，需要重視其維修工作。傳統(tǒng)維修方式和技術(shù)存在停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)人力、物力大、影響設(shè)備的合理使用壽命等問題，因此對(duì)其可采用狀態(tài)維修技術(shù)，通過采用適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，科學(xué)分析和判斷故障的性質(zhì)、原因、位置、發(fā)展趨勢(shì)等，采取有效的、針對(duì)性的維修手段，對(duì)問題零部件進(jìn)行修理或更換，預(yù)防嚴(yán)重事故的發(fā)生，起到預(yù)防性作用。同時(shí)能夠充分解決非計(jì)劃停產(chǎn)檢修、資源浪費(fèi)等缺陷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)、增加經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)。