蘇文霞，白 琳，夏春燕

（1.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.南京工業(yè)大學(xué)總務(wù)處，江蘇南京 210003）

高等院校實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行科學(xué)研究、培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重要場所。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備是獲得科研成果、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的物質(zhì)保障，儀器設(shè)備特別是大型儀器設(shè)備的可靠性直接關(guān)系到教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)研究能否順利開展。隨著國家對(duì)教育事業(yè)投入力度不斷增大，高等院校的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越多，同時(shí)，高校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備維修方面的人員、經(jīng)費(fèi)投入嚴(yán)重不足。如何做好儀器設(shè)備的維修工作，保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省維修費(fèi)用，是高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理人員面臨的一個(gè)重要課題［1－6］。本文中提出采用狀態(tài)維修（conditionbased maintenance，CBM）技術(shù)進(jìn)行高等院校實(shí)驗(yàn)室大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修管理，討論了傳統(tǒng)維修方法的局限性和CBM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，給出了實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用CBM技術(shù)的具體過程，并對(duì)其效益進(jìn)行了分析。

1 傳統(tǒng)維修方法及其局限性

長期以來，大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備普遍采用傳統(tǒng)的周期計(jì)劃維修即定期維修方法。此方法是基于設(shè)備的固有磨損規(guī)律，應(yīng)用故障概率統(tǒng)計(jì)方法，在有計(jì)劃的情況下主動(dòng)進(jìn)行的。與設(shè)備發(fā)生故障后才被動(dòng)進(jìn)行的事后維修方式相比，定期維修能夠大為降低事故發(fā)生概率，保證儀器設(shè)備的正常運(yùn)行。但是，這種方法也有其局限性。

（1）定期維修以“預(yù)防為主”，不管設(shè)備是否存在故障，一律執(zhí)行維修計(jì)劃。這雖然起到了預(yù)防作用，但缺乏針對(duì)性，不能對(duì)癥下藥，具有盲目維修的成分，從而造成了機(jī)物料的浪費(fèi)。

（2）定期維修時(shí)設(shè)備一般處于無故障狀態(tài)，維修致使正常設(shè)備停運(yùn)，降低了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，造成人力、物力的浪費(fèi)。

（3）定期維修使有些還可以使用的零部件被不必要地更換，在拆卸過程中有些部件因原有的技術(shù)狀態(tài)受到破壞而導(dǎo)致故障概率增加，甚至造成設(shè)備的損壞。

（4）定期維修使得有些原來磨合很好的部件又被重新裝配，設(shè)備重新投運(yùn)后須經(jīng)過一段時(shí)間的磨合，才能發(fā)揮其正常水平，從而影響了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作效率。

（5）在定期維修間隔期內(nèi)設(shè)備可能出現(xiàn)故障，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究的正常進(jìn)行。

傳統(tǒng)維修方法的缺點(diǎn)使得其已經(jīng)不能適用于大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，必須采用更為先進(jìn)的設(shè)備維修策略。

2 CBM 技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、測試技術(shù)、故障診斷技術(shù)和維修分析決策技術(shù)取得了很大進(jìn)步，出現(xiàn)了以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的CBM 技術(shù)，并顯示出巨大的優(yōu)越性。

CBM 技術(shù)包含了以可靠性為中心的維修技術(shù)（RCM）和預(yù)測維修技術(shù)（PM）。RCM 是在對(duì)元件的可能故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性影響評(píng)估的基礎(chǔ)上決定維修計(jì)劃的一種維修策略。20世紀(jì)60年代末，由于寬體客機(jī)的投運(yùn)使得航空系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的定期大修方法在經(jīng)濟(jì)上變得不可接受。以可靠性為中心的維修技術(shù)根據(jù)元件故障后果的嚴(yán)重程度確定維修計(jì)劃，提高了航空系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，目前已被世界上幾乎所有航空公司所采用。20世紀(jì)80年代，美國EPRI（Electric Power Research Institute）將該技術(shù)應(yīng)用于核電站的維修，后來又應(yīng)用于火電廠和變電站，取得了提高可靠性和降低維修費(fèi)用的目的［7］。預(yù)測維修技術(shù)是對(duì)潛伏故障進(jìn)行在線或離線測量，根據(jù)測量結(jié)果和其他信息來安排維修的技術(shù)［8－9］。PM 技術(shù)的關(guān)鍵是依靠先進(jìn)的故障診斷技術(shù)對(duì)潛伏故障進(jìn)行分類和嚴(yán)重性分析，以決定設(shè)備（部件）是否需要立即退出運(yùn)行和應(yīng)及時(shí)采取的措施。目前，CBM 技術(shù)因其消耗少、能夠提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，已在電力、紡織、醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［10－13］。

3 大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用CBM 技術(shù)的具體過程

3.1 建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備CBM 管理體系

建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備維修管理體系是CBM 方法的前提，以CBM 管理體系為基礎(chǔ)，才能快速而有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理與維修。實(shí)驗(yàn)設(shè)備CBM 管理體系如圖1所示。

3.2 選擇狀態(tài)檢測點(diǎn)及特征量

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備CBM 管理體系

檢測點(diǎn)的位置將影響檢測數(shù)據(jù)的真實(shí)性，因此檢測點(diǎn)的選定非常關(guān)鍵。一般選擇下列位置作為檢測點(diǎn):離設(shè)備核心部位最近的關(guān)鍵點(diǎn)；容易產(chǎn)生劣化現(xiàn)象的易損點(diǎn)；機(jī)器振動(dòng)的敏感點(diǎn)；機(jī)座、軸承座等剛性支承點(diǎn)。選擇檢測點(diǎn)時(shí)還要考慮環(huán)境因素，應(yīng)避開大的振動(dòng)源、高溫、高濕點(diǎn)及出風(fēng)口。檢測點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)能反映設(shè)備的主要運(yùn)行狀態(tài)，大型設(shè)備必須在前、后、上、下、左、右、中等部位設(shè)置檢測點(diǎn)。檢測點(diǎn)選定后，應(yīng)記錄在圖紙上存檔，以備查閱核對(duì)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，狀態(tài)檢測方法已由傳統(tǒng)的人體感官感知發(fā)展為用科學(xué)儀器對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測，設(shè)備能夠被檢測的特征量數(shù)量越來越多。正確選擇特征量，可以使用最少的傳感器得到最能反映設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。特征量應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備而選取，經(jīng)常作為特征量的有溫度、壓力、顏色、氣味、電壓、電流、電阻等。

3.3 制定實(shí)驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)檢測工作是對(duì)照設(shè)備狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)開展的，標(biāo)準(zhǔn)是判斷設(shè)備是否正常以及故障程度如何的重要依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的合理性和準(zhǔn)確性決定了狀態(tài)檢測工作的成效。因此設(shè)備狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的制定是CBM 的重要環(huán)節(jié)。制定標(biāo)準(zhǔn)的一般方法和步驟是:根據(jù)設(shè)備說明書和其他單位的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)正常情況下的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行至少20次以上的反復(fù)測試，由所得的大量實(shí)測數(shù)據(jù)求取平均值，然后再進(jìn)行整理分析，引入倍乘因子和修正系數(shù)，即可以確定正常值、注意值和危險(xiǎn)值。一般情況下，以平均值的1.1倍為正常值，以正常值的2.5倍為注意值，以正常值的5倍為危險(xiǎn)值。如果所測值在正常值左右說明設(shè)備處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；在注意值附近說明設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)有些問題，此時(shí)要加強(qiáng)監(jiān)測和檢查；在危險(xiǎn)值附近說明設(shè)備必須進(jìn)行檢修。

3.4 確定檢測周期

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修管理是安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，必須保證在滿足安全性的前提下盡量節(jié)約資源。過于頻繁的檢測固然可以提高安全性，但也會(huì)浪費(fèi)大量的人力和物力。因此檢測周期的制定必須同時(shí)考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。一般根據(jù)設(shè)備壽命曲線制定檢驗(yàn)周期:新安裝及大修后的設(shè)備檢測周期為7天，正常運(yùn)行的設(shè)備檢測周期為15天，對(duì)于使用年限久、狀態(tài)不穩(wěn)定的設(shè)備檢測周期為7天。

3.5 狀態(tài)檢測

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)檢測是根據(jù)設(shè)備診斷的目的，選用適當(dāng)?shù)姆椒ê脱b置測量和檢查設(shè)備的狀態(tài)信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，抑制各種干擾信息，提取能反映設(shè)備狀態(tài)的特征量數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。狀態(tài)檢測需要考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性。就數(shù)據(jù)采集而言，傳統(tǒng)的感官感知即眼看、耳聽、手摸、鼻聞的方法只能得到關(guān)于特征量的定性模糊數(shù)據(jù)，常常不能可靠反映設(shè)備的狀態(tài)；而采用先進(jìn)的科學(xué)儀器則可以快速而準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但經(jīng)濟(jì)性較差。數(shù)據(jù)的處理與此類同:人工處理方法簡單易行，但處理結(jié)果不夠準(zhǔn)確；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度快、精度高，但需要初期投資較大。

狀態(tài)評(píng)估是將數(shù)據(jù)處理結(jié)果與對(duì)應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)。如果設(shè)備處于正常狀態(tài)，則繼續(xù)按照當(dāng)前的周期執(zhí)行檢測；如果異常，則需要通過分析設(shè)備運(yùn)行情況，預(yù)測可能出現(xiàn)的后果，從而及早做出預(yù)防維修計(jì)劃。

3.6 狀態(tài)預(yù)測

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測，是在設(shè)備出現(xiàn)異常運(yùn)行的情況下，從已知運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，考慮各種相關(guān)因素，對(duì)未來的運(yùn)行狀態(tài)作出預(yù)測。預(yù)測內(nèi)容包括未來某一特定時(shí)間時(shí)故障的種類、程度以及故障位置。由于狀態(tài)預(yù)測是在即使出現(xiàn)異常也不進(jìn)行維修的假設(shè)下進(jìn)行的，是對(duì)不維修可能造成的后果的預(yù)測，因此只是一種“事故預(yù)想”。常用的預(yù)測技術(shù)有時(shí)間序列法、回歸分析法、模糊預(yù)測法、灰色預(yù)測法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等。

3.7 維修決策

狀態(tài)維修是根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行的，根據(jù)狀態(tài)預(yù)測結(jié)果，可以判斷出是否維修和決定維修方式。如果設(shè)備異常狀態(tài)不是特別嚴(yán)重，可以縮短檢測周期，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的檢測。如果當(dāng)前狀態(tài)較為嚴(yán)重，必須根據(jù)情況制定相應(yīng)的維修方案并對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防維修，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用CBM 技術(shù)的效益

大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用CBM 技術(shù)可以較大幅度地降低維修費(fèi)用，縮短維修時(shí)間或者避免過度維修，可以取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)調(diào)查，采用CBM 技術(shù)可以使設(shè)備故障次數(shù)減少60%～80%，每次維修所用工時(shí)和用料平均減少30%左右。設(shè)傳統(tǒng)維修方式下所有大型設(shè)備年故障次數(shù)為100 次，平均每次維修費(fèi)用為1000元，則維修費(fèi)用總和為10萬元。采用CBM 技術(shù)后，可使故障次數(shù)減少到20～40次，平均每次維修費(fèi)用減少到700元，總維修費(fèi)用為1.4～2.8萬元，可節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)7.2～8.6 萬元。若CBM 技術(shù)的初期投資為30萬元，則投資回收期為

可見，CBM 技術(shù)雖然初期投資較大，但只需4年左右即可收回。

由于CBM 技術(shù)可以將故障消滅在萌芽狀態(tài)，避免設(shè)備事故，保障了教學(xué)和科研工作的正常進(jìn)行，因此也有較好的社會(huì)效益。

5 結(jié)束語

采用CBM 技術(shù)，可以在設(shè)備運(yùn)行中或者基本不解體的情況下，利用設(shè)備產(chǎn)生的不同信息，判斷產(chǎn)生故障的部位和原因，能夠避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備的突發(fā)故障和維修的盲目性，便于及時(shí)安排維修計(jì)劃，使設(shè)備維修簡便易行，克服傳統(tǒng)維修方式帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備性能的下降。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和教育事業(yè)的發(fā)展，高等院校的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越多，傳統(tǒng)的維修方法已經(jīng)無法保證設(shè)備維修的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，CBM 技術(shù)取代傳統(tǒng)維修方法己成為經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的必然，建議高等學(xué)校盡快將CBM 技術(shù)廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修管理，以保證教學(xué)和科研工作的正常進(jìn)行，同時(shí)達(dá)到節(jié)約維修費(fèi)用的目的。

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