車彥奇等

摘要：機械系統(tǒng)是人類用于轉(zhuǎn)換能量和減輕體力勞動，改造自然提高生產(chǎn)效率的主要工具，是國民經(jīng)濟經(jīng)濟支柱的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力發(fā)展的重要標志。其機械產(chǎn)品的性能和制造水平是一個國家綜合實力的象征。而機械系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)的水平與機械系統(tǒng)的設(shè)計、加工、裝配直至使用、維護、保養(yǎng)的全過程息息相關(guān)。本文從機械系統(tǒng)的可監(jiān)測性設(shè)計的必要性、可行性出發(fā)，對其研究內(nèi)容和意義進行了分析。

關(guān)鍵詞：機械系統(tǒng)；可監(jiān)測性設(shè)計理論；意義

機械系統(tǒng)的可監(jiān)測性設(shè)計理論研究對提高機械系統(tǒng)產(chǎn)品性能和市場競爭力具有重要意義。在產(chǎn)品設(shè)計之初就考慮監(jiān)測問題，將可監(jiān)測性設(shè)計納入產(chǎn)品功能設(shè)計、可靠性設(shè)計、安全性設(shè)計、保障性設(shè)計、維修性設(shè)計等同等重要的位置，將大大提高機械系統(tǒng)的監(jiān)測水平和準確性，為機械系統(tǒng)的監(jiān)測與診斷奠定基礎(chǔ)，進而推動我國機械設(shè)備故障預(yù)測與健康管理發(fā)展提供必要的條件。

1.開展可監(jiān)測性設(shè)計的必要性

首先，機械產(chǎn)品設(shè)備及其系統(tǒng)不斷向大型化、復雜化、集成化、高參數(shù)化和自動化方向邁進，其工作條件的要求越來越高，設(shè)備維修越來越復雜困難，這對機械產(chǎn)品設(shè)計提出了更高的要求，同時用戶對產(chǎn)品的可靠性、智能化水平要求越來越高。

其次，由于產(chǎn)品設(shè)計之初未考慮監(jiān)測問題，致使大部分機械系統(tǒng)的可監(jiān)測性差，往往造成狀態(tài)信息的采集困難，即使采集到了數(shù)據(jù)由于監(jiān)測點位置的選取不當而數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)的反映的敏感度卻不高，有時甚至無法獲取。如在眾多大型機械系統(tǒng)存在很多重要、關(guān)鍵的設(shè)備需要開展監(jiān)測，且可使用的監(jiān)測的技術(shù)手段也有多種，但由于該系統(tǒng)在設(shè)計建造時忽略了該設(shè)備完成監(jiān)測診斷所需的基本條件，沒有設(shè)計安裝必要的監(jiān)測設(shè)備或沒有預(yù)留監(jiān)測所必須的測試部位或接口，這就導致了許多需要重點監(jiān)測的設(shè)備無法進行有效地監(jiān)測或是監(jiān)測到的數(shù)據(jù)不夠直接準確并不能反映系統(tǒng)的真實狀態(tài)。

2.開展可監(jiān)測性設(shè)計的可行性

首先，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能技術(shù)的快速發(fā)展，為監(jiān)測性設(shè)計的進行提供了可靠的硬件和軟件基礎(chǔ)，其常規(guī)性能、振動、噪聲、瞬時轉(zhuǎn)速、油液監(jiān)測等技術(shù)在許多機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測中廣泛應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，且有些已可實現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)測的需要。

其次，所有的機械系統(tǒng)都具有機械產(chǎn)品存在的明顯劣化衰退過程，當其非正常工作狀態(tài)時，就會表現(xiàn)出或監(jiān)測到磨損、振動、溫度等方面的異常現(xiàn)象，從這些異常現(xiàn)象入手，可以判斷出產(chǎn)品的健康水平?？v觀機械系統(tǒng)的失效形式，從系統(tǒng)工程學的觀點出發(fā)，運用摩擦學知識和理論，該系統(tǒng)可看作一個復雜的摩擦學系統(tǒng)。它具有顯著的時變性和系統(tǒng)依賴性。這就為系統(tǒng)提供了監(jiān)測的可行性，而且從監(jiān)測的角度獲得參數(shù)隨時間變化的特征比獲得參數(shù)即時絕對值顯得更為重要。

3.可監(jiān)測性設(shè)計的研究內(nèi)容

可監(jiān)測性設(shè)計是對系統(tǒng)的設(shè)計而非單一部件的設(shè)計，所以可監(jiān)測性設(shè)計可以理解為是在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件和部件的綜合設(shè)計過程中，綜合考慮系統(tǒng)運行過程和各種監(jiān)測技術(shù)手段方法基礎(chǔ)上，并完成系統(tǒng)監(jiān)測的可觀性、可達性而進行的內(nèi)部監(jiān)測和外部監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計安裝，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的全壽命周期的設(shè)計過程。

第一，可監(jiān)測性設(shè)計相關(guān)術(shù)語研究。該部分主要是結(jié)合CMFD技術(shù)、PHM技術(shù)、機械現(xiàn)代設(shè)計理論、機械故障機理、機械失效理論等，采用科學調(diào)研、工程化項目總結(jié)提煉、領(lǐng)域?qū)＜已杏懙仁侄?，系統(tǒng)研究機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與現(xiàn)代設(shè)計基礎(chǔ)理論知識，借鑒機械系統(tǒng)可靠性設(shè)計、維修性設(shè)計等理論體系的經(jīng)驗，構(gòu)建可監(jiān)測性設(shè)計體系的基本術(shù)語的組成、標準定義、內(nèi)涵及外延等內(nèi)容。

第二，可監(jiān)測性分配方法研究。測點的選取是可監(jiān)測性設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響可監(jiān)測性設(shè)計實施的效果?？杀O(jiān)測性分配方法即系統(tǒng)監(jiān)測點優(yōu)化布置方法研究。主要是借鑒可靠性、維修性分配方法理論，以機械系統(tǒng)高可靠性、高安全性和智能化為目標，以獲取反映機械系統(tǒng)運行狀態(tài)的準確可靠數(shù)據(jù)為準則。研究基于層次分析理論、FMECA 分析、故障樹分析理論及最優(yōu)化理論等的機械系統(tǒng)監(jiān)測點優(yōu)化布置方法，構(gòu)建監(jiān)測點選取策略和基本選取原則，并制定傳感器選取的原則和策略，形成機械系統(tǒng)可監(jiān)測性優(yōu)化分配方法體系。

第三，可監(jiān)測性設(shè)計方法研究。該內(nèi)容主要是在深入調(diào)研了解機械系統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性設(shè)計方法、可維修性設(shè)計方法、保障性設(shè)計方法等制定可監(jiān)測性設(shè)計的設(shè)計準則、可監(jiān)測性設(shè)計的實施細則，運用并行工程思想和全生命周期設(shè)計理論綜合考慮效益原則、安全性原則、可靠性原則、危險性原則建立可監(jiān)測性設(shè)計綜合優(yōu)化方法體系，開展可監(jiān)測性設(shè)計的工程化實施方法指導。

第四，可監(jiān)測性設(shè)計評價研究。實施科學評價是可監(jiān)測性設(shè)計實施的關(guān)鍵，它貫穿于可監(jiān)測性設(shè)計的整個過程，包括設(shè)計階段的評價、生產(chǎn)階段的評價和使用階段的評價等。該部分主要是結(jié)合當前系統(tǒng)評價理論和方法，收集相關(guān)數(shù)據(jù)建立基于各特征參數(shù)不完全信息情況下的機械系統(tǒng)可監(jiān)測性設(shè)計的評價參數(shù)體系，進而構(gòu)建系統(tǒng)可監(jiān)測性設(shè)計各階段的評價模型，形成可監(jiān)測性設(shè)計各階段的評價體系和評價方法。

4.開展可監(jiān)測性設(shè)計的意義

可監(jiān)測性設(shè)計作為產(chǎn)品性能設(shè)計的重要組成部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測故障診斷的重要的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該理念的應(yīng)用和實施是實現(xiàn)機械系統(tǒng)視情維修決策的基礎(chǔ)，可大大提高機械系統(tǒng)的故障預(yù)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(chǔ)；可監(jiān)測性設(shè)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(shù)、降低維修成本、節(jié)省保障費用開支有重要意義。該理念的應(yīng)用實施與系統(tǒng)設(shè)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(guān)，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(guān)鍵技術(shù)。

在產(chǎn)品設(shè)計之初就開展可監(jiān)測性設(shè)計工作，充分考慮機械系統(tǒng)的可監(jiān)測性，使系統(tǒng)具備良好的可監(jiān)測性。這種系統(tǒng)將具備良好的性能監(jiān)控、故障監(jiān)測診斷與預(yù)測和故障定位能力，大大減少故障診斷與定位的時間，降低對維修保障人員的技能要求，提高完成任務(wù)的可靠性，加強機械系統(tǒng)的使用效能，降低機械系統(tǒng)全壽命周期的維修保障費用。