可監(jiān)測性設(shè)計在機械產(chǎn)品中的應用研究

張月雷 嚴新平 袁成清 白秀琴

1．武漢理工大學，武漢，430063 2．中國人民解放軍94270部隊，濟南，255017 3．船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢，430063

0 引言

伴隨科學技術(shù)的快速發(fā)展，機械系統(tǒng)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)［1］。為適應市場和機械系統(tǒng)自身的需要，在機械的設(shè)計與使用中，如何有效地預防、控制和排除各種故障，發(fā)揮機械的最大功效，保持設(shè)備最高可靠性和安全性，從而提高機械系統(tǒng)的智能化水平已成為人們研究的重要課題。開展機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究和應用，實時掌握機械系統(tǒng)運行狀態(tài)并提前預測系統(tǒng)故障和發(fā)展趨勢，完成機械設(shè)備以可靠性為中心的維修已成為發(fā)展的必然趨勢。

可監(jiān)測性是機械設(shè)備設(shè)計的一種屬性。在設(shè)定的監(jiān)測診斷技術(shù)水平下，系統(tǒng)的可監(jiān)測性水平是在設(shè)計階段決定的［2］。國內(nèi)外對機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進行了廣泛的研究，現(xiàn)已形成以性能參數(shù)監(jiān)測、油液分析監(jiān)測、振動監(jiān)測等為主的狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)體系［3］。機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)逐步從研究階段走向?qū)嵱没A段，各種在線監(jiān)測傳感器和在線監(jiān)測系統(tǒng)不斷問世。然而，目前國內(nèi)外大量機械設(shè)備制造廠往往在設(shè)計之初未考慮系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題，致使系統(tǒng)的可監(jiān)測性比較差。如在一些大型艦船上，許多重要的設(shè)備需要進行監(jiān)測，可使用的監(jiān)測技術(shù)手段也有很多，但由于在設(shè)計建造時忽略了設(shè)備的監(jiān)測診斷工作所需要的必備條件，從而導致了對許多需要重點監(jiān)測的設(shè)備無法進行有效監(jiān)測或監(jiān)測得不夠準確［4］。很多大型機械設(shè)備即使設(shè)計安裝了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，但大多數(shù)都是在系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)交付使用后安裝的，產(chǎn)品設(shè)計和狀態(tài)監(jiān)測一直走在平行的兩股道上。近年來，國內(nèi)外部分學者對可監(jiān)測性問題進行了一些研究，指出系統(tǒng)的可監(jiān)測性是系統(tǒng)本身所具備的檢測和隔離故障的能力［5－6］。這些研究多集中在機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方面，未對機械系統(tǒng)可監(jiān)測性問題進行系統(tǒng)分析，也未見從機械系統(tǒng)運行狀態(tài)和性能角度進行可監(jiān)測性方面研究的報道。將狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計相結(jié)合，在產(chǎn)品設(shè)計之初就充分考慮系統(tǒng)可監(jiān)測性問題，開展可監(jiān)測性設(shè)計的研究應用已成為當務之急。

1 可監(jiān)測性設(shè)計應用的意義

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)測故障診斷的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7］。該理念的應用和實施是實現(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。應該說，該理念的應用實施與系統(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)，其具體意義如圖1所示。

2 可監(jiān)測性設(shè)計的應用過程

可監(jiān)測性設(shè)計的工程化實施涉及眾多人員和部門，主要涉及用戶、設(shè)備生產(chǎn)廠家、技術(shù)市場、設(shè)計部門和制造部門等多個對象和部門。各個部門之間都是相互影響、相互制約的，每個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響設(shè)計的進程及可監(jiān)測性設(shè)計應用的效果。在可監(jiān)測性設(shè)計過程中，各部門之間信息的傳遞相當復雜，呈現(xiàn)出一個復雜的信息傳遞鏈。其信息流在各部門之間的傳遞簡化圖如圖2所示，實際信息流的傳遞比該圖復雜得多。

圖1 可監(jiān)測性設(shè)計理論應用潛在的意義

圖2 可監(jiān)測性設(shè)計信息流

2．1 基于全生命周期的可監(jiān)測性設(shè)計

可監(jiān)測性作為機械產(chǎn)品的一種屬性貫穿于產(chǎn)品論證、設(shè)計、生產(chǎn)、制造、使用、維護以及報廢的整個生命周期中［7］?；谌芷诘目杀O(jiān)測性設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其設(shè)計過程是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、線路設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計，也涉及現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等學科，是多學科融合的綜合性理論。

2．2 設(shè)計應用實例

本文以內(nèi)燃機模擬試驗系統(tǒng)的設(shè)計為例來探討可監(jiān)測性設(shè)計的實施。該系統(tǒng)中的試驗機在設(shè)計制造過程中按照基于全生命周期的可監(jiān)測性設(shè)計系統(tǒng)框架進行。用戶在充分收集類似機械相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上首先提出初步可監(jiān)測性要求。在設(shè)計驗證定型生產(chǎn)制造階段充分考慮可監(jiān)測性問題，完成測點優(yōu)化布置和圖紙的設(shè)計，最后完成產(chǎn)品的制造并交付使用。其中監(jiān)測點的選取直接影響系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的水平［8］。這樣，在論證階段中，系統(tǒng)的故障機理研究和產(chǎn)品研制階段中系統(tǒng)的測點優(yōu)化布置成為可監(jiān)測性設(shè)計實施過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定可監(jiān)測性設(shè)計的優(yōu)劣和影響系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的水平。

圖3 基于全生命周期的可監(jiān)測性設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．2．1 產(chǎn)品設(shè)計論證階段

產(chǎn)品設(shè)計論證階段主要根據(jù)機械系統(tǒng)的任務、性能和其他要求確定系統(tǒng)初步總體監(jiān)測要求；根據(jù)類似系統(tǒng)故障情況及當前監(jiān)測技術(shù)中軟硬件現(xiàn)狀和技術(shù)應用市場的情況，初步確定該系統(tǒng)采用的監(jiān)測技術(shù)方式和手段。該試驗機的主要目的是用來模擬內(nèi)燃機主要部件的摩擦磨損和運行性能狀況，為內(nèi)燃機的設(shè)計改進提供數(shù)據(jù)支持，也為內(nèi)燃機主要部件的可監(jiān)測性設(shè)計提供經(jīng)驗借鑒。基于上述原因，該試驗機的可監(jiān)測性設(shè)計目標初步定位為A級（即監(jiān)測級別定位為A級），并且盡可能進行全面的監(jiān)測，以獲取更加準確可靠的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。收集以往數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，該類型機械系統(tǒng)出現(xiàn)的故障和失效的原因主要表現(xiàn)為摩擦和磨損。系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)表現(xiàn)出磨損、振動以及溫度發(fā)生變化等方面的現(xiàn)象，各監(jiān)測參數(shù)變量維持在一個特定的界限內(nèi)或波動范圍內(nèi)。當系統(tǒng)處于非正常工作狀態(tài)時，各監(jiān)測參數(shù)變量表現(xiàn)出超出界限或出現(xiàn)大的波動，且系統(tǒng)性能出現(xiàn)明顯的劣化衰退過程。當系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)損傷時會引起零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，當損傷發(fā)展到使零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)超出允許值時，機械就會出現(xiàn)潛在故障。從潛在故障發(fā)展到功能故障（功能失效）一般具有較長的一段時間。該內(nèi)燃機模擬試驗系統(tǒng)發(fā)生摩擦、磨損、腐蝕、疲勞、老化等現(xiàn)象都與時間關(guān)系密切，即該類型機械的損傷是逐步產(chǎn)生的，零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變也是緩慢進行的，機械的性能參數(shù)也是逐漸惡化的?？梢姡撓到y(tǒng)故障具有明顯的潛在性和漸發(fā)性特點。這樣，我們就可以通過各種監(jiān)測技術(shù)手段實現(xiàn)系統(tǒng)故障的預防，從系統(tǒng)異?，F(xiàn)象入手，可以判斷出設(shè)備的部分或整體的健康水平。在充分分析現(xiàn)有機械設(shè)備成熟監(jiān)測技術(shù)手段和監(jiān)測設(shè)備硬件現(xiàn)狀前提下，對該試驗機選取性能參數(shù)監(jiān)測、振動監(jiān)測、瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測和油液監(jiān)測等四種監(jiān)測類別來進行系統(tǒng)的監(jiān)測。

2．2．2 產(chǎn)品設(shè)計研制階段

產(chǎn)品設(shè)計研制階段主要根據(jù)試驗機運行特點和常見故障來確立系統(tǒng)監(jiān)測的重要部件及采用的監(jiān)測方式，確立最佳監(jiān)測點優(yōu)化方案并在條件允許的情況下完成各種監(jiān)測設(shè)備的試驗和軟硬件平臺的搭建及調(diào)試工作。在完成上述工作的情況下，根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的尺寸，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中完成結(jié)構(gòu)設(shè)計、線路設(shè)計、接口設(shè)計等工作以及備用監(jiān)測點所需的設(shè)計工作，最終完成系統(tǒng)的總體設(shè)計工作和圖紙設(shè)計工作。

根據(jù)技術(shù)和性能要求，該試驗機概念結(jié)構(gòu)設(shè)計圖見圖4（其中圖4b為圖4a中的氣缸蓋12的放大圖）。試驗機主要由主驅(qū)動系統(tǒng)、內(nèi)燃機模擬系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)等部分組成［9］。缸套、活塞環(huán)、曲軸、軸承等作為內(nèi)燃機的核心部件，長期在高溫高壓下工作，工況惡劣。氣缸15、活塞環(huán)16、活塞17、曲軸18以及氣缸蓋12上的高壓氣體的進氣口32、排氣口30組成了主驅(qū)動機構(gòu)，其動力源是高壓空氣。該主驅(qū)動機構(gòu)是利用高壓空氣模擬氣缸內(nèi)空氣燃燒時產(chǎn)生的爆炸壓力及壓力變化而實現(xiàn)驅(qū)動的。在氣缸15的上方裝有加熱電阻絲11，用于對氣缸15內(nèi)壁的上半部分空間中的氣體進行加熱，模擬缸內(nèi)的高溫環(huán)境。當氣缸15中的活塞16運動到缸體頂端時，高壓氣體進氣口32打開并進行短暫的充氣，然后控制進氣的電磁閥關(guān)閉，活塞向下移動；當活塞運行至最下端準備返回氣缸頂部時，氣體排氣口30打開，氣體排出氣缸；當活塞運轉(zhuǎn)至頂端位置，氣體排氣口30關(guān)閉，高壓氣體進氣口32打開，活塞進行下一個往復運動?？梢姼滋祝钊h(huán)副在高壓推動下做往復運動，發(fā)動機曲軸在徑向和軸向作用力下運動。運動中，缸套、活塞環(huán)采用飛濺潤滑，軸滑動軸承采用流體動壓潤滑。通過上述分析可知，試驗機主要監(jiān)測部件應為缸套、活塞環(huán)、曲軸、軸承等。在不影響系統(tǒng)正常運行工作的情況下，以系統(tǒng)最高可靠性為原則，系統(tǒng)的監(jiān)測點布置如圖5所示。在保障系統(tǒng)性能的情況下，根據(jù)油液監(jiān)測傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等的大小完成系統(tǒng)的總體設(shè)計。在圖紙設(shè)計過程中，通過考慮傳感器最佳安裝位置來完成監(jiān)測設(shè)備在系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、線路孔設(shè)計等工作，最終完成系統(tǒng)總體設(shè)計圖。

圖4 內(nèi)燃機模擬試驗機概念結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 主要監(jiān)測點設(shè)置圖

2．2．3 產(chǎn)品生產(chǎn)階段

產(chǎn)品生產(chǎn)階段是可監(jiān)測性設(shè)計的實施落實階段，主要工作是根據(jù)各項技術(shù)要求并按照圖紙完成產(chǎn)品的設(shè)計制造。在系統(tǒng)組裝過程中完成各種傳感器的安裝調(diào)試和布線工作，并完成外部數(shù)據(jù)采集顯示分析系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)布線、網(wǎng)絡(luò)配置、外部硬件平臺搭建及軟件平臺調(diào)試工作。在設(shè)計之初充分考慮系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題，開展可監(jiān)測性設(shè)計應用后交付使用的試驗機成品如圖6所示。

3 可監(jiān)測性設(shè)計的應用效果

實踐證明，在產(chǎn)品設(shè)計之初就充分考慮系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題來進行產(chǎn)品全生命周期的可監(jiān)測性設(shè)計，可實時準確地獲取系統(tǒng)運行中反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的參數(shù)。通過對獲取的這些監(jiān)測參數(shù)的分析，可對整個設(shè)備和重點部件或部位所處的狀態(tài)進行判斷，從而保障設(shè)備的有效可靠運行。經(jīng)過內(nèi)燃機試驗機一年多的使用，可監(jiān)測性設(shè)計的效果主要表現(xiàn)在以下兩方面：

圖6 內(nèi)燃機模擬試驗機

（1）可監(jiān)測性設(shè)計的實施使設(shè)備的可監(jiān)測性水平得到了顯著提高?？杀O(jiān)測性設(shè)計的實施有效增強了試驗機系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的能力，避免了以往類似試驗機某些部位需要進行監(jiān)測而在產(chǎn)品設(shè)計之初未考慮的弊端。該試驗機在設(shè)計之初充分考慮了系統(tǒng)的可監(jiān)測性問題，與以往試驗機相比，增設(shè)了在線水分傳感器、黏度傳感器、在線油液傳感器、在線顆粒傳感器、在線鐵譜可視傳感器和瞬時轉(zhuǎn)速傳感器，并且還設(shè)計了潤滑油液采樣口，使系統(tǒng)的可監(jiān)測性水平得到了顯著提高。可監(jiān)測性設(shè)計的實施確保了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測綜合分析的需要，有效降低了系統(tǒng)故障識別的虛警率，使系統(tǒng)狀態(tài)判斷和故障診斷能力顯著提高。

（2）可監(jiān)測性設(shè)計的實施使獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準確和可靠。由于進行了可監(jiān)測性設(shè)計，各種傳感器均安裝在最佳位置，使系統(tǒng)能更加準確及時地獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)地有效監(jiān)測。數(shù)據(jù)獲取不可靠和故障信息延遲的弊端被有效避免，保障了系統(tǒng)故障預測和診斷的準確性和時間充裕性。

4 結(jié)束語

可監(jiān)測性設(shè)計作為機械設(shè)計的重要組成部分，應該加強和推廣。本文是對可監(jiān)測性設(shè)計理念實施的一次嘗試，通過嘗試表明可監(jiān)測性設(shè)計的應用可以大大提高系統(tǒng)的可監(jiān)測性水平，同時提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)故障預測能力，在具體工程化應用實施中還有很多因素需要考慮：

（1）可監(jiān)測性設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，貫穿于系統(tǒng)整個生命周期中。在對機械系統(tǒng)開展可監(jiān)測性設(shè)計時除了考慮可靠性、可監(jiān)測性、維修性等因素外，還要充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性、機械產(chǎn)品的外觀設(shè)計、監(jiān)測設(shè)備的體積及尺寸大小等因素。

（2）監(jiān)測點的選取是可監(jiān)測性設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其選取的好壞直接影響系統(tǒng)監(jiān)測的準確性和可靠性，決定可監(jiān)測性設(shè)計實施的水平。

（3）可監(jiān)測性設(shè)計應納入產(chǎn)品的設(shè)計過程中，提升到與產(chǎn)品可靠性、維修性設(shè)計同等重要的位置。

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