高等院校大型實驗設備狀態(tài)維修探討

蘇文霞，白 琳，夏春燕

（1.鄭州大學信息工程學院，河南鄭州 450001；2.南京工業(yè)大學總務處，江蘇南京 210003）

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

1 傳統(tǒng)維修方法及其局限性

長期以來，大型實驗儀器設備普遍采用傳統(tǒng)的周期計劃維修即定期維修方法。此方法是基于設備的固有磨損規(guī)律，應用故障概率統(tǒng)計方法，在有計劃的情況下主動進行的。與設備發(fā)生故障后才被動進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，保證儀器設備的正常運行。但是，這種方法也有其局限性。

（1）定期維修以“預防為主”，不管設備是否存在故障，一律執(zhí)行維修計劃。這雖然起到了預防作用，但缺乏針對性，不能對癥下藥，具有盲目維修的成分，從而造成了機物料的浪費。

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

（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)受到破壞而導致故障概率增加，甚至造成設備的損壞。

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

（5）在定期維修間隔期內(nèi)設備可能出現(xiàn)故障，影響實驗教學與科學研究的正常進行。

傳統(tǒng)維修方法的缺點使得其已經(jīng)不能適用于大型實驗設備，必須采用更為先進的設備維修策略。

2 CBM 技術(shù)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，以計算機技術(shù)為基礎的設備狀態(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)取得了很大進步，出現(xiàn)了以設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)為基礎的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）和預測維修技術(shù)（PM）。RCM 是在對元件的可能故障對整個系統(tǒng)可靠性影響評估的基礎上決定維修計劃的一種維修策略。20世紀60年代末，由于寬體客機的投運使得航空系統(tǒng)變得十分復雜，傳統(tǒng)的定期大修方法在經(jīng)濟上變得不可接受。以可靠性為中心的維修技術(shù)根據(jù)元件故障后果的嚴重程度確定維修計劃，提高了航空系統(tǒng)的可靠性，同時具有較好的經(jīng)濟性，目前已被世界上幾乎所有航空公司所采用。20世紀80年代，美國EPRI（Electric Power Research Institute）將該技術(shù)應用于核電站的維修，后來又應用于火電廠和變電站，取得了提高可靠性和降低維修費用的目的［7］。預測維修技術(shù)是對潛伏故障進行在線或離線測量，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)鍵是依靠先進的故障診斷技術(shù)對潛伏故障進行分類和嚴重性分析，以決定設備（部件）是否需要立即退出運行和應及時采取的措施。目前，CBM 技術(shù)因其消耗少、能夠提高設備運轉(zhuǎn)率等優(yōu)點，已在電力、紡織、醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛的應用，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益［10－13］。

3 大型實驗設備采用CBM 技術(shù)的具體過程

3.1 建立實驗設備CBM 管理體系

建立實驗設備維修管理體系是CBM 方法的前提，以CBM 管理體系為基礎，才能快速而有效地實現(xiàn)實驗設備的管理與維修。實驗設備CBM 管理體系如圖1所示。

3.2 選擇狀態(tài)檢測點及特征量

圖1 實驗設備CBM 管理體系

檢測點的位置將影響檢測數(shù)據(jù)的真實性，因此檢測點的選定非常關(guān)鍵。一般選擇下列位置作為檢測點:離設備核心部位最近的關(guān)鍵點；容易產(chǎn)生劣化現(xiàn)象的易損點；機器振動的敏感點；機座、軸承座等剛性支承點。選擇檢測點時還要考慮環(huán)境因素，應避開大的振動源、高溫、高濕點及出風口。檢測點的數(shù)量應能反映設備的主要運行狀態(tài)，大型設備必須在前、后、上、下、左、右、中等部位設置檢測點。檢測點選定后，應記錄在圖紙上存檔，以備查閱核對。

隨著科學技術(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)展為用科學儀器對設備狀態(tài)進行檢測，設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備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，獲得最佳的經(jīng)濟效益。特征量應根據(jù)具體設備而選取，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 制定實驗設備狀態(tài)標準

實驗設備狀態(tài)檢測工作是對照設備狀態(tài)標準開展的，標準是判斷設備是否正常以及故障程度如何的重要依據(jù)，標準的合理性和準確性決定了狀態(tài)檢測工作的成效。因此設備狀態(tài)標準的制定是CBM 的重要環(huán)節(jié)。制定標準的一般方法和步驟是:根據(jù)設備說明書和其他單位的實踐經(jīng)驗，對正常情況下的實驗設備進行至少20次以上的反復測試，由所得的大量實測數(shù)據(jù)求取平均值，然后再進行整理分析，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倍為危險值。如果所測值在正常值左右說明設備處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)；在注意值附近說明設備運轉(zhuǎn)有些問題，此時要加強監(jiān)測和檢查；在危險值附近說明設備必須進行檢修。

3.4 確定檢測周期

實驗設備的維修管理是安全性和經(jīng)濟性的統(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，但也會浪費大量的人力和物力。因此檢測周期的制定必須同時考慮安全性和經(jīng)濟性要求。一般根據(jù)設備壽命曲線制定檢驗周期:新安裝及大修后的設備檢測周期為7天，正常運行的設備檢測周期為15天，對于使用年限久、狀態(tài)不穩(wěn)定的設備檢測周期為7天。

3.5 狀態(tài)檢測

實驗設備的狀態(tài)檢測是根據(jù)設備診斷的目的，選用適當?shù)姆椒ê脱b置測量和檢查設備的狀態(tài)信息，并對這些信息進行處理，抑制各種干擾信息，提取能反映設備狀態(tài)的特征量數(shù)據(jù)，對設備狀態(tài)進行評估。狀態(tài)檢測需要考慮可靠性和經(jīng)濟性。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備的狀態(tài)；而采用先進的科學儀器則可以快速而準確地進行數(shù)據(jù)采集，但經(jīng)濟性較差。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)果不夠準確；計算機數(shù)據(jù)處理速度快、精度高，但需要初期投資較大。

狀態(tài)評估是將數(shù)據(jù)處理結(jié)果與對應的狀態(tài)標準相對比，確定實驗設備當前的健康狀態(tài)。如果設備處于正常狀態(tài)，則繼續(xù)按照當前的周期執(zhí)行檢測；如果異常，則需要通過分析設備運行情況，預測可能出現(xiàn)的后果，從而及早做出預防維修計劃。

3.6 狀態(tài)預測

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

3.7 維修決策

狀態(tài)維修是根據(jù)設備的狀態(tài)進行的，根據(jù)狀態(tài)預測結(jié)果，可以判斷出是否維修和決定維修方式。如果設備異常狀態(tài)不是特別嚴重，可以縮短檢測周期，加強對設備的檢測。如果當前狀態(tài)較為嚴重，必須根據(jù)情況制定相應的維修方案并對設備進行預防維修，保證設備的正常運行。

4 大型實驗設備采用CBM 技術(shù)的效益

大型實驗設備采用CBM 技術(shù)可以較大幅度地降低維修費用，縮短維修時間或者避免過度維修，可以取得很好的經(jīng)濟效益。據(jù)調(diào)查，采用CBM 技術(shù)可以使設備故障次數(shù)減少60%～80%，每次維修所用工時和用料平均減少30%左右。設傳統(tǒng)維修方式下所有大型設備年故障次數(shù)為100 次，平均每次維修費用為1000元，則維修費用總和為10萬元。采用CBM 技術(shù)后，可使故障次數(shù)減少到20～40次，平均每次維修費用減少到700元，總維修費用為1.4～2.8萬元，可節(jié)約維修經(jīng)費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)，避免設備事故，保障了教學和科研工作的正常進行，因此也有較好的社會效益。

5 結(jié)束語

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

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