基于費用－使用可用度的機械設(shè)備維修保障方案*

孫志毅

(煙臺金元礦業(yè)機械有限公司，山東煙臺 264670)

0 引言

對于從事作業(yè)生產(chǎn)的企業(yè)而言，機械設(shè)備的可用性是企業(yè)創(chuàng)造利潤的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而在生產(chǎn)過程中，隨著部件或組件耗損期的到來，機械設(shè)備會不可避免的發(fā)生故障。這些故障的發(fā)生對生產(chǎn)過程的正常運行，對生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本等都會產(chǎn)生很大的影響，嚴重的還可能導(dǎo)致設(shè)備停工停產(chǎn)，甚至造成安全性事故［1］。由于良好的機械設(shè)備維護修理方案能夠明顯的減緩設(shè)備的磨損速度，出現(xiàn)故障也會及時修復(fù)故障，因此需要使用機械設(shè)備的企業(yè)制定一套系統(tǒng)科學(xué)的機械設(shè)備維修保障方案。

當前，機械設(shè)備維修保障方案的制定往往由企業(yè)自行制定，這些方案的制定一般是由設(shè)備廠家推薦，企業(yè)再根據(jù)自身的生產(chǎn)周期動態(tài)調(diào)整。這樣的維修保障方案缺乏科學(xué)依據(jù)，具有很大的主觀性，往往出現(xiàn)應(yīng)該大修的機械設(shè)備，由于要服從企業(yè)生產(chǎn)計劃，錯過了最佳大修期，從而導(dǎo)致設(shè)備的嚴重損壞，甚至?xí)斐芍卮蟀踩鹿?。另一方面，當機械設(shè)備的某一部件出現(xiàn)故障時，是直接將故障件報廢更新還是修理;如果修理是自行修理還是放到三級、二級甚至一級維修點修復(fù)。不同的修理決策，會產(chǎn)生不同的設(shè)備停機時間和不同的修復(fù)費用，如何在這兩者之間進行決策最為合理是許多使用機械設(shè)備的企業(yè)經(jīng)常要面臨的問題［2］。

針對當前面臨問題，筆者運用以可靠性為中心的維修分析方法和修理級別分析，研究了機械設(shè)備維修保障方案的制定方法和過程，以使企業(yè)能夠以最少的維修成本，保證機械設(shè)備的最大使用可用度，從而為企業(yè)的利潤最大化提供有效保障。

1 方案制定原則

作為企業(yè)而言，如何以最小的生產(chǎn)成本獲得最大的企業(yè)利潤是其生存與發(fā)展的關(guān)鍵。維修保障費用作為一類特殊的生產(chǎn)成本，往往會被忽視。然而大量的生產(chǎn)實踐證明，機械設(shè)備的維修保障費用往往是其購置費用的2～5倍，這便是保障領(lǐng)域所說的“冰山效應(yīng)”［2］，見圖1。不同的維修保障方案會產(chǎn)生不同的維修保障費用，因此費用是機械設(shè)備維修保障方案制定時需要重點考慮的一個參數(shù)。圖2給出了機械設(shè)備在維修保障過程中可能產(chǎn)生的費用結(jié)構(gòu)分解。

企業(yè)進行生產(chǎn)制造時，其訂單的簽定往往不是計劃好的，而是具有一定的隨機性，而且一旦簽定就要滿足訂單的時效性，即在規(guī)定的時間期限內(nèi)完成任務(wù)。為了滿足這種生產(chǎn)模式，需要機械設(shè)備具有較高的可用性，即機械設(shè)備在任一隨時時刻表需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度要高。使用可用度AO是與能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)，定義見式(1)，在工程實踐中常常做為評價設(shè)備可用性的重要參數(shù)，這里將使用可用度作為機械設(shè)備可用性的主要效能參數(shù)。

綜上，可確定出制定機械設(shè)備維修保障方案時的原則為“費用—使用可用度”原則，即使企業(yè)能夠花費最少的維修保障成本，來確保機械設(shè)備具有最大的使用可用度，以便能夠盡最大可能的創(chuàng)造效益。

圖1 機械設(shè)備壽命周期費用的“冰山效應(yīng)”

圖2 機械設(shè)備維修保障費用結(jié)構(gòu)分解圖

2 方案內(nèi)容與制定方法

機械設(shè)備維修保障方案主要規(guī)定了與維修保障有關(guān)的內(nèi)容，主要分為預(yù)防性維修(計劃維修)保障方案和修復(fù)性維修(非計劃維修)保障方案兩大部分。下面分別對其介紹。

2．1 機械設(shè)備預(yù)防性維修保障方案

預(yù)防性維修又稱為計劃維修，是一種為了保證裝備的任務(wù)性、安全性和經(jīng)濟性而進行的對重要功能產(chǎn)品的預(yù)防性維修。為了提高機械設(shè)備的使用可用度，加強裝備維修的計劃性，對于某些產(chǎn)品必須進行有針對性的預(yù)防性維修，以保證裝備在任務(wù)性、安全性和經(jīng)濟性三個方面取得滿意的效果。裝備的預(yù)防性維修保障方案主要包括四個方面的內(nèi)容:①需要進行預(yù)防性維修的產(chǎn)品;②預(yù)防性維修的工作類型;③預(yù)防性維修間隔期;④預(yù)防性維修級別的確定。

根據(jù)以上介紹的預(yù)防性維修保障方案內(nèi)容，參考以可靠性為中心的維修分析方法(RCMA)，現(xiàn)對機械設(shè)備的預(yù)防性維修保障方案建立流程設(shè)計如下。

(1)重要功能產(chǎn)品的確定 對于組成機械的總成、組合件、合件、零件而言，只需要對可能影響安全性、任務(wù)性和經(jīng)濟性的重要功能產(chǎn)品進行預(yù)防性維修，其它部件可在發(fā)生故障后再處理。確定重要功能產(chǎn)品的方法是進行功能分析，即首先將功能系統(tǒng)分解為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、總成、組合件、合件、零件［3］，如圖3所示，然后沿自上而下的順序考慮產(chǎn)品故障的后果，確定出重要功能產(chǎn)品。

圖3 系統(tǒng)功能分解圖

(2)故障模式、影響和原因分析(FMEA) 預(yù)防性維修工作表面上是對重要功能產(chǎn)品的預(yù)防，實質(zhì)上是對重要功能產(chǎn)品故障模式的預(yù)防，因此接下來要對每個重要功能產(chǎn)品進行FMEA，確定出所有的功能故障、故障模式、故障影響和原因。FMEA有兩種基本方法:硬件法和功能法。可根據(jù)裝備的復(fù)雜程度選擇對應(yīng)的分析方法，也可綜合使用。

硬件法根據(jù)產(chǎn)品的功能對每個故障模式進行評價，用表格列出各個產(chǎn)品，并對可能發(fā)生的故障模式及其影響進行分析。各產(chǎn)品的故障影響與分系統(tǒng)及系統(tǒng)功能有關(guān)。當產(chǎn)品可明確確定硬件構(gòu)成時，一般采用硬件法。硬件法的優(yōu)點是較為嚴格。

功能法認為每個產(chǎn)品可以完成若干功能，而功能可按輸出分類。使用該方法時，將輸出一一列出，并對它們的故障模式進行分析。當產(chǎn)品的硬件構(gòu)成不明確時，一般采用功能法。該方法的優(yōu)點是比硬件法簡單，但可能忽略某些故障模式。

(3)選擇預(yù)防性維修工作類型 確定預(yù)防性維修工作類型是預(yù)防性維修保障方案的核心內(nèi)容。預(yù)防性維修工作類型就是采取何種預(yù)防性維修方法的統(tǒng)稱，是指利用一種或多種維修作業(yè)，發(fā)現(xiàn)或排除某一潛在故障，防止功能故障的發(fā)生。目前預(yù)防性維修工作類型有七種:保養(yǎng)、操作人員監(jiān)控、定期檢查、小修、項修、大修以及它們的綜合工作［4］。

確定預(yù)防性維修工作類型的過程可用邏輯決斷圖(見圖4)的形式表達出來，應(yīng)用邏輯決斷分析可以確定出各重要功能產(chǎn)品應(yīng)做的預(yù)防性維修工作，并以適用性和有效性準則來加以判定。

圖4 機械設(shè)備預(yù)防性維修工作選擇邏輯決斷圖

(4)確定預(yù)防性維修間隔期 保養(yǎng)間隔期的確定，目前還沒有成熟的理論公式，因此項目中主要將根據(jù)類似產(chǎn)品以往經(jīng)驗和研制方建議，結(jié)合經(jīng)驗豐富的工程人員的判斷確定。

操作人員監(jiān)控屬于工作人員的正常職責(zé)，無需確定其間隔期。

機電類產(chǎn)品服從指數(shù)分布，定期檢查間隔期:

式中:ˉA為指定的產(chǎn)品平均可用度;λ為電子產(chǎn)品的故障率;Tc為所求的定期檢查間隔期。

對于具有明顯耗損期的部件，只要掌握產(chǎn)品進行耗損期前的平均工作時間，就可以按一定的可接受的發(fā)生故障概率來確定大修、項修和小修的間隔期。工程實踐中，確定這三種工作的間隔期常采用工齡定時更換策略。機械設(shè)備中的最常見故障原因是磨損，而磨損可用威布爾分布描述，此時大修、項修和小修的間隔期的確定公式為:

式中:R為產(chǎn)品的任務(wù)可靠度;e為常數(shù);m和η分別為威布爾分布的形狀參數(shù)和真尺度參數(shù)。

(5)提出預(yù)防性維修級別的建議 現(xiàn)行維修級別一般分為企業(yè)自修、三級維修點和二級維修點和一級維修點。保養(yǎng)、操作人員監(jiān)控由企業(yè)自修承擔(dān)，定時檢查和小修由三級維修點承擔(dān)，項修和大修分別由二級和一級維修點承擔(dān)。

(6)形成裝備預(yù)防性維修保障方案匯總表 經(jīng)過上述工作，可形成機械設(shè)備的預(yù)防性維修保障方案，匯總的結(jié)果樣表見表1。

表1 機械設(shè)備預(yù)防性維修保障方案匯總樣表

2．2 機械設(shè)備修復(fù)性維修保障方案

修復(fù)性維修又稱為非計劃維修，主要解決機械設(shè)備出現(xiàn)偶然故障如何修復(fù)的問題。為了使設(shè)備出現(xiàn)故障后能夠得到及時有效的修復(fù)，需要對故障件進行合理決策，以確定出故障件是修理恢復(fù)還是報廢換新，若修理恢復(fù)，應(yīng)在哪一修理級別上進行。

相對于預(yù)防性維修保障方案，機械設(shè)備修復(fù)性維修保障方案的制定要簡要的多。實際應(yīng)用中，機械設(shè)備的故障件一般換件更新［5］，而不進行故障件的修復(fù)工作。對于故障修理級別的決策，其步驟為:

(1)按照企業(yè)自修、三級維修點和二級維修點和一級維修點的順序決策，哪一級別能夠修理則在哪一級上維修［6］。

(2)除企業(yè)自修外，會根據(jù)維修點的遠近決策，即選擇離故障發(fā)生地較近的、且有能力維修的維修點維修。例如三級維修點和二級維修點都能維修，但二級維修點更近，則選擇二級維修點。

3 案例分析

某型橋式起重機是實現(xiàn)車船制造類企業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的機械設(shè)備，其用途是把工作空間中的物品從一個地點運送至另一個地點［4］。以該型設(shè)備的維修保障為例，分別采用了本文的方法和原有的維修保障方法進行了對比，通過統(tǒng)計實際工作中兩種方案產(chǎn)生的的維修保障費用和使用可用度，來比較方案之間的優(yōu)劣。按照本文思路所設(shè)計的維修保障方案見表2和表3(由于整表較大，這里只列出了部分;另外由于保密要求，對表中的數(shù)據(jù)進行了合理調(diào)整)，而原有的維修保障方案中，在每年的年末進行一次大修，而對于項修和小修則根據(jù)生產(chǎn)計劃動態(tài)安排。兩種方案的統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表2 某型橋式起重機預(yù)防性維修保障方案(部分)

表3 某型橋式起重機修復(fù)性維修保障方案(部分)

表4 某型橋式起重機維修保障方案的費用-使用可用度統(tǒng)計

通過表4中統(tǒng)計3年的使用情況，可發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的維修保障方案雖然在預(yù)防性維修費用方面要高于原有方案，但起重機的修復(fù)性維修費用要明顯低于原有方案，而且在使用可用度方面比原有方案提高了10%;對于任務(wù)性、安全性和經(jīng)濟性影響的統(tǒng)計可顯示本文的維修保障方案具有顯示的優(yōu)勢。綜合來看，利用本文的方法制定的起重機維修保障方案的費效比要明顯優(yōu)于原有方案。

4 結(jié)語

許多企業(yè)只對機械設(shè)備的生產(chǎn)過程重視，而對其維修保障不重視，認為維修保障工作是企業(yè)生產(chǎn)的累贅。然而大量實踐表明，有效的維修保障工作可以延長機械設(shè)備的使用壽命，減少故障、特別是重大隱患往下，從小端到大端的銑削路徑，在每一個斜面的加工中都要在兩側(cè)留出進刀與退刀的空間，直到最后一刀的加工在根部殘留下球頭銑刀的端部弧，加工出整個斜面。銑削過程中，加工中心采用2．5軸聯(lián)動，即在Z軸上不斷下落，下落的同時在Y軸上向外偏移，然后在X方向上直線加工，每次下落、移動的距離很小，保證了斜面加工的精度。

［1］ 吳新佳．數(shù)控加工工藝與編程［M］．北京:人民郵電出版社，2009．

［2］ 邵偉平．內(nèi)錐螺紋的數(shù)控銑削分析［J］．制造技術(shù)與機床，2009(1):24-25．

［3］ 付 晉，石 瑩．宏程序在數(shù)控銑削中的應(yīng)用［J］．煤礦機械，2009(9):128．

［4］ 姜善濤．數(shù)控加工技術(shù)［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2012．

［5］ 何 平．數(shù)控加工中心操作與編程實訓(xùn)教程［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2010．