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机械设备运行可靠性评估的发展

发表时间：2021/7/23 来源：《建筑科技》2020年12月上作者：卢伟

[导读] 机械设备运行可靠性评估工作是机械设备运行管理工作中的重要内容，本文分析目前机械设备可靠性评估的问题和改进方法，总结机械设备可靠性评估的发展状况，然后结合实例分析如何进行机械设备的可靠性评估。

南京高精齿轮集团有限公司卢伟江苏南京 210000

摘要：机械设备运行可靠性评估工作是机械设备运行管理工作中的重要内容，本文分析目前机械设备可靠性评估的问题和改进方法，总结机械设备可靠性评估的发展状况，然后结合实例分析如何进行机械设备的可靠性评估。
关键词：机械设备；运行可靠性；评估；发展
        引言：机械设备具有精密性和复杂性，是很多领域的重要设备之一。为了确保生产等活动的顺利进行，就需要评估机械设备运行的可靠性，并结合设备可靠性制定机械的运行策略以及开展相关维护工作。
        1机械设备可靠性评估问题和改进
        1.1机械设备可靠性评估问题
        1.1.1难以准确估计失效
        使用传统可靠性评估方法能分析设备失效时，比较依赖设备的失效分布参数求解设备失效概率，由于失效分布也是一种假设，所以即便拥有比较大的样本量，仍然很难估计失效分布[1]。在对某一台机械设备可靠性进行评估时，所拥有的样本数量相对比较少，导致失效参数的估计难度增加。
        1.1.2二值假设的局限性
        二值假设只假定设备处在正常和失效两种状态，但是设备的状态是渐进变化的，因此状态变化的随机性和模糊性都具有很强的不确定性，所以单纯使用二值假设并不能真正反映设备的实际状态，也难以表现设备失效的过程。
        1.1.3无法获得可靠性变化规律
机械设备的结构比较复杂，为了满足运行需要，各种零件之间还有着复杂的耦合作用，而且不同零件的失效分布也有所不同。依靠数学模型很难有效统计失效的分布规律，也难以对设备失效前的变化情况进行分析，所以难以开展预知维修工作。
        1.2 可靠性分析的解决方法
        1.2.1使用对概率依赖较低的方法
        目前已经有很多对概率依赖较少的方法可以改进可靠性分析，比如利用大数据样本分析能避免小样本数据所产生的影响，降低数据分析工作的难度，使评估工作具有更高的准确性[2]。
        1.2.2实时动态评估
传统方法不能确定设备的实时运行状态，所以评估工作具有明显的局限性，所以可以采用实时状态测量，充分利用机械设备运行中的实时信息展开动态分析工作，通过实时动态可靠性评估，分析设备的有效性，也能保证可靠性分析的效率。
        1.2.3使用动态信号评估处理
        综合使用动态信号可以从根本上确定设备的运行状态，动态信号可以给设备的可靠性、有效性评估提供更为有效的信息，实现将设备运行状态和可靠性评估结果相联系，完成对设备的运行状态的判断。
        2运行可靠性理论基础和技术内涵
        2.1可靠性和可靠度
        机械设备由大量不同零件组成，各类零件都有相应的功能。机械设备的可靠性也遵循木桶原理，系统的短板决定了系统可靠性。机械运行中零件需要承受应力，导致零件的出现应变，温度随着运行状态改变，电压、腐蚀等因素也会导致零部件的性能变化，可能导致设备损伤失效，损坏的零部件将会降低系统的性能和可靠性[3]。所以对机械设备的运行可靠性一般都由损伤程度最严重的零部件状态衡量。为了能更准确地表述可靠性，将可靠性定义为在标准运行条件下，在设备服役时间内，零部件实现规定功能的能力。
        在可靠性分析中，最重要的指标即设备的可靠度，可靠度的定义为规定期限内，设备不完全失效完成功能的概率，传统的可靠度失效概率计算依靠失效率积分的指数函数：

      上式中的h(t)是设备的失效函数，能够计算时间t后设备出现失效的概率。R(t)可以进行可靠性的归一化，归一化的区间为[0,1]。
        2.2运行可靠性评估方法
        在对机械设备进行具体的评估时，需要根据机械设备的故障特征提取针对性的可靠性评估方法，通过建立设备运行状态和可靠度之间的映射模型进行可靠度的计算，已解决概率统计数据的问题。由于机械设备运行过程中会产生位移、速度、加速度、噪声、应力、温度等数据，对机械设备可靠性评估时就可以充分利用这类状态信息，分析设备的退化状态，给设备的可靠性评估提供信息。通过建立设备运行的动态模型，以及利用对设备的监测就可以获得设备故障的信号特认证。例如使用动态建模和故障机理分析机械设备基础零件在不同约束条件下的荷载、温度等因素，分析物理量等作用，通过动力学模型分析故障产生之前机械设备所具有的而特征，从而给故障诊断提供理论依据。不仅可以通过分析设备可靠性提前预知设备故障，还能利用动态物理量信号确定设备故障。
        目前常用的分析技术包括小波分析、随机共振、经验模式分解等等，都能反映故障的特征，进行故障零部件定位，对设备故障进行定量分析。比如小波爆品带能量分解就可以研究机械设备轴承的损伤情况，推测机械设备的运行可靠度和出现故障的概率。利用对设备关键零部件状态的识别，能够确定设备的薄弱环节，找到设备运行性能降低短板。
        3机械设备可靠性评估实例
        信息熵能反映系统运行状态下存在的不确定性，设备性能稳定，运行状态确定性强，信息熵值降低；系统运行状态不确定，信息熵增加[5]。根据这个原理，提出了归一化小波信息熵对设备的可靠性展开评估，通过将设备运行中的振动信号小波包分解，然后计算归一化小波包信息熵确定设备的可靠度，完成对设备可靠性的评估工作。本案例中对汽轮发电机组轴瓦松动的维修前后两种状态的运行可靠性进行评估。
        3.1基于小波信息熵运行可靠度
        使用第二代小波包分解和重构机械设备的振动信号，分解层数为3层，获得8个分解频带信号，并计算每个频带的相对能量，根据归一化小波信息熵的计算方法：

      其中单个分解频带的相对能量为，通过计算可以获得归一化可靠数值，最后根据R(e)=1-e，计算出设备运行的可靠度。
        3.2可靠性评估
       一台50MW汽轮发电机经过大修，为保证监测仪器的正常运行，通过获得汽轮机的振动信号进行可靠性的诊断和评估。经过监测，发现汽轮机开机升速和负荷增加的过程中，低压缸的轴瓦垂直振动峰值超出50μm的峰值限制要求，随着开机转速提升，振动峰峰值达到63.4μm；汽轮机负荷6MW时，振动峰值为75.1μm；负荷达到16MW时，振动峰值为105μm。

        图1振动时域波形
       根据上图振动波形，对0-1000Hz频率的振动信号3次小波包分解，获得125Hz的频带8个，其中1-4频带能量值比较大，信号能量分布也比较广，通过归一化信息熵计算，信息熵的为0.73，设备运行可靠度为0.26，可靠度水平非常低，设备的运行状态不确定性在整架，表明设备已经出现故障。通过进一步诊断，发现设备的故障来自预紧力不足，以及对汽轮机支撑不善，导致轴瓦出现松动。停机检查发现，轴瓦的预紧力只有0.12mm，远低于0.25mm的规定值，为此，在左垫铁位置塞入30mm的0.05毫米垫尺，右垫铁塞入25 mm的0.04mm垫尺；通过进一步检查，发现轴瓦下方并没有达到0.05mm的间隙要求，通过修刮垫铁，调整预紧力达到0.25mm。开机运行之后，发现系统的汽轮机的振动明显减弱，对比振动信号能量频带，2-4频带的能量分布减少，设备的运行状态也更加单一，能量分布更为集中，设备的运行状态也更为确定。通过计算归一化信息熵，设备的运行可靠度为0.68，证明设备的运行状态较好。
        结束语：为做好机械设备的可靠性评估工作，需要结合传统可靠性理论，深入研究机械设备的动态状况，建立适合开展评估工作的模型，深入研究机械设备运行状态，提升对机械设备的信号分析水平。
参考文献：
[1]赫明远.机械设备运行可靠性评估思考[J].智能城市,2020,6(03):195-196.
[2]刘景强,李传诚.机械设备运行可靠性评估的发展与思考[J].山东工业技术,2018(24):53.