可靠性设备的预防维护及其管理 机械专业毕业论文

邢台职业技术学院毕业论文

可靠性设备的预防维护及其管理 专 业 机械制造与自动化 班 级 机制091 姓 名 XXX 学 号 0900030101XX 指导老师 XXX 老师 日 期 2012年6月

可靠性设备的预防维护及其管理 机械专业毕业论文

摘 要

设备是工业革命的起点，是不同经济时代的重要标志，是企业生产赖以运行的载休。设备管理是企业管理的一个重要组成部分，对企业当前的生产和长远的发展起着极为重要的保证作用。维修是为保持或恢复设备能完成规定功能的能力而采取的各种技术和管理措施，也是设备运行阶段的主要管理内容。

本文首先对设备预防维修进行理论分析，提出了设备预防维修管理模型，在此基础上主要进行了以下方面的工作:

1 通过对设备故障过程的分析，运用可靠性寿命分布建模与分析的方法，对设备故障特征量及数据的收集。

2 在维修理论模型的基础上，研究了预防维修决策问题，结合企业工程实际，综合考虑维修费用，寻求一种更为接近实际情况的模型 ,来求解最优预防维修周期，为维修计划的制定提供可靠的依据。

3 在备件的优化模型中，考虑设备系统中组件备件可靠性与成本之间关系的多样性。

本文提出的上述以过程为基础的预防维修决策模型，综合考虑了各种维修方式，结合工程实际情况，做出维修决策，包括维修方式的选择。

关键词 :设备管理，预防维修，维修策略，故障曲线，备件

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目 录

摘 要 Ⅰ 目 录 Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 设备维修及管理在企业中的重要性 1

1.2 设备维修管理发展的历程 2

1.3我国企业传统设备维修及管理的局限性及面临的问题 3

1.4 设备维修及管理的发展趋势 4

第二章 设备故障理论和故障分布统计建模 5

2.1 故障率曲线 5

2.2 浴盘曲线故障率的数学模型 6

2.3 故障率曲线的基本模式 8

2.4 设备故障统计建模的一般方法 11

2.5 故障数据的收集 11

第三章 设备维护的相关理论 13

3.1 设备维护理论 13

3.2 设备维护及建模方法 14

3.2.1 设备维护的方式 14

3.2.3 维护建模方法 15

3.3 可靠性理论 15

3.3.1 可靠性定义及分类 15

3.3.2可靠性特征量 16

3.4 RCM维护优化模型 17

3.4.1 RCM中经常采用的方法 17

3.4.2 RCM优化模型综述 18

第四章 可靠性设备的备件优化模型 19

4.1 备件库存模型与策略 19

4.2 备件库存决策模型 19

4.3 备件优化模型设计 20

4.4 确定备件品种的一般可靠性方法 20

第五章 总结 21 参考文献 22

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致 谢 23

第一章 绪 论

1.1设备维修及管理在企业中的重要性

设备是工业革命的起点，是不同经济时代的重要标志，是企业生产赖以运行的载体。马克思说:“设备是企业的骨骼、肌肉和脉管” 。

在当代,科学技术呈现突飞猛进的发展,先进的生产制造系统接连出现。加工与成形制造技术日益向精密化、多样化、复合化方向发展，如精益生产、特种制造等；制造自动化系统日益向柔性化、集成化、智能化、全球化方向发展，如柔性制造、智能制造等；传统制造技术日益向高效化、敏捷化、清洁化方向发展，如清洁生产、敏捷制造等。先进的设备是这些先进生产制造系统存在的基础之一。同时，企业越来越向资本密集型、技术密集型发展，而资本和技术是依靠设备来体现的。因此，从某种意义上来讲，设备对产品的品种、质量和产量，对成本、市场和效益具有重要的影响。

企业生产的规模越来越庞大，设备越来越复杂，设备维修及管理的环境发生了很大的变化，导致设备的管理理念、管理方式和维修方式革命性变化。当今的设备维修管理是由设备规划、设计、制造、选型、购置、安装、使用、维护、修理、改造、报废直至更新诸环节构成的设备生命全过程的管理。所谓“工欲善其事，必先利其器；君欲利其器，首当顺其制。”

设备维修管理是安全生产、提高产品质量和增加企业经济效益的基本保证，体现在设备生命全过程的管理中。设备维修管理不当，设备容易出现故障停机，造成某些环节中断，更严重的会引起生产全线停机，造成巨大损失。生产设备尤其是关键设备的技术不良，疏于维修保养，不仅使得设备使用寿命下降，而且会造成生产的产品质量下降和各方面的消耗增加。也就是说，设备管理既影响企业的产出，又影响企业的投入，是生产中至关重要的因素。

因此 ，只有加强设备管理，正确操作使用设备，精心地维护保养设备，进行恰当的设备维修，使设备始终处于良好的技术状态，才能够保证生产过程连续稳定地进行，生产出低成本、高质量的产品，保证企业经济利益的提高和长远发展目标的实现。

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1.2设备维修管理发展的历程

图1-1 设备维修管理发展的历程

人们从事生产，离不开设备，也就离不开设备的管理和维修。随着生产设各分别朝着集成化、大型化、精密化、自动化、流程化的方向发展， 设备的维修管理方式也在不断地发生着变革。国际上设各维修管理体系大致经历了如图1-1所示的四个发展阶段。

(1）事后维修阶段(Breakdown Maintenance,缩写为BM) (1950年) 这个阶段有两个“时代”组成，即兼修时代和专修时代。在兼修时代，由于设备比较简单，设备的操作人员也就是维修人员；随着设备技术复杂程度不断提高，操作人员的技能不能满足维修的需要，开始有了专业分工,操作工专门操作，维修工专门维修，进入了专修时代。这个阶段的维修特点是设备坏了才修，不坏不修。在这一阶段，对设备维修不受重视，而且.,对科学技术的掌握和应用也有限。因此，工厂由于故障导致停机停产的损失巨大。

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（2）预防维修阶段(Preventive Maintenance,缩写为PM) (1950-1960)

国际上有两大体系共存，一个是以前苏联为首的计划维修体制，另一个是以美国为首的预防维修休制。这两大体制本质相同.都是以摩擦学理论基础，但在具体的形式和做法上有所小同，效果上也有差异。

（3）生产维修阶段(Productive Maintenance,缩写为PM) (1960-1970)

生产维修体制是以预防性维修为中心，兼顾生产和设备设计制造而采取的多样、综合的设备管理方法。以美国为代表的西方国家的企业多采有此维修管理体制。生产维修由四部分组成，即:事后维修、预防维修、改善维修、维修预防。这一维修体制突出了维修策略的灵活性，吸收了后勤工程学的内容，提出了维修预防、提高设备可靠性设计水平以及无维修设计思想。

（4）各种设备管理模式并行阶段(1970年至今)

a)综合工程学

综合工程学是由英国的丹尼斯巴克思在70年代的一次国际会议上提出。其定义为:“为使资产寿命周期费用最经济，把相关的工程技术、管理、财务及业务加以综合的学科。”

b)全员生产维修(Total Production Maintenance,缩写为TPM)

全员生产维修是日本在学习美国设备预防性维护的基础上，吸收英国设备综合工程学和我国鞍钢宪法中的群众路线的观点，继承本国传统管理观念，逐渐形成发展起来的一种设备管理和维护制度。关于全员生产维修的详细阐述可参阅文献。

c) 设备综合管理

20世纪80年代，我国在前苏联的计划预修体制基础上，吸收生产维修综合工程学、后勤工程以及日本全员生产维修的相关内容，提出对设备进行综合管理的思想体系。

1.3我国企业传统设备维修及管理的局限性及面临的问题

经过几十年的发展，我国企业的设备维修管理在长期的发展过程中，逐步积累了自己的管理理念和维修风格，并随着设备维修管理发展，逐渐呈现多样性。但目前企业广泛采用的设备管理方式方法仍然是以前苏联的计划维修制为主，制约着生产的发展，主要表现在如下几个方面:

（1） 设备管理仅限于使用和维修过程的管理，维修固然很重要，但就维修的本质来说，是事后(后天)的救护。

（2） 设备设计制造过程管理和设备使用维修过程的管理彼此互不通气，缺少

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信息反馈，而这些反馈是现代工程技术中必不可少的。

（3）设备管理把技术管理和经济管理分割开来，设备管理往往是重技术轻管理，缺乏系统性的概念和管理科学的理论基础。

由于我国的企业在相当长的一个历史时期处于相对封闭的状态，与国外企业之间缺乏交流，加上基础薄弱，市场发育不充分，与国外企业的设备维修管理有较大的差距，主要表现如下:

（1）缺乏有效的设各维修管理理论的指导。

我国企业早期实行计划经济，受前苏联计划预修制的影响较大，而这种理论越来越不适应生产设务日益向复杂化、智能化、集成化方向发展的趋势，对维修的经济性考虑性甚少。

（2）企业缺乏符合维修管理规律的策略谋划

设备是为生产服务的，因此，企业容易以生产管理的规律强加设备维修管理，设备成为生产的附庸。重抢修，轻管理，重眼前前，轻长远,是我国设备维修管理的通病。

（3）忽视对人的研究，组织体系陈旧

传统的设备维修管理较少研究人力资本，没有将知识作为管理的一个关键要素。另外，社会协作体系不完善，检修市场发育不充分，社会资源不能有效整合，使企业在围绕设备维修的资源配置上“大而全、小而全”，造成重复配置 , 资金分散，效率低下的现象。

1.4设备维修及管理的发展趋势

当前企业设备的维修管理呈现如下发展趋势：

（1）设备维修与管理的重要性成为越来越多企业的共识，世界上越来越多的企业认识到设备在企业生产中的重要性。“维修是生产力”。“ 一个成功的企业必须具备世界级的维修管理。”世界上工业发达国家的企业都认识到这一点，把设备维修管理放在十分重要的位置，向设备要效益。

（2）重视设备的综合管理，着眼于全过程管理。设备投产后的运行操作、维护检修、更新改造直至报废的后半生管理固然重要，但对设备进行综合管理要着眼于设备一生全过程的管理，更重要的是设备前半生的管理。

（3）强调设备的全员管理，操作人员要参与维修活动。

（4）随着计算机技术在工程中应用的日益普及，设备维修管理信息化所产生的效益也日益显著。计算机及信息处理技术在设备维修管理中发挥的作用将越来越大，并将得到飞速发展。

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第二章 设备故障理论和故障分布统计建模

进行维修的原因是因为设备出了故障或为了减少设备故障发生的概率，因此有必要对故障进行了解。故障是指系统、设备或零部件丧失其规定功能的状态。故障理论包括故障宏观理论和故障微观理论两大方面。

故障宏观理论是把故障的出现看作是一个随机事件，进行统计分析，找出故障发生、发展的规律，从而实现对故障的宏观管理。故障微观理论则研究故障机理，即从微观或亚微观角度研究引起故障发生的物理、化学等变化的内在原因及其发生和发展的规律，并山此提出预防和排除故障的措施，它属于失效物理分析的范畴。

2.1故障率曲线

研究故障宏观统计规律主要是研究故障率随时间变化的规律。在早期的预防维修体制时代，认为最具代表性的是呈浴盆状的故障率曲线，这条曲线是根据设备的磨损规律得出的。它的表现形态可分为三个阶段:早期故障期，偶发故障期和磨损故期。如图3-1所示。

图2-1 设备典型是效率曲线

(1) 早期故障期(跑合阶段)

这一阶段是故障率下降型，如图2-1的(I)阶段所示，即随着时间的推移故障 率逐渐下降。设备投入使用的早期，失效率较高且下降很快。这主要是由于设备的零部件在设计、制造时的各种质量缺陷造成，即为质量问题造成，也有贮存、

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运输、安装、调试、起动不当等人为因素所造成的失效。当这些不良因素造成的失效得到彻底、有效的处置后，运转也就逐渐正常，而失效率就趋于稳定，到t。时失效率曲线己开始变平。t0以前称为早期失效期。

(2) 偶发故障期(稳定阶段)

失效率曲线为恒定型，即t。到t1间的失效率近似为常数，故障率比较低。如

图2-1的(Ⅱ)阶段所示。失效主要是由于非预期的过载、误操作、工艺缺陷、环境因素以及一些尚不清楚的偶然因素所造成，也就是设备的可靠性问题造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期也是设备有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。

(3) 损耗故障期(磨损阶段)

经过相当长的偶发故障期后，出于设备的磨损、疲劳、老化、损耗、阻抗增大、腐蚀、介电常数波动等原因，设备的故障率开始增加，这种故障率逐渐增加的时期称为损耗故障期，其故障率随时间移而增加,如图2-1的（Ⅲ）阶段所示。 三种性质的故障从理论上说都可以贯穿于设备的整个寿命期，只是每个时期有一种性质的故障占支配地位。即在早期故障期内以质量问题为主；在偶然故障期内以可靠性问题为主；而在损耗故障期内以损耗问题为主。这一典型的曲线是计划预修制进行维修决策的理论依据。通常根据设备的损耗情况和维修能力，制定出一条“容许故障率”的界限线，以控制实际故障率不要超过此范围。

2.2浴盘曲线故障率的数学模型

从上可知，浴盆曲线中的故障率在三个时期内均包含三种故障性质的变化情况，很难用某一函数，比如指数函数数、正态分布函数完整地将其特性描述出来。但结果针对不同时期的主要因素来选择适当的函数，其特性是能够描述的。设它的总故障率表达式为:

(t) 1(t) 2(t) 3(t) （2-1）

式中: 1(t)为早期故障率； 2(t)为偶然故障率； 3(t)为耗损故障率。

这三种故障率的综合结果如图2-2所示。在早期故障期。则主要考虑早期故障率和偶然故障率。在偶然故障期，排除了绝大部分早期故障问题， 而大部分的零部件的损耗期尚未到来，因此常用偶然故障率近似表示总故障率。而在损耗故障期，主要考虑偶然故障率和损耗故障率。

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图2-2 故障率曲线的数学模型

(1)早期故障期的数学模型

这一阶段是故障率下降型，它的故障密度函数和可靠性函数大体服从超指数分布或m<1的威布尔分布。

m t （2-2） (t)

这是由于设计、制造、贮存、运输等造成缺陷，以及安装、调试、起动不当等人为因素所造成的失效。当这些不良因素造成的失效得到彻底、有效的处置后，运转也就逐渐正常，而失效率就趋于稳定，进入偶然故障期。

对于早期故障期，只能在发现故障后立即采取排除措施，不适合采取定时更换的维修对策。因为在早期故障率高的情下，如果企图以新品更换使用品，就等于用故障率高的机件更换故障率低的机件。不仅不能降低总的故障率 ，反而会产生相反的效果。

(2)偶然故障期的数学模型

在偶然故障期内，总故障率用偶然故障率来代替，故障率近似为常数，故障时间服从指数分布，其故障密度函数和可靠度函数分别为:

2(t) 2exp( 2t) （2-3）

在实际运用中，人们常常关心在某段执行任务时间的可靠度，称为任务可靠度。偶然故障不能用定时更换的办法来预防，更换零件，故障率不会发生大的变化，而进行维修可能会附加早期故障。

(3)损耗故障期的数学模型

在这一时期内，设备故障率开始随时间的增加而迅速列高如果在进入损耗故障期之前进行预防维修和更换，使失效率减缓上升趋势，以延长有效寿命。要确

m 1

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定维修更换的周期，需要建立相应的数学模型。

在损耗故障期的总故障率 (t)主要考虑偶然故障和损耗故障，即

(t) 2(t) 3(t) （2-4）

2.3故障率曲线的基本模式

很长一段时间里，人们认为浴盆曲线是设备运行过程中典型的故障率曲线，但实际情况并不完全是这样，并不是所有的设备都具有显著的三个典型故障期。 70年代后期，美国联合航空公司在创立以可靠性为中心的维修理论过程中，统计分析了航空设备的故障率，发现包括浴盆曲线外，还存在五种基本形式的故障率曲线，如图2-3所示途中纵坐标代表故障率，横坐标代表设备使用时间。

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图2-3 各类故障率曲线

从上图可以看出，a)和b)存明显的损耗故障期，符合这两种形式的是各种零部件或简单产品的故障，如轮胎、刹车片、活塞式发动机的气缸、涡轮式发动机的压气机叶片和飞机的结构元件的故障。c)随着使用时间的增加而增加，喷气式发动机的故障率曲线属于这一型式。具有以上三种型式的故障率曲线的设备占ll%，而89%的设备则没有损耗期(d,e,f型)。有一半以上航空设备显示出有早期故障率，即刚安装以后的故障率往往相当高，随后趋向平稳，如a,f型。由此可见，只有故障率符合a,b,c三型的占I1%的设备可以采用定期维修或更换取得一定的成效，对于属于其他故障率曲线的设备采取定期维修可能会适得其反。

在面的上六种故障率曲线中，除去浴盘曲线，其他皆可用威布尔分布的故障曲线获得

m t (t) m 1 （2-5）

式中:m— 形状参数，η— 尺寸参数，δ— 位置参数。当

m>2时 ，为b型的故障率曲线;

m=2时 ，为c型的故障率曲线;

1<m<2时，为d型的故障率曲线;

m=l时，为e型的故障率曲线;

m<1时，为f型的故障率曲线。

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图2-4形状参数对故障率曲线的影响

由此可见，威布尔分布应是故障率分布中最常见的重要分布之一。

在机械设备中，一般零件的静强度、材料性能、尺寸偏差等等，基本可归纳为正态分布，使得机械零件的故障率曲线很多属于正态分布。正态分布的故障率函数及曲线如下

(t ) exp 2 2 - <t<+ （2-6） (t) (t u) dx2 texp 2

式中 — 位置参数 — 尺寸参数，且有E[X]= V[X]= 2

图2一5正态分布的故障率曲线的数学模型

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2.4设备故障统计建模的一般方法

所谓故障分布模型是指故障的分布函数，属于故障宏观理论的范畴。一个好的模型既要便于数学计算，又要能够反映系统的主要特征或问题描述了统计建模的一般过程，可为以几步骤:

步骤 1: 明确问题，规划数据收集方法和收集故障数据 ；

步骤 2: 对故障数据进行初步分析；

步骤 3: 故障分布模型选抒及检验；

2.5故障数据的收集

在收集任何数据时一必须注意两点:一是数据的有效性:二是对设备故障应有明确的定义。故障管理信息主要包括以下内容:

(1)故障对象(设备、零部件)的识别数据:设备名称、设备编号、部件名称、部件编号、生产厂家、出场日期、投产日期、使用状况、设备归类等。

(2)故障识别数据:故障类别、发生时间、故障状况等。

(3)故障特征数据:故障现象、故障原因、故障主要特征值等。

(4)故障的历史记录:故障的累计次数、故障间隔时间、设备维修记录、设备检查记录等。如图2-5、图2-6和图3-7所示。

图2-5 设备台账管理界面

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图2-6 设备故障管理界面

图2-7 设备定期检查管理界面

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第三章 设备维护的相关理论

设备是企业获取市场的重要物质资源与保障，是企业生存和发展的必要条件之一。为了解决使用现代化设备所带来的一系列技术、经济、管理上的新问题，摆脱传统设备管理的局限性，实现现代工业生产无事故、无缺陷、无伤亡、无公害的要求，世界上工业发达国家先后提出了适应上述要求的设备维护理论。

3.1设备维护理论

设备维护是以设备管理理论为理论基础的。目前国际上有代表性的设备管理理论主要包括：

1、后勤学：

19世纪60年代美国在经典的产品和设备寿命周期基础上，吸取了寿命周期费用、可靠性工程及维修性工程等现代理论形成了后勤学，定义为“研究资源需求、设备、供应和维修，并以后勤保障、计划作为对象的管理艺术、管理科学和工程技术活动”。它是以产品、系统、计划、设备等所有资源为对象，追求寿命周期费用最经济，应用于各种资源的整个周期过程，包括系统管理、系统设计与开发、生产支援及流通过程的管理与服务。

2、设备综合工程学

设备综合工程学(Terotechnology)的观点和概念引自英国设备综合工程中心的丹尼斯 巴库斯(Dennis Parkes)1971年在美国的一次国际设备工程学术会议上宣读的设备综合工程学研究报告。该报告运用系统论、控制论、信息论的基本原理，提出了一种新的设备管理理论一“设备综合工程学”(Terotechnology)。经过不断的实践和发展，1974年英国工商部将设备综合工程学原来的定义修改为： “为了求得最经济的寿命周期费用而把适用于有形资产的有关工程技术、管理、财务以及其它业务工作加以综合的科学就是设备综合工程学。具体地说，就是关于为提高成套设备、装置、建筑物、构筑物的可靠性和维修性而对方案、设计、制造、安装、调试、试运转、使用、维修、改造和更新等一系列环节做出综合考虑，进而在设计、使用、费用等方面开展信息反馈的技术”。

3、全员生产维护

1971年日本在学习英美维护理论的基础上，根据本国企业的管理经验，将可靠性工程理论和现代管理技术加以综合应用，逐步形成了全员生产维护，它是全员参加的、以提高设备综合效能为目标，以设备寿命周期为对象的生产维护制度。具体内容为：（1）是使设备的综合效能最大；(2)建立包括设备整个寿命周期的生产维护系统(即管理设备的一生)；(3)包括与设备有关的所有部门，如设备规