以可靠性为中心的设备维修决策技术研究与应用

1、北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果眭本人承担。作者签名：日期：型孑矽乒关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可

2、以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、江：编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范网，在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。日期：，石妒日期：（）、乒 学位论文数据集中图分类号学科分类号论文编号密级，汝器学位授予单位代码学位授予单位名称北京化工大学作者姓名徐微学号获学位专业名称安全技术及工程获学位专业代码课题来源计划研究方向应用论文题目以可靠性为中心的设备维修决策技术研究与应用以可靠性为中心的维修（），威布尔分布，灰色马尔科夫，灰色关键词关联分析的神经网络，寿命预测，维修决策论文答辩日期宰论文类型应用研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名职称工

3、乍单位学科专长指导教师江志农研究员二匕京化工大学设备诊断工程评阅人杨剑锋研究员北京化工大学化工过程机械评阔人马波副教授北京化工大学故障诊断、风险分析评阅人评阅人答辩委员会主席何立东研究员北京化工大学转子动力学答辩委员高金吉教授北京化工大学设备诊断工程答辩委员杨国安教授北京化工大学信号处理答辩委员杨剑锋研究员北京化工大学化工过程机械北京昆仑天辰仪表答辩委员吴海琦高工仪器仪表科技有限公司答辩委员王华庆教授北京化工大学设备诊断工程答辩委员马波副教授北京化工大学故障诊断、风险分析二中图分类号在中国图书资料分类法查询。三学科分类号在中华人民共和国国家标；隹（）学科分类与代码中查询。四论文编号由单位代码和

4、年份及学号的后四位组成。 以可靠性为中心的设备维修决策技术研究与应用摘要现代企业中，典型的维修问题有被动的维修，重复的检修，合理的维修无法体制化，不必要和保守的预防性维修，以及缺乏可追溯性的维修列划等，因此，发展一种合适的维修方法来处理这类问题卜分必要。以可靠性为中心的维修（）提供了最系统和最有效的方式可实现工厂和设备维护计戈的优化，帮助制定合理且有效的维修决策。曰前，已初步在我国的多个炼化企业中得到应用，但由于各种原因，其实施应用的效果并不理想，主要表现在很难利用已知的历史数据或状态隘测数据获得设备的隐含信息进行风险的评估，为此，本文从以下方面进行了研究：（）将一元和混合威布尔寿命分布模型引

5、入到的风险评估，研究相应的参数估计方法，总结模型的选用原则，利用所得结果分析可靠性的各指标参量，并对中石油往复压缩机组关键部件进行风险评估，取得了较理想的效果。（）引进三次指数平滑、灰色马尔科夫和灰色关联分析的神经网络法，实现状态监测下小样本波动数据的故障分析，以某轴承的数据验证了方法的有效性和可行性，另外，也探索性地研究其剩余寿命的估算。（）详细介绍了列中石油往复压缩机关键零部件的实施过程，并将上述各模型应用到该评估中，根据评估结果筛选出了可能产生高中风险故障模式对应的关键零部件，同时完成维修任务的优化。关键词：以可靠性为中心的维修（），威布尔分布，可靠性预测，灰色马尔科夫法，灰色关联分析的

6、神经网络法，寿命预测，维修决策，（），巧，碰，：（），“，“，诧（），诧，（），：（），目录目录第一章绪论】选题背景课题来源研究意义国内外检维修策略的发展及研究现状文章框架和主要创新点第二章风险评估中应用的相关理论理论在故障特性中的研究评估的关键步骤可靠性相关的指标和分布可靠性和维修性特征量可靠性中常用的故障分布小结第三章基于威布尔概率统计的设备可靠性预测研究失效数据的建模建模主要过程】分布函数的经验取值一一元威布尔的可靠性分析模型一元威布尔分布的参数估计极大似然法最小二乘法遗传算法混合威布尔的可靠性分析模型混合威布尔分布的参数估计威布尔概率统计的可靠性预测北京化工大学硕士学位论文一元威布尔的

7、可靠性预测混合威布尔的可靠性预测。一元威布尔和混合威布尔的选用原则实例分析与应用一元威布尔分布的应用实例混合威布尔分布的应用实例小结第四章基于状态监测的设备剩余寿命预测方法研究。设备剩余寿命预测的相关理论状态监测趋势分析状态阀值设备剩余寿命预测方法的研究三次指数平滑模型灰色马尔科夫模型灰色关联分析的神经网络模型实例应用与研究小结第五章在往复压缩机关键零部件上的应用往复压缩机关键零部件的分析项目开工会及实施范围的确定各种数据资料的收集和统计分析往复压缩机机组系统划分和功能描述往复压缩机部件的故障模式的风险评价关键部件重要度的确定往复压缩机部件检维修策略的制定维修任务的优化小结第六章总论与展望全文

8、总结展望参考文献致谢研究成果及发表的学术论文作者及导师介绍 （、）一酞】；语¨（汀呵劬】沁一瑚哆主（，】矗也吨如王脚枷咖时而】，京化下人学顾主学盘沦文，“矽】，一，：；】琵（）胁仃、（） 选题背景课题来源第一章绪论本课题来源予锦州石化动静设备信息化专业管理平台的喑分炼化企业成套装鬻动设备动态风险分析及智能维修决策技术研究，三要针对其中动设备维修决策技术在实际中的应用腱开研究的。研究意义企业生产的顺利进行与设备的难常运转是密不刚分的，尤其是在现代化工业突琶猛进发展的今天，大量产品的生产均离不开设备，但：时设备的存在又不珂避免地会产生故障，照故障发生，所导致的不仪仪是停车维修还丽临题大的

9、经济损失甚至人员伤二等多方面的不良影响，这就产生了个新的问题，如何较好地对设备进行维修管理，以降低故障发！勺频率，确保设备的安全运行，提高产品的生效益¨。往我圈，大部分的维修还采用的是定期维修，根据以往的经验保守地进：维修管理，这种维修方式常常会导致“维修不足”或“维修过剩”，伤两使有效资源或能源无法得到充分利用，引起故障突发，另力面又可能过度增加机械设备的维修负担，导致：【：作寿命缩减。然而对于动维修则存在维修成本高、维修策略毒观化和经验化等不足，特别在目前连续性大生产对设备长周期稳定性的要求不断提高的情况下，仅仅依靠这种维修方式已越来越难满足当前生产和维修管理的需求了。因此，通过

10、对前人研究成果的不断地分析和总结中我们发现，在国际上较为流行的以町靠性为中心的维修（）¨以更好地节约时间和效率，并运行逻辑推理完成故障类型的确定和维修任务的优化【孓。然而鉴于传统的很少与相关的数学模型或决策理论结合进行维修任务的优化】，因而，本论文存综合考虑设备的可靠性、可维修性和经济性等因素后，建立了基于历史数据的威布尔寿命分布模型以实现对设备总体性能的：】靠性评任，以及基于状态监测进行故障趋势预测的三三次指数平滑、灰色马尔科夫和灰色关联分析的神经网络等方法，将它们与理论结合，来量化设备维修管理中的些技术指标，从而帮助企业制定更加准确目合理的检维修策略。国内外检维修策略的发展及研究

11、现状本文所说的维修决策均指维修方式的决策，即是我们通常所说的由系统固有特性来确定的事后维修、定其预防维修及视情维修等，根据圈内外的发展情况可以将其总结为如下几个历程：世纪，以蒸汽机为代表的设备故障维修方式事后维修开始萌生，它是在故障发生或无法运转时采取的一种被动维修方式，然而在这个时期我阁的工业发展还仪仪处予探索性阶段并未借鉴圈外任何先进的维护或维修手段，基本都足在设备故障发生以后才对其进行简单的处理。世纪到世纪年代，以电力能源的生成应用为代表出现了一种积极主动的维修预防性维修，通过在故障发生前进行预防来使设备处于良好的状态，但对需随时停机检修的设备实施效果贝不佳，而此时，我国的设备维修管理已

12、基本学习了当时西方阁家的方式。世纪年代到年代，设备寿命周期评价渐渐被人们所接受，产生了以各种维修工程和维修管理相结合的交叉性维修方式，并一日在我国也出现了一种预防性的定期保养或计划性的检维修制度。当进入到世纪年代以后，以设备状态监测为手段而故障诊断为依据的预知性维修或者状态维修衍！它的蠢要思想是在综合考虑设备的多办丽影矗因素后，通过判断没备健康或性能劣化状态及其发腱趋势来尽早地日有针对地进行殴备检修工作，帮助提高设备的¨孙：性，降低捡维修费，因此，是国内外公认的维修领域较有前途的技术之。同时，年代初，以闲靠性为中心的维修（）这种：基于可靠性、安全性或闲维修性领域的独特工具应运而生，提

13、供了最系统和最有效的过程，用以确定恢复还是维持系统或设备运行能力所执行的任务和要求，实现维修计划的优化。起源于维护转向组织（），并率先在军用机的航空工业上形成了维修计划，其后建议用綦于系统的逻辑方法进行维修决策，直到年美圈圈防部将定名为并声明，应用所有的军事系统，才获得了高度重视，在随后的几十年里，经过不断地发展，已遍布于航空、铁路、石化、电力等各大行业中，并拥有了自己的评价准则（），其中陔准则共强调了七个大问题，指出须按照既定的顺序对其做出满意的网答【。目前，基于维修决策技术的研究已产生了大量的成果，不同的学者可能根据选用方法或的差异对其进行了不同的划分，而本文在分析和总结这些文献后将其大致

14、归纳为如下四个方面：（）维修决策支持系统的研究范世东等为实现了网络环境一的维修决策，开发了套的设备维修决策系统】；而王险峰等将神经网络技术和专家系统融入到维修决策中形成了智能维修决策的支持系统，用以提高设备叮靠性和维修效率；等则引进了群决策和分布决策的新型智能支持系统，主要利用计算机从大量信息中搜集、分类、聚焦及检测公众和专家的意见以快速提供决策者他们分析的维修策略；黄建军等人针对资源利用不足和模型支持匮乏等缺点提出了应用雷达装鬣改进的分析过程，并构建了该系统的功能体系框架用以确保维修决策的准确性；唱等基于案例对维修决策支持系统进行研究，介绍了七步模块式框架和它的使用信息以帮助维修决策的制定引

15、。（）模糊维修决策算法常建娥等人通过模糊综合评判的实例分析验证了该方法怼设备维修方式选择的可行性【】；胡彦平等则将收敛性较好的模糊神经网络模型引入至应用中以实现对柴油机劣化趋势的分析，进丽完成维修决策的制定【；而赵桂芹等人利用逻辑综合决断法对各种评估指标进行量化处理以实现石化企业中维修决策的优化”】；而等提出了使用模糊集来处理如运行条件、维修类型和系统性能等不精确的问题，以确定最佳维修周期和维修方式的维修决策¨。（）维修周期优化的研究蒋茂等对符合不同寿命分布的复杂设备建立了“度与剧辐期的关系模型，：以确定最小可用度下的最健维修周期；等则在考虑经济和安全条件下，通过蒙特卡罗对模型仿真评

16、估和遗传算法对机件维修周期优化来提高设备维修决策的河信度【刿；等主要针对静设备提出初步维修策略的思想基二尹成本的临界（），根据公式计算出大小对其进行后果优先顺序的排列，以此求得该方法下的最佳维修周期【】；张怀亮等结合生产现场设备维修工作的实际情况，利用马尔柯夫决策模型对维修周期实现了优化的研究口¨。（）随机维修决策算法赵昔等人提议对影响维修决策的随机因素采用等吲能准则进行评估，然后以最大平均收益作为选用最优决策的依据圈；等和等应用贝哦斯决策模型，在每年期望平均费用最小化的条件下撂到维修周期和更换策略，以期确定设备的维修决策田乏】；等建立半马尔科夫决策模型对基于状态预防维修问题优化，在

17、每个失效阶段退化速度是相同的特殊情况下，利用该模型，】以获得动态阀值优化的决策图，并得出阀值取决于检修速度的结论。随着现代社会技术的快速演变和用户需求的不断增加已给维修管理提供更多的挑战，尤其是企业较为看重的也是其相互竞争的关键因素成本的耗费问题，而适当的维修不仅可以帮助保持设备寿命周期成本的降低，也哪以对公司总性能做出积极的贡献，因此受到人们越来越多地关注。文章框架和主要创新点本文的创新点主要体现在对维修决策以下龋点不足的改进上：（）维修决策中的硼靠性模型大部分还停鄹在理论探讨阶段，缺乏在工程实际中的应用分析一目与结合进行维修决策量化的还不多见；（）二厂设备检维修记录的不够全面，使得基于历史

18、故障数据的维修决策建模成为困难，无法制定有效的维修决策。因此，将重点敖在有历史故障数据的可靠性评估和无历史故障数据的寿命预测的分析上，即围绕结合数学模型的在：【程实践中的应用展开研究，以完成维修决策有效尉合理的制定，其主要二作呵以概括为如下：第章，概括介绍了设备维修历程中出现的各种方式决策并总结了它们的研究现状，引出了当前较被认团的这种设备维修管理思想，并针对实施中维修任务优化这个重难点问题，提出了结合数学模型将些评估指标量化处理以制定合理。艮有效的维修决策。第：二章，阐述了维修管理体系，并简要介绍了评估中应用的相关理论，为文章后续定量化寿命维修决策的研究工作打下了基础。第三章，摹：历史检维修

19、记录中的故障数捌，深入研究了威布尔寿命分布模型，包括元威布尔（：二参数、兰参数）和混合威布尔模型（两重），重，点分析了给定数据下的故障率和露靠度等指标的变化情况，以及用。衡量设备维修周期的平均故障间隔时间，经验分析与实例总结得出各个模型的选剧原剡，并将该模型应用于炼化企业的往复压缩机关键零部件的可靠性评估中。第四章，讨论了在无历史故障数据的情况下，如何充分利用有限的检维修资源做出寿命维修决策的方法，提出了三次指数平滑、灰色马尔科夫和灰色关联分析的神经网络方法进行基于状态监测下的故障趋势分析，并将其应用于实践研究，取得了比较满意的效果，为维修决策的寿命预测提供了定量化的参考。第五章，综合以上的研

20、究分析，实现了量化的在往复压缩机关键零部件上的具体应用。第六章，总结了本文所做的工作，并对今后研究发展方向提出了自己的构想。第二章风险评估中应用的相关理论对不同失效模式进行维修策略的评隹是项困难并且复杂的任务，它要求多种因素的结合，如安全方面，环境问题，成本和资金构成，每个装备的平均故障间隔时问和平均维修时闻等大量的有形或无形的管理因素都必须考虑迸去，但尽管这个问题的重要性，仍然没有很多的研究来分析处理【。理论有多种形式的表述，如它是一个系统的功能函数，优先考虑安全、经济以针对失效结果将能量重点集中到有效的维修任务上，帮助确定维修费用花在何处才更有必要；它是个用以确定在现有运行条件下，必须采取

21、什么行动来保证所有的物质资产顺利完成它预期功能的过程；它是种基于安全、运行和经济指标，用以开发或选择维修设计的方法，它以系统角度分析系统功能、功能的失效及这些失效的预防。在故障特性中的研究通过对机城设备故障率的分析和研究，学者们发现。般¨以羼种线来描述故障率的变化情况【引，如图一。图一六种故障率曲线的变化图一】研究各种故障类型的发展变化，有利于我们了解设备的发展规律，制定合理的闭靠性维修决策。但传统的维修观念对潜在故障并没有明确的定义，常常将其忽略或直接视为故障处理，因此，不是引起“维修不足”就是导致“维修过剩，造成了设备维修资源能源的浪费或过度利用，丽原理中则涵盖了这种用以表明功能

22、故障发生前所处的种状态，即潜在故障的思想。图问隔理论中采取的这种视情维修，可以馒设备在发生潜在故障到娩生功能故障前的这段时间内（如图）进行修理或更换，该思想也是设备剩余寿命预测的来源，正是因为潜在故障到功能故障的发生需要段时间，所以我们；虿以通过某些预测手段来确定这段时间的约值，然后在设备即：睁运行到这个点时采取相应的维修或更换措施，使其资源褥到合理地利用，延长了设备的使寿命，最间隔越长，预测的效果越明疆，嘲以更有效地提高设备的利用率。评估的关键步骤（）确定重要功能单元（，难）：般机械系统的故障影响、生产任务和经济性是应实现的重要功能，而识别的意义就是确定系统、予系统、元件或部件等级的重要功能

23、单元。（）（船）分析：它的目的是确定功能和基于底层的失效功能模块，以及故障可能的原因和影响。（）逻辑决策：逻辑决策决定了每个的失效原因，根据可靠性数据，呵确定详细的预防性维修策略。（）结合预防性维修策略和预防性维修计划对维修结果优化：单个策略无法确定维修的优化结果，通常综合不同的维修策略来寻找其中最适合的或最佳的。个，以确保预防性维修的有效性¨。方法的简要介绍及结果输出可以表示为图。图方法及输出结梁的主要优点：（）以最少时间、最低成本提供高质量的维修计划；（）每个系统司用的维修历史与特定部位的经验、失效模式和重要度相关；（）确保考虑了所有重要部件和它们的故障模式及重要度；（）优化了维

24、修需求的内容和标准；（）工程和管理人员甚至大范围的团体，经常交流日常或稻：线的信息。可靠性相关的指标和分布从设备检维修故障数据的统计分析中找出适合的寿命分布来研究设备故障发姓的变化规律，并通过了解当前的运行状态和预测未来呵能的发展趋势，帮助我们合理地选择恰当的维修决策以确保设备能够安全运行。可靠性和维修性特征量对设备或部件的可靠性和维修性仪仪进行般意义上的定性分析已远远不能满足工程需要，必须进行相关的定量研究，通过对它们的评估来了解设备或部件整体的运行情况，从而全面掌握其失效原因和机理，帮助维修管理者采取有效措施提高企业的生产效益刚。（）设备的可靠度（）（）（）（）（）（）设备的故障率，躲、茜

25、旺。（）设备的平均寿命脚：加）（，（与机械设备的可靠性评估类似，司维修系统的维修数据也能按数理统计理论或方法进行评估，作为维修决策的重要依据。（）设备的维修度时（，）（，）（）（）设备臼勺修复率以萨篇，叫忙掣汜。（）设备的平均修复时间懈豫：“。砌（，）折（）、可靠性中常用的故障分布已有许多参量的失效模型，像指数、泊松、威布尔和对数正态分布等，由于这些分布的灵活性，常用于有特定失效机理的誊性建模，典型的；靠性分析方法般是利用历史的时问与故障数据间的关系柬进行寿命特性的评估。指数分布常用于电子产品零部件的寿命与维修时问的描述，其故障密度函数为：厂，）：彳圳）（）：！态分布应用范湖较，适用于各种材料

26、特性、疲劳失效、麽损寿命等，其故障密度函数叫表示为：八忙去唧学他培威布尔分布常用予大部分机械设备的可靠性研究中，其故障密度函数如下：饨，氧爿唧一（等）引口口研究设备町靠性寿命分布模型，找出其中故障发生的规律，是维修管理的关键，而闭靠性模型的能否正确建立，划很大程度上取决于能否给出可靠、有效的设备历史运行故障和维护数据，只有保卜这些给定数据的使用价值，才能为维修一作和维修决策的制定提供切实有效的参考，再将它与其他工程学维修管理理论综合，优化整个维修工作。小结本章主要介绍的维修理论体系以及其应用中需要的相关知识，通过对故障特性和可靠性指标关系的分析来态找设备故障发生的规律，完成故障预测和州靠性评估

27、，帮助维修决策的制定，从中我们也菇丁以看出这两个指标对评估的重要影响，另外，该部分也是本文维修决策实际应用研究的理论依拼。 第三章基于威布尔概率统计的设备可靠性预测研究一台机械设备总是由些零部件组成，其中某个或某个“关键”零部件的失效将可能导致该机械甚至所在系统的失效，因此，对设备关键零部件进行固靠性评估有着重缨的意义。一般，机械设备的故障从形成到扩展都是要经过个阶段的，除非发生突发性或意外性的事故，否则都会符合定的统计规律的，程上常从设备町靠性数据的统计分析中，找出其失效机理近似地符合某种类型的失效分布规律以将其拟合成该种形式的分布，然后利用分布和参数的关系实现可靠性分析与预测【。有多种常见

28、的寿命分布类型，而本文之所以选用威布尔（）作为寿命分布的可靠性模型，主要考虑到以下三点：其形状参数的增减变化，适用于不同形式的故障率曲线，如对二参数威布尔分布来说，当、伊、时，分别对应盼衙六种故障率曲线中的后五种类型；改变形参，可使威布尔分布等同或近似于其他概率分布，如当胪和胪时，分别等同于指数分布和瑞利分布，而当胪和户时，分别与对数正态分布释盯态分布的形状近似；威布尔分布作为个失效模型征分析一同类型系统的¨丁靠性问题上是非常有用的，】以说是可靠性分析领域中应用范围最的模型，用威布尔分布描述设备的寿命时，能更全面地分析“浴翁！线”备失效期系统的¨靠性。失效数据的建模选择和确

29、定最司能的寿命分布以描述零件或系统的失效时间是分析寿命数据的个重要课题，这就要求收集并分析失效数据，凭经验地拟合模型以观察失效的过程。般通过以下两种方法来拟合失效数据的未知分布：种是从失效数据中真接取得经验的可靠性分布，不需要参数的评估；而另。种就是确定可能的寿命分布，评制未知参数，但不同的是前者无法提供样本数据以外的信息，而后者却呵能。建模主要过程（）收集失效数据，圃以使用试验获得的数据或现场收集的数据，应根据实际需要和现场情况取得不同类型的失效数据；（）初步分析数据，将失效数据进行初步的整理分析，以获取数据的隐含信息，排除异常值，帮助模型的选择；（）选择模型，数据对应失效机理的了解，有助于选择适合的模型来拟合失效数据（如般用威布尔来建模因疲劳而产生的失效）；（）估计参数，大致分为图形法和解析法，可根据具体精度要求进行选取；（）检验模型的合理性，对于组给定的数据，总是能够拟合出一个模型的，但这个模型可能并不是恰当的，因此，需要检验其合理性；（）计算町靠性指标，以失效数据为依据，根据已确定的