基于RCM的飲料無菌灌裝設(shè)備維修研究

朱 紅 周炳海

（同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201807）

近年來，普通大眾對于健康飲品的消費需求日益增加，飲料生產(chǎn)廠家持續(xù)地投入先進生產(chǎn)線來搶奪飲料包裝市場。PET無菌冷灌裝生產(chǎn)線作為企業(yè)生產(chǎn)的主力，面對競爭激烈的市場環(huán)境，維護與管理工作非常重要。其中無菌灌裝機是機電一體化設(shè)備，涉及到機械、電氣等多學科，所產(chǎn)生的故障涉及因素較多，給維修工作帶來一定難度。

RCM自20世紀60年代首先在美國民航領(lǐng)域應(yīng)用，目前在我國也開始從傳統(tǒng)的維修模式向以可靠性為中心的維修模式轉(zhuǎn)變[1]。通過對RCM的應(yīng)用，可以使機械設(shè)備以更高的可靠性和精度投入有效的應(yīng)用之中[2]。

K公司是一家以食品、飲料制銷為中心的臺商獨資集團。主要產(chǎn)品有各種茶飲料、果汁、乳飲以及咖啡飲品等。

本文以K公司德國進口自動化灌裝一體機為研究對象，通過對設(shè)備開展RCM分析，進行設(shè)備故障模式、影響和危害度分析，了解設(shè)備的可靠性信息和故障特性，找出固有可靠性較低和難以預防性維修的薄弱環(huán)節(jié)，再應(yīng)用以可靠性為中心維修理論對設(shè)備系統(tǒng)進行維修策略優(yōu)化，從而降低生產(chǎn)設(shè)備維修成本，減少停機時間，提高維護質(zhì)量與效果。

1 RCM簡述

RCM是目前國際上通用的、用以確定資產(chǎn)預防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。它的基本思路是：對系統(tǒng)進行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障的后果；用規(guī)范化的邏輯決斷方法，確定出各故障后果的預防性對策；通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以維修停機損失最小為目標優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。

RCM 強調(diào)以設(shè)備可靠性和設(shè)備故障后果作為制定維修策略的依據(jù)。通過對設(shè)備故障后果進行結(jié)構(gòu)性評價、分析，綜合出有關(guān)安全、運行經(jīng)濟性和維修費用節(jié)省的維修策略，制定出一個最低的成本確保達到設(shè)備可能達到的最大安全性和可靠性[3]。

2 RCM在機電一體化設(shè)備中的應(yīng)用分析

2.1 可靠性分析

研究計算設(shè)備的可靠度，故障率，故障概率分布和平均壽命。利用設(shè)備的壽命主要服從何種分布函數(shù)，確定設(shè)備平均故障間隔時間和平均首次故障前時間等指標，來評定機電一體化設(shè)備可靠性狀況。

2.2 FMECA分析

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis）簡稱 FMECA），即對機電一體化設(shè)備進行故障分析，查清整機各故障部位、模式及原因比率，從整體上掌握該型設(shè)備故障發(fā)生的情況，對故障頻發(fā)的部件或子系統(tǒng)深入進行故障模式及原因分析，探尋可靠性改進設(shè)計的方向；通過危害度分析，摸清該一體化設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。

首先要確定系統(tǒng)的功能，根據(jù)零部件進行分類，對系統(tǒng)一級進行功能分析、故障模式和后果分析。然后對每一重要設(shè)備進行故障模式、后果與危害度分析。需要知道的是很可能發(fā)生的故障，確定將可能的嚴重故障轉(zhuǎn)為關(guān)鍵故障，對其進行研究管理。

2.3 維修決策

2.3.1 維修方式的選擇

設(shè)備維修方式是指對設(shè)備維修時機的選擇，也就是通過采用不同的維修方式來實現(xiàn)對維修的控制。目前基本維修方式有三種：事后維修、定期維修和狀態(tài)維修，具體比較見表1。

表1 三種維修方式的特征

維修方式應(yīng)針對不同設(shè)備、不同故障模式、生產(chǎn)需要等，從設(shè)備可靠性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，來決定設(shè)備的維修方式。

2.3.2 維修決策

維修決策主要完成設(shè)備維修方式的決策過程。其采用的維修策略包括：(1)視情維修。通過以上檢查診斷技術(shù)的應(yīng)用，決定對設(shè)備的預防維修，并結(jié)合定期維修和定期報廢更換維修方法；(2)預防維修。定期維修或檢查后安排的維修方法。作為視情維修的補充；(3)事后維修；在不重要的設(shè)備上仍可采用。

3 基于RCM的灌裝機維修管理分析

3.1 無菌灌裝一體機可靠性分析

對數(shù)據(jù)的處理由于較繁瑣，用 MATLAB進行計算和分析。現(xiàn)有設(shè)備運行記錄中故障間隔時間的184個數(shù)據(jù)和相關(guān)故障信息，對其進行數(shù)據(jù)處理。

3.1.1 可靠性指標評定

運用可靠性數(shù)學知識可得設(shè)備的基本可靠性參數(shù)，其平均無故障工作時間為：

MTBF =T/No= 32179/184 ≈ 175h

平均故障修復時間為：MTTF =t/No=271.02/184 = 1.47 h

可用度為：A = 175/（175+1.47） = 0.9917

故障率λ為：1/MTBF = 1/175 = 0.0057

3.1.2 故障間隔時間分布類型的估計

利用統(tǒng)計的方法求出灌裝一體機故障間隔時間的函數(shù)分布，過程如下：(1)從數(shù)據(jù)中找出最大值Mmax和最小值Mmin，Mmax=1440，Mmin=1；(2)將數(shù)據(jù)分組，確定分組數(shù)L；(3)把 0到Nmax之間的數(shù)據(jù)均分成L=20等分；(4)計算組間的間隔：ΔL= (Nmax-0)/L= (1440-0)/20 = 72。

統(tǒng)計落入各組的頻數(shù)Δfi和頻率fi=Δfi/n，n=184。將各組頻率除以組距ΔL，作為縱坐標；橫坐標為故障間隔時間組中值，做成故障間隔時間密度函數(shù)散點圖，如圖1所示。

圖1 故障間隔時間密度函數(shù)散點圖

將累積頻率作為縱坐標，故障間隔時間作為橫坐標，做成故障間隔時間分布函數(shù)散點圖，如圖2所示。

圖2 障間隔時間分布函數(shù)散點圖

由此兩條散點圖曲線的形狀，對照常用故障間隔時間分布模型的形狀，故障間隔時間的密度函數(shù)曲線呈單峰型，分布函數(shù)曲線呈凸型，沒有拐點，與常用分布曲線加以比較，得出對數(shù)正態(tài)分布比較接近其分布類型，可以初步判斷所抽取樣本總體屬于對數(shù)正態(tài)分布。

3.1.3 故障間隔時間分布函數(shù)參數(shù)的估計

可用正態(tài)分布的數(shù)值分析方法進行分析。用極大似然法對參數(shù)u，σ2進行估計。由上面的數(shù)據(jù)進行計算分別可得：

將其代入得故障間隔時間分布函數(shù)為：

則故障間隔時間密度函數(shù)f(t)為：

由圖3和圖4對比可知，由于在計算時考慮到計算量的原因，把數(shù)據(jù)分組較少，在故障間隔時間較小時誤差較大，散點圖與擬合圖基本吻合。

圖3 故障間隔時間密度函數(shù)散點圖與擬合圖

圖4 故障間隔時間分布函數(shù)散點圖與擬合圖

3.1.4 故障間隔時間分布函數(shù)假設(shè)檢驗

3.2 無菌灌裝一體機FMECA分析

可將無菌灌裝一體機分為瓶夾系統(tǒng)、主軸箱、分配器、灌裝頭、氣缸、機架、理蓋器、壓蓋頭、電氣系統(tǒng)、伺服控制單元、潤滑系統(tǒng)及其他。根據(jù)故障數(shù)據(jù)信息，進行故障部分統(tǒng)計分析可知，瓶夾系統(tǒng)是故障發(fā)生最頻繁的部位，而且它的故障頻率遠高于其他部位。故障發(fā)生最頻繁的部位分別是瓶夾系統(tǒng)、壓蓋頭、伺服控制單元、電氣系統(tǒng)、灌裝頭、理蓋器。對故障模式統(tǒng)計分析見表2。

綜合無菌灌裝一體機的故障部位和故障模式分析可以得出：(1)機械部位的故障遠高于分配器、電氣和潤滑系統(tǒng)。而機械部分，最容易發(fā)生故障的是傳瓶系統(tǒng)；(2)無菌灌裝一體機故障頻率最高的是緊固件松動，其中最頻繁的故障模式是瓶夾部件。

表2 故障模式的統(tǒng)計分析

3.3 無菌灌裝一體機故障后果分析

對故障影響后果進行量化分析，即對設(shè)備的危害程度進行分析，按照每一故障模式的嚴重級別及嚴重程度或發(fā)生概率的綜合影響來研究故障模式。零部件對整機的危害程度為：

式中：n為零部件出現(xiàn)的故障模式種類數(shù)；αij為零部件i以故障模式j(luò)而引發(fā)故障的故障模式概率； ni為零部件i第j種故障模式發(fā)生的次數(shù)；Ni為零部件i全部故障概率發(fā)生的總次數(shù)； βij為零部件i以故障模式j(luò)發(fā)生故障造成該損傷的概率；λi為零部件i的基本故障率。

3.4 維修決策

預防維修是為了降低設(shè)備失效的概率或防止功能退化，按預定時間間隔或按規(guī)定準則實施的維修。在此運用費用最小準則確定設(shè)備合適的預防維修周期，將預防維修中修復未發(fā)生故障的零件費用記為W1；修復已發(fā)生故障的零件費用記為W2，R(t)為灌裝一體機零部件的可靠度。計算單位時間維修費用為為了得到費用最小情況下的最佳預防維修周期T，只需對上式兩邊對T求導得則可知只有當事后維修費用大于預防維修費用W2＞W(wǎng)1且λ(t)隨時間遞增時，預防維修才有意義。

4 結(jié)語

對無菌灌裝一體機進行了可靠性分析及故障模式、影響分析計算，對設(shè)備的維修管理提供了重要理論依據(jù)。采用RCM能對設(shè)備為何發(fā)生故障以及每種故障發(fā)生的原因有所了解，在提高設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)上降低日常維護工作量，顯著降低維修費用。