淺談應(yīng)用狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行軸承可靠性評價(jià)

屈世棟，蔡國娟

（中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271）

石油化工企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，設(shè)備隱患、程序遺漏等因素，都可能引發(fā)危及自身和周邊環(huán)境的事故。傳統(tǒng)RCM分析提供給用戶的主要是一個(gè)包含設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、設(shè)備故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和針對風(fēng)險(xiǎn)故障模式檢修維護(hù)策略的報(bào)告，是一個(gè)靜態(tài)過程，時(shí)效性不強(qiáng)。為滿足石化企業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備長周期運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，將轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)融入可靠性分析中，開展基于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的設(shè)備可靠性評估方法優(yōu)化研究，在提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性并降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本等方面成為一種有效的工具。

1 可靠性評價(jià)基礎(chǔ)模型

1.1 比例故障率模型

將比例故障率模型應(yīng)用于可靠性工程領(lǐng)域具有其自身的優(yōu)勢。比例故障率模型具有的性質(zhì)是不同個(gè)體的失效率函數(shù)成比例。應(yīng)用基于振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的可靠性評估模型能獲得設(shè)備在任何運(yùn)行狀態(tài)下的可靠度。該可靠性評估模型將設(shè)備故障率、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)聯(lián)系起來，對設(shè)備關(guān)鍵部件運(yùn)行可靠性參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。模型定義如下：

其中，h(t;Z)為故障率；h0(t)為基本故障率；Z為關(guān)鍵部件狀態(tài)變量；Y為狀態(tài)變量對設(shè)備故障率的影響。

應(yīng)用以上比例故障率模型能獲得設(shè)備的可靠度，進(jìn)行預(yù)防性維修決策。

1.2 威布爾比例故障率模型

基于威布爾分布的比例故障率模型克服了傳統(tǒng)的威布爾分布在可靠性工程應(yīng)用上精度低的缺點(diǎn)。應(yīng)用威布爾比例故障率模型能對設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行失效建模，開展設(shè)備壽命可靠性分析。

兩參數(shù)威布爾分布故障率模型為；

式中，β為形狀參數(shù)；η為尺度參數(shù)。

威布爾比例故障率模型：

威布爾比例可靠度函數(shù)R(t;Z)表示為：

2 基于狀態(tài)數(shù)據(jù)的軸承可靠性評估實(shí)例

目前，大部分石化企業(yè)均實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵機(jī)泵在線監(jiān)測全覆蓋。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取軸承的振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)振動(dòng)幅值的大小、變化趨勢、振動(dòng)信號(hào)中的特征成分以及各種時(shí)域評價(jià)指標(biāo)來反映軸承的各種失效模式。常用的軸承的時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如峭度、方均根、峰值、歪度等，將軸承的峭度、方均根應(yīng)用于威布爾比例故障率模型，進(jìn)行軸承可靠性評估。

某石化催化裝置P-2003A泵驅(qū)動(dòng)端滾動(dòng)軸承，振動(dòng)加速度采樣時(shí)間為2h，按照1天為時(shí)間間隔計(jì)算軸承可靠度。通過加速度振動(dòng)信號(hào)得到與軸承衰退過程密切相關(guān)的兩個(gè)指標(biāo)：峭度值和方均根值。則軸承的威布爾比例故障率模型為：

式中，Z1為峭度值；Z2為方根均值。

圖1和圖2分別表示泵P-2003A驅(qū)動(dòng)端滾動(dòng)軸承在不同振動(dòng)狀態(tài)下的峭度和方均根值的變化趨勢。

圖1 狀態(tài)1時(shí)的均方根及峭度

圖2 狀態(tài)2時(shí)的均方根及峭度值

應(yīng)用比例故障率模型的極大似然評估方法，得到軸承在兩種狀態(tài)下的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，如表1所示。

表1 軸承在狀態(tài)1、2時(shí)參數(shù)估計(jì)的結(jié)果

圖3、圖4是應(yīng)用威布爾比例故障率模型得到的兩種狀態(tài)下滾動(dòng)軸承可靠性評估曲線?？梢钥闯稣Ｕ駝?dòng)狀態(tài)1時(shí)的可靠度為0.99左右，且趨勢平穩(wěn)，說明可靠性較高。振動(dòng)超標(biāo)狀態(tài)2時(shí)的可靠度為0.64左右，可靠性下降較多，且出現(xiàn)波動(dòng)。結(jié)合振動(dòng)加速度頻譜分析判斷：振動(dòng)狀態(tài)2時(shí)極有可能為內(nèi)圈突發(fā)剝落所致。建議盡快檢查泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)情況，關(guān)注軸承是否有異響。現(xiàn)場按照檢查結(jié)論，及時(shí)切換備泵，檢查該泵驅(qū)動(dòng)端處的軸承情況，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈已經(jīng)發(fā)生環(huán)形剝落，剝落范圍已達(dá)半圈，軸承剝落情況如圖5所示，與判斷結(jié)果完全一致，避免了一次非計(jì)劃停車事故的發(fā)生。通過實(shí)時(shí)采集軸承振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，自動(dòng)監(jiān)測軸承可靠度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評價(jià)，為設(shè)備的預(yù)測/預(yù)防維修提供技術(shù)支持。

圖3 正常狀態(tài)時(shí)的可靠性評估曲線

圖4 振動(dòng)超標(biāo)狀態(tài)時(shí)的可靠性評估曲線

圖5 軸承剝落實(shí)物圖

3 結(jié)語

利用威布爾分布比例故障率模型進(jìn)行軸承可靠性動(dòng)態(tài)評價(jià)，可以把表明設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征的方均根、峭度值與可靠性統(tǒng)計(jì)學(xué)之間建立聯(lián)系，為實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的預(yù)測、預(yù)防維修提供技術(shù)支持。