周宇菘
湖南惟创环境科技有限公司，湖南 长沙
摘 要：针对卷烟机中具备耗损特性的机械零部件——切烟刀盘的寿命时间数据的收集、归纳，运用威布尔分布寿命分布和贝叶斯条件概率理论，建立预防性维修周期方法和预防性检测维修周期模型。通过对切烟刀盘的预防性维修影响因素分析，表明：应用寿命统计特性数据确定两种分别基于失效率和可靠度的预防维修周期模型，可以有效指导开展预防维修，降低维修成本，为预防性维修提供科学依据。
关键词：卷烟机; 切烟刀盘 ; 预防性维修周期 ;寿命统计特性
1 引 言
卷烟机是烟厂的重要生产设备，具有运行速度高、部件多、零件精度高特点。当烟厂生产时，一旦卷烟机因故障造成停机，则会对整个生产造成很大负面影响。因此，为了保证设备的正常运行，生产企业对卷烟机的维护非常重视，设立了制度、采取了多种手段来保障设备正常运行，其中手段之一是提高设备易损件更换频次。然而，在设备故障率下降的同时，也带来了维护成本过高的新问题。尤其当卷烟机是进口设备时，该现象尤为突出。以孟加拉ABUL KHAIL TOBACCO CO.LTD为例，该烟厂采用德国DECOUFLE-3D85型卷烟机，最大产量8500支/min，厂方由于技术力量有限，对更换或维修关键零部件的时机掌控不好。生产中，通常在判断不准确的情况下，均采取提前更换方式来换取设备正常运行，导致厂方最后不堪进口零部件的高昂费用，严令禁止提前更换，其结果是：由于受损零件得不到及时更换，最后导致卷烟机基本无法正常运行，生产效率越来越低。由此看出，在保障设备正常运行的前提下，如何能及时有效地分辨出关键零部件寿命状态，并在最合理的时机进行更换和维修，是充分体现零件投入与产出价值比的关键因素。
那么，如何选择最佳的时机？通常情况下会采用经验法，但运用科学的“以可靠性为中心的维修分析”也是一个值得借鉴的方法。
本文寻求一种有效方法，有助于管理、操作人员对零部件损耗性进行筛分，分辨出符合威布尔分布寿命分布的易损件，并加以重点观察并预判，使该类型零件在接近寿命周期时，能得以有效及时更换、维修，既做到既保障设备正常运行，也能对费用做到合理控制。
对此，笔者在卷烟机设备管理中，通过长期积累并记录了该型号卷烟机关键零部件的寿命周期数据，借助“以可靠性为中心的维修分析”理论，加以分析并运用，收到良好效果。
2 “以可靠性为中心的维修分析”（RCM）
维修活动按照目的与时机划分，可分为预防性维修和修复性维修。修复性维修是针对已经发生故障的设备进行的维修，属于事后维修。预防性维修则是在事故发生之前对设备提前进行预防性检修，使其保持在规定的技术状态，消除故障隐患，防患于未然。一般来说，预防性维修主要适用于故障后果影响较严重的情况。所以烟厂针对卷烟机预防性维修，通常是把故障后果严重的具有耗损特性的部件，经过一定使用期限后，均定为潜在故障部件而加以维修或更换。
但卷烟机结构复杂、零件繁多、运行速度高，但对运行可靠性提出很高的要求。因此，装配、维修过程中任意一个环节出现的装配精度失误，都将导致“早期故障”发生，使得设备可靠性水平下降，同时大量的维修工作量导致维修工时大幅上升，维修费用上升，设备故障率上升。
“以可靠性为中心的维修分析”（RCM）的预防维修方式的出现，大大提高了预防性维修的工作效率。其中检测更换周期是RCM中的核心，合理确定各部件的检测更换周期，实施有针对性的检修计划，不仅能够减少维修资源消耗、维修工时和维修成本的同时，保持烟草设备的可靠性和安全性水平。因此本文以RCM为基础，对烟草机电设备的预防性维修进行研究，为烟草机电设备的维修提供帮助。
3 预防性维修对象的鉴别
鉴别预防性维修对象的界限，应以失效率随时间上升为准则。当部件的失效率随使用时间增加而上升时，发生失效的概率就与日俱增。因此当失效概率（即不可靠度）上升到一定高度而尚未发生失效时，用新部件更换已经处于高失效概率的旧部件，可靠性就得到了保障。
由于三参数威布尔分布含有参数较多，因此应用范围较广。在实际应用中，多数具有耗损特性的机械产品，其寿命分布均可以视为服从威布尔分布。本文使用威布尔分布来描述部件的寿命分布。威布尔分布的可靠度函数如下所示：
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式中，－形状参数；－位置参数；－尺度参数。
威布尔分布可以描述失效率下降、上升或为常数的部件寿命分布。假设具有此种寿命特性的部件经过使用时间后，它在规定的任务持续时间内的可靠性条件概率记为。现在考察某部件经过累积使用时间后的可靠性条件概率和尚未使用过的新部件在任务持续时间内的可靠性概率之比，令比例系数为，即：
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根据的大小可以判断出预防性维修对该种部件是否有效。
根据条件概率公式，可靠性条件概率等于：
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现在用形状参数分别等于1、大于1和小于1代表不同寿命统计特性的部件来考察比例系数的大小。在工程实际应用中，任何部件的最小保证寿命不小于0，故设定位置参数=0，对两参数威布尔分布进行分析。后面讨论的都属于两参数威布尔分布。
(1)当形状参数=1时，比例参数=1。
此时新部件与旧部件的可靠性一样，用新部件更换旧部件的预防维修措施无效，白白浪费了旧部件。形状参数=1的寿命统计特性，实际上是失效率等于常数的负指数分布，这是绝大多数电子元器件的正常寿命特性。可见，电子元器件不需要也不应该进行定期更换的预防维修。
(2)当形状参数＜1时，比例参数＞1。
此时旧部件比新部件的可靠性高，用新部件更换已经使用过T时间的旧部件可靠性反而下降。形状参数小于1的威布尔分布，是电子元器件中的半导体器件的寿命分布特性。半导体器件在正常使用条件下寿命很长，使用过的器件的可靠性比新器件要高，并不意味着器件的寿命随使用时间而增加。新器件可靠性不如已经用过的旧器件，原因在于存在早期失效器件。
(3)当形状参数＞1时，比例参数＜1。
此时新部件的可靠性比旧部件高。此类寿命特性的部件，均是需要进行定期维护、、定期更换等预防维修的对象。这类部件通常称为“易损件”。卷烟机机械结构件中烟舌头、水松纸切刀、卷烟搭口烙铁，及以齿轮部件、轴承、活塞气缸运动部件等，其寿命均是形状参数大于1的威布尔分布。
对于单元失效率是常数的冗余结构，其失效率已经不是常数，而是使用时间的增函数，对这类系统必须进行预防性维修。不过此类系统是更换已经发生失效的冗余单元，使该系统由已经退化为非冗余结构的状态恢复到原来的冗余状态。
3 预防性维修周期的确定方法
预测维修对象的更换期，对于预防故障发生和节约费用都起决定作用。预防维修周期延长，可以节省人力物力，但发生故障的风险增大，因此要仔细分析，全面权衡。常用的方法有：
(1)直接观察法
这种方法凭借人的感官或测量仪表直接判断故障是否即将发生，可以通过定期观察来实现。这种观察的间隔频率应该随着潜在故障的劣化程度加强而加密。当劣化程度达到规定标准时，就是被观察对象的更换期。更换期的标准实际上又随故障后果不同而不同。故障后果具有的危害性较低时，规定更换劣化程度相对轻一些，否则，规定更换劣化程度相对严一些。这样既可以预防故障发生，又可使潜在故障部件得到充分利用。
(2)寿命统计特性判断法
当预防维修对象既无可以观察到的潜在故障，又无失效前出现的先兆现象时，只能积累寿命统计数据，进行统计分析。
先从寿命数据中求出均值和方差：
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式中，－函数。
根据确定的威布尔分布参数，利用给定的预防性检测维修周期模型就可以确定出相应的耗损性部件的预防性维修周期。
本文重点研究寿命统计特性判断法，后文论述以此为基础。
4 基于寿命统计特性的预防性检测维修周期模型
4.1给定失效率时的检测维修周期模型
检测维修周期应以失效率随时间上升为准则。当部件的失效率随使用时间增加而上升时，发生失效的概率就与日俱增。因此在给定部件的失效率之后，根据失效率确定产品的检测更换周期。检测维修或更换周期由下式确定：
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4.2给定可靠度时的检测维修周期模型
检测维修或更换周期应以满足规定的可靠性要求为准则。对于间断工作的任务剖面，可靠性以任务可靠度为准则，检测维修或更换周期由下式确定：
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5 应用案例
5.1 研究对象确立
以下，以德国DECOUFLE-3D85型卷烟机中的一个重要的零部件——切烟刀盘为例。运用“以可靠性为中心的维修分析”理论，加以分析并运用。分析前提：对研究对象（零件）应有长期的数据积累。
5.2数据收集
经统计：切烟刀盘部件要求预防维修之后，持续工作时间为200h和250h时其任务可靠度分别不低于90％、95%、99％。为了确定预防维修检测周期，收集了50个寿命数据。
5.3分析与计算
对于该耗损性部件，其寿命分布完全可以用威布尔分布拟合，因此假设该耗损性部件寿命服从威布尔分布，利用收集的数据确定该耗损性部件的预防维修检测周期。主要参数计算结果如下：
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5.4结论
从表1可以看出，同样的任务时间条件下，要求的可靠度越高，则预防检测周期越短，这同我们直观的感受是一致的。当要求同样的可靠度所需的任务时间较长，即更长的任务时间仍要达到同等的可靠性水平，则要求的可靠性越高，对应的预防检测周期越短。
当采用基于可靠度下降到一定值对应的使用时间作为预防检测周期的策略时，满足200h要达到90％的任务可靠度要求时，需使用200h就要开展预防检测，而200h远远小于551h，采用这种策略将会大大增加维修成本，造成维修资源的浪费，频繁的检修有可能会因为操作、装配的“失误”增加“早期故障”。因此，采用本实例方法确定的预防检测周期可以大大降低不必要的预防维修成本，减少维修资源的浪费。
6 结束语
本文针对卷烟机的切烟刀盘的损耗特性，运用威布尔分布，建立了检测维修周期模型，通过实例预测了的预防性维修周期，是一种值得参考和运用的维修方法。但由于每个烟厂的具体情况不同，设备种类多样、结构复杂，其零部件的耗损特性也显现出不同的易损特征。运用中应具体问题具体对待。
同时，上述分析是基于被研究设备及其零部件处于正常工作状态下进行的。在此基础上，才能分辨出符合威布尔分布寿命分布的易损件作为特定研究对象。这是采用寿命统计特性采取预防性维护的前提。所以，笔者在ABUL KHAIL TOBACCO CO.LTD对卷烟机切烟刀盘的分析，也是建立在将设备恢复至良好状态并长期维持在这种状态下进行的。
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