浅论机械系统的可监测性设计理论

车彦奇等

摘要：机械系统是人类用于转换能量和减轻体力劳动，改造自然提高生产效率的主要工具，是国民经济经济支柱的基础，是生产力发展的重要标志。其机械产品的性能和制造水平是一个国家综合实力的象征。而机械系统监测状态的水平与机械系统的设计、加工、装配直至使用、维护、保养的全过程息息相关。本文从机械系统的可监测性设计的必要性、可行性出发，对其研究内容和意义进行了分析。

关键词：机械系统；可监测性设计理论；意义

机械系统的可监测性设计理论研究对提高机械系统产品性能和市场竞争力具有重要意义。在产品设计之初就考虑监测问题，将可监测性设计纳入产品功能设计、可靠性设计、安全性设计、保障性设计、维修性设计等同等重要的位置，将大大提高机械系统的监测水平和准确性，为机械系统的监测与诊断奠定基础，进而推动我国机械设备故障预测与健康管理发展提供必要的条件。

1.开展可监测性设计的必要性

首先，機械产品设备及其系统不断向大型化、复杂化、集成化、高参数化和自动化方向迈进，其工作条件的要求越来越高，设备维修越来越复杂困难，这对机械产品设计提出了更高的要求，同时用户对产品的可靠性、智能化水平要求越来越高。

其次，由于产品设计之初未考虑监测问题，致使大部分机械系统的可监测性差，往往造成状态信息的采集困难，即使采集到了数据由于监测点位置的选取不当而数据对系统状态的反映的敏感度却不高，有时甚至无法获取。如在众多大型机械系统存在很多重要、关键的设备需要开展监测，且可使用的监测的技术手段也有多种，但由于该系统在设计建造时忽略了该设备完成监测诊断所需的基本条件，没有设计安装必要的监测设备或没有预留监测所必须的测试部位或接口，这就导致了许多需要重点监测的设备无法进行有效地监测或是监测到的数据不够直接准确并不能反映系统的真实状态。

2.开展可监测性设计的可行性

首先，计算机技术、网络技术、传感器技术、智能技术的快速发展，为监测性设计的进行提供了可靠的硬件和软件基础，其常规性能、振动、噪声、瞬时转速、油液监测等技术在许多机械系统状态监测中广泛应用积累了丰富的经验和数据，且有些已可实现系统在线监测的需要。

其次，所有的机械系统都具有机械产品存在的明显劣化衰退过程，当其非正常工作状态时，就会表现出或监测到磨损、振动、温度等方面的异常现象，从这些异常现象入手，可以判断出产品的健康水平。纵观机械系统的失效形式，从系统工程学的观点出发，运用摩擦学知识和理论，该系统可看作一个复杂的摩擦学系统。它具有显著的时变性和系统依赖性。这就为系统提供了监测的可行性，而且从监测的角度获得参数随时间变化的特征比获得参数即时绝对值显得更为重要。

3.可监测性设计的研究内容

可监测性设计是对系统的设计而非单一部件的设计，所以可监测性设计可以理解为是在系统、分系统、设备、组件和部件的综合设计过程中，综合考虑系统运行过程和各种监测技术手段方法基础上，并完成系统监测的可观性、可达性而进行的内部监测和外部监测设备的设计安装，实现系统状态监测的全寿命周期的设计过程。

第一，可监测性设计相关术语研究。该部分主要是结合CMFD技术、PHM技术、机械现代设计理论、机械故障机理、机械失效理论等，采用科学调研、工程化项目总结提炼、领域专家研讨等手段，系统研究机械系统状态监测与现代设计基础理论知识，借鉴机械系统可靠性设计、维修性设计等理论体系的经验，构建可监测性设计体系的基本术语的组成、标准定义、内涵及外延等内容。

第二，可监测性分配方法研究。测点的选取是可监测性设计的关键，直接影响可监测性设计实施的效果。可监测性分配方法即系统监测点优化布置方法研究。主要是借鉴可靠性、维修性分配方法理论，以机械系统高可靠性、高安全性和智能化为目标，以获取反映机械系统运行状态的准确可靠数据为准则。研究基于层次分析理论、FMECA 分析、故障树分析理论及最优化理论等的机械系统监测点优化布置方法，构建监测点选取策略和基本选取原则，并制定传感器选取的原则和策略，形成机械系统可监测性优化分配方法体系。

第三，可监测性设计方法研究。该内容主要是在深入调研了解机械系统设计方法的基础上，结合可靠性设计方法、可维修性设计方法、保障性设计方法等制定可监测性设计的设计准则、可监测性设计的实施细则，运用并行工程思想和全生命周期设计理论综合考虑效益原则、安全性原则、可靠性原则、危险性原则建立可监测性设计综合优化方法体系，开展可监测性设计的工程化实施方法指导。

第四，可监测性设计评价研究。实施科学评价是可监测性设计实施的关键，它贯穿于可监测性设计的整个过程，包括设计阶段的评价、生产阶段的评价和使用阶段的评价等。该部分主要是结合当前系统评价理论和方法，收集相关数据建立基于各特征参数不完全信息情况下的机械系统可监测性设计的评价参数体系，进而构建系统可监测性设计各阶段的评价模型，形成可监测性设计各阶段的评价体系和评价方法。

4.开展可监测性设计的意义

可监测性设计作为产品性能设计的重要组成部分，是实现系统状态监测故障诊断的重要的基础和关键环节。该理念的应用和实施是实现机械系统视情维修决策的基础，可大大提高机械系统的故障预测与健康管理的能力，为以可靠性为中心的自治维修的实施奠定了基础；可监测性设计大大提高了系统监测的准确性，对提高系统状态监控技术、降低维修成本、节省保障费用开支有重要意义。该理念的应用实施与系统设计开发、安全可靠、维修后勤保障和生命周期成本息息相关，是实现系统可靠性、维修性、安全性、保障性、经济性的一种关键技术。

在产品设计之初就开展可监测性设计工作，充分考虑机械系统的可监测性，使系统具备良好的可监测性。这种系统将具备良好的性能监控、故障监测诊断与预测和故障定位能力，大大减少故障诊断与定位的时间，降低对维修保障人员的技能要求，提高完成任务的可靠性，加强机械系统的使用效能，降低机械系统全寿命周期的维修保障费用。