维修及可靠性管理

设备的维修管理一.基本概念

维修：维持和恢复设备的额定状态及确定和评估其实际状态的措施。维修是维护、检查及修理的总称。（德国工业标准DIN31051）维护是对现有设备的保养及日常管理，使设备在正常条件下最大限度地发挥其功能。检查是确定和评估设备实际状态的措施，由于查明和确定设备的磨损并对设备实际状态与额定状态的差别进行评估。修理是恢复设备额定状态的措施。修理可用于消除设备产生的机械磨损，恢复其正常履行功能的能力，是企业维持简单再生产的最基本手段。11-84

维修的必要性在于：任何形式的设备在使用过程中都不可避免地存在有形及无形磨损，在特定条件下，设备即使未投入使用，但经过一定时间后，其功能也将逐渐消失。维修除对设备的磨损与消耗在物资形态上给予补偿外，还补偿了其经济价值。从投资观点来看，每一次维修都是一次价值上的补偿与追加，也是唯一可以替代设备重新筹措的方法。这种价值量上的补偿与追加是企业生产经营所必需的条件。从技术上、经济上来看，对磨损及消耗的设备进行物资形态上的补偿及价值形态上的追加，便存在一个决策优化的问题。何时进行维修，维修到何种程度，也就是维修计划和维修层次的问题，连同维修组织等因素便构成了一种策略上的考虑，将其规范化后21-84就形成了不同的维修策略。

维修策略（Strategy）：为实现确定的维修目标而制定的的总体方案的计划与实施。

常用的维修策略有基于时间或工作量的维修策略；基于故障的维修策略；基于状态的维修策略。第一种通常为预防维修模式，第二种为事后维修模式，第三种则为状态监测维修模式。在企业中三种策略都不可或缺，对于一般设备或故障损失较小的设备可采用基于故障的策略，主要生产设备可采用基于时间、工作量的策略，亦可采用基于状态的策略，对于涉及安全、环保或流程生产的设备则可采用基于状态的策略。

31-841995年德国汉诺威大学34家企业进行的调查表明，约有50%的企业实施事后维修策略（最高90%，最低5%），32%实施预防维修策略（最高90%，最低5%），18%实施状态监测维修策略（最高60%，最低5%）。维修不仅与企业自身的经济效益息息相关，而且对国民经济的发展也起着重要的作用。在美国汽车维修业提供的就业岗位较之汽车制造业要多10倍；在联邦德国，在某些自动化程度较高的企业中，从事设备维修的员工占全体员的20%，用于维修方面的支出占企业总支出的6～12%，全国用于维修的投资每年达41-844～5千亿马克，占其国内生产总值的13～15%。1990年10月召开的欧洲国家维修联盟第10届年会上就明确提出“维修—为了未来的投资”的概念，改变了以往认为设备维修属于局部更新，是恢复性投资的狭义观点，将其引伸为为企业生存和发展，赢得市场竞争和经济效益的长期性、战略性投资。从可持续发展的观点来看，维修也是一项关键性技术。可持续发展要求经济的发展速度与自然界的再生能力相适应，这就要求：闭环是生产循环和生产系统，如生物圈那样；物品的长使用寿命；

51-84对物品的使用寿命或寿命周期施加影响；

优化各种物资和资产的保存（提高资源利用率）；回收之前的再利用（以“避免产生废物”代替“废物的再生”。达到上述目标的途径可以是：产品的再利用（维修作业的目标）；原材料的回收利用。上述途径的共同目标都是在经济过程和消耗过程终结时减少对原材料的需求和废料的生成量。

61-84

产品寿命周期包括延长产品寿命和使用时间两方面内容。就时间而言，产品寿命总是位于原材料循环之前，因时间和使用两者造成的材料及能源的磨损与消耗所导致的失效是一种固有的、不停顿和不可逆转的过程。对磨损和消耗过程施加影响是以未来使用为目的的维修的原定职能，所以，从投资的观点来看，维修就如同购置新的资产。此外，通过诸如改进设计和现代化改装等手段，维修可以使资产的利用更加强化。维修还可以为避免产生废物作出贡献。制造产品71-84而不产生废物，这是生态工业所追求的目标，而没有维修工程在模拟和消耗过程方面的研究成果是不可能实现的。这些成就体现在：1、改进产品的设计：改型（重新制造）和改进装备（修改设计，现代化改装）；实现产品的多功能化：采用标准化设计；提高产品维修性。2、通过维修人员的高质量作业取代使用新的资源。3、“把使用时间视同产品”，以此作为对产品在其整个寿命周期内所承担的责任，同时也作为通过维修手段达到所要求的可利用率的职责，这些职责由

81-84制造厂商承担。4、减少制造和退役（报废）的费用。从可持续发展的观点来看，系统维修的目标应该是：技术上可行；经济上合理；生态上允许：与各项法规相适应；符合社会/公众/政治的需要。

二.设备维修的参数系统

设备维修中的参数系统（或称指标体系）是维修管理目标的重要组成部分，借助于维修参数及参数系91-84统可对维修管理中某一环节的计划与实际情况进行评估和比较，为管理层在维修方面的决策提供依据。我国企业现有的以设备完好率为中心的参数体系已难以全面考核和评估新形势下维修管理中如费用控制、计划程度、劳动组织、物质管理等诸多方面的管理水平和经济效果，因而有必要对现有的参数系统加以补充和完善，使之适应新形势下维修管理工作发展的需要。维修参数体系可考虑由以下参数组成：1.维修费用参数：维修费用强度=×100%

101-84

维修费用强度表明单位生产费用中维修费用所占的比值，从费用上反映了企业维修工作的效果，也是考核和评估维修费用控制的参数。维修费用强度可由业财务部门加以统计并考核。主要生产设备维修费用强度=×100%备件费用强度=×100%

此两项参数表明设备单位重置价值所消耗的年度维修费用及备件费用，从费用上反映了主要生产111-84设备年度维修工作的强度及备件消耗的情况，可用于主要生产设备维修费用和备件费用控制的考核和评估。这两项参数可由企业财务部门及设备维修管理部门共同加以统计并考核。维修材料费用比=

×100%维修工时费用比＝

×100%121-84

上述两项参数分别反映了单位维修费用中维修材料及维修工时所占的比例，通过不同企业（部门）之间的考核可以分析、判断维修材料及维修工时费用的合理性，据此制订相应的费用控制措施。这两项参数可由企业财务部门及设备维修管理部门共同进行统计并考核。

单位产品维修费用=

×100%

维修工人工资费用率=

×100%

131-84维修管理人员工资费用率=×100%维修人员人均设备重置价值=×100%2.维修计划参数维修计划程度=×100%

141-84维修计划程度以企业内部用于计划维修的费用在实际发生费用中的比值来表示维修工作计划程度的高低，可用于考核和评估企业预防性计划维修的状况及规模。这一参数可由企业的财务部门及设备维修管理部门共同进行统计并考核。维修费用预算偏差度=×100%151-84

维修费用预算偏差度表明了企业维修费用预算编制的实际效果，反映了费用的计划程度。计算的结果为正说明费用超支，反之则为节余。可用于考核和评估企业年度维修费用控制的情况，分析发生偏差的原因并为下一年度维修费用预算的编制提供依据。这一参数可由企业财务部门进行统计并考核。

计划维修实施率=

×100%161-84

计划维修实施率通过企业计划维修工时的实际完成值与计划值的比值反映了维修计划制订在工时上的偏差，可用于检查和考核本年度计划维修执行的情况并为下一年度编制维修计划（时间方面）提供依据。这一参数可由企业设备维修管理部门进行统计并考核。3.维修管理的组织参数人均固定设备资产价值

=

×100%

171-84

此项参数从维修人员人均分摊的设备固定资产价值（原值或重置价值）上反映了企业维修管理部门的工作效率，可用于企业内部相同生产部门或同行业不同企业之间的评估或比较。一般应由企业财务部门及劳动人事部门共同统计并考核。维修人员构成比=

×100%181-84

维修人员比例=×100%上述两项参数反映了企业维修管理部门的员工素质及数量构成情况，可用于企业内部各部门或不同企业之间的评估与比较。这两项参数应由企业劳动人事部门进行统计并考核。4.维修专业化参数外委维修费用比=×100%191-84

外委维修费用比是通过企业外委维修费用在企业总的维修费用中的比值来评估企业维修专业化的程度，既可用于同一企业不同年度的比较，也可用于不同企业之间的比较，比值越大则说明专业化维修程度越高。此项参数可由企业财务部门及设备维修管理部门共同加以统计并考核。维修集中化程度=×100%

201-84

此项参数反映了大型或特大型企业内部实施维修的集中化程度，在一定程度上也反映了企业内部维修的专业化水平，可用于企业内部不同年度之间或不同企业之间的比较。该项参数应由企业设备维修管理部门进行统计并考核。

维修管理参数系统应该是一种动态的系统，组成它的各项参数应该是根据实际情况不断补充、不断完善的。首先，管理参数应该着眼于降低成本、提高效益的一系列技术经济指标和企业生产经营的总体目标，而不仅仅是作为一种评比的手段；其次，参数的制订应结合企业实际，及时反映企管理的现实状况。211-84第一节基本概念

一.设备的可靠性

1.可靠性定义：产品在规定条件、规定时间内完成规定功能的能力。

规定条件：环境条件、使用条件、维护保养条件；可靠性工程在设备管理中的应用221-84

2.可靠度R(t)：产品在规定条件下和在规定时间内完成规定功能的概率。

可靠度表示为时间t的函数，其值在0～1之间。

固有可靠度R1：产品在设计、制造过程中形成的可靠度；使用可靠度R2：操作及维护保养条件降低固有可靠度的概率；

规定时间：通常指经济寿命（ELT,EconomicLifeTime);规定功能：设备应有的技术性能。

231-84

4.平均故障间隔期MTBF(MeanTimeBetweenFailures):可修复系统相邻两次故障之间正常工作的平均时间。

工作可靠度R0:产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。R0=R1×R2

不可靠度（累积故障概率）F(t)：产品在规定条件下和规定时间内不能完成规定功能的概率。

R(t)+F(t)=1R(0)=1,R(∞)=0;F(0)=0,F(∞)=1.241-84

瞬时故障率λ(t):

到某一时刻t为止尚未发生故障的产品在随后的dt时间内可能发生故障的条件概率；平均故障率λ：产品单位时间内发生故障的次数。。

平均故障间隔期常用来表示可修复系统的可靠性。

5.平均寿命MTTF(MeanTimeToFailure):

产品从开始使用到失效为止使用时间的平均值。

平均寿命常用来表示不可修复系统的可靠性。6.故障率：产品寿命期内发生故障的概率。251-84

2.维修度M(t)：产品在规定时间及规定条件下完成维修任务的概率。维修度即以概率表示的产品进行维修时的难易程度。

二.设备的维修性

1.维修性定义：给定条件下产品进行维修时的性能。

维修性是一项设计参数，维修则是其结果。维修性是通过可达性、易置换性、易拆卸性、易调节性等产品的内在特性加以实现的。维修性取决于：产品的规划设计、维修管理。261-84

三.

设备的有效度A(t)

1.定义：产品在规定时间内履行其功能的概率。

规定条件：备件及维修用设备、工具的准备、维修策略的选择、维修标准及相关技术资料的准备、维修人员的专业素质及劳动情绪、社会化协作条件等。

3.平均修理时间MTTR(MeanTimeToRepair)：

经多次故障修理而得到的修理时间的平均值。

相同条件下，平均修理时间越短则维修性越好。271-84

2.可靠度、维修度与有效度的关系

A(t,τ）=R(t)+［1－R(t)］×M(τ)=R(t)+F(t)×M(τ)=R(t)+△M(t,τ)

△M(t,τ):通过维修得到的有效度增量。

对于不可修复的系统，产品的有效度就是其可靠度；对于可修复系统，产品有效度则是其可靠度与维修度的统一表现形式。

提高可靠度，MTBF→∞，A→1;提高维修度，MTTR→0,A→1。281-84第二节可靠度函数

一.可靠度的基本函数式

由于可靠度是产品在某段时间内无故障运行的概率，故可靠度可以用时间t为随机变量的分布函数R(t)来表示。1.故障概率密度函数

2.累计故障概率密度函数291-84

f(t)F(t)R(t)0tti

二.可靠性工程中常用的概率分布

1.指数分布可靠度函数由不同的故障形式而服从不同的分布规律。机械设备中最常见的失效形式随机故障服从于指数分布规律。3.可靠度函数上式可用右图加以表示。4.故障率函数301-84

对于指数分布来说，故障是随机发生的，因而每个相同时间间隔内出现故障的几律是相等的，即指数分布中的故障率λ是一个常数。指数分布条件下，故障率λ与平均故障间隔期MTBF互为倒数，即：

指数分布下的可靠度函数:故障概率密度函数：f(t)=λe－λt累计故障概率密度函数：F(t)=1－e－λt可靠度函数：311-84

f(t)

f(t)=λe-λe

t(a)0t0.632

F(t)=1－e-λeF(t)0tt(b)

R(t)0.368R(t)=1-e－λe0tt

(c)

当工作时间t等于平均故障间隔期时，此时产品的可靠度为0.368，相应的不可靠度为0.632。即：

不同的检修周期将使使用中的产品具有不同的可靠度，检修周期越短，产品的可靠度越高。

321-84

例题：故障遵从指数分布的产品有10件，其故障前的工作时间分别为30、70、110、120、140、250、320、360、400、450小时，试求其平均寿命、故障率、工作300小时无故障的可靠度及可靠度为99%时的工作时间。解：平均寿命故障率=0.044工作300小时的可靠度=0.263=26.3%R=0.99时的工作时间331-84

θ:随机变量t平均值的估计值；σ:随机变量t方差的估计值。

2.正态分布

正态分布又称高斯分布。在数理统计的各种分布中居于首位。设备管理中主要用于描述磨损阶段的故障特性，轴承、齿轮、密封件等磨损件的寿命分布大多服从正态分布。

故障概率密度函数：341-84

…

一般用N(θ,σ2)表示正态分布。参数θ表示曲线对称轴距纵轴的距离，参数σ则决定曲线的形状，数值越大曲线越呈扁平状。如图示：

f(t)0θt351-84

参数θ=0、σ=1的正态分布，即N（0，1）称为标准正态分布，其故障概率密度为：

标准正态分布N（0，1）随机变量的标准离差u定义为：

标准正态分布的可靠度函数：361-84

例题：从某批故障服从正态分布的仪器中抽取5台进行寿命试验，各台仪器到发生故障的时间分别为10.5、11、11.2、12.5、12.8（103h），试求该批仪器工作12×103h时的可靠度。解：

371-84

求正态分布下的可靠度，只需求出参数θ、σ并据此求出参数u即可查表求出φ（u）值，在此基础上计算可靠度的数值。

3.威布尔分布威布尔分布是对指数分布和正态分布的扩展，指数分布是威布尔分布的一种特殊情况，正态分布则可运用威布尔分布作近似计算。对于疲劳和磨损而失效的系统，威布尔分布是最好的描述。威布尔分布的可靠度函数：

381-84

故障概率密度函数：

故障率函数：

m:形状参数；t0:尺度参数。m=1m=4m=3m=2f(t)0t

形状参数有改变威布尔曲线形状的作用，如f(t)曲线。当m=2～4时，威布尔分布的故障概率密度曲线形状接近于正态分布（m=3.3086时为正态分布）；m=1时，曲线呈指数分布。对于威布尔分布，改变m即可得到其它故障形式的函数式。391-84

只需求出参数m、t0即可计算产品的可靠度。实际应用中一般是通过威布尔概率纸加以估算。1).威布尔概率纸的结构原理：将式两边取自然对数，得：将其变形为：

两边再取对数：

令、、

使其具有直线方程的形式，即：Y=AX+B

401-84

2).威布尔概率纸的结构：a.两组坐标：

X轴和Y轴构成的直角坐标系。X轴：概率纸上边线，lnt；Y轴：概率纸右边线t轴和F(t)轴构成的威布尔坐标系。t轴：概率纸下边线，对数坐标刻度；F(t)轴：概率纸左边线，威布尔刻度。b.横主轴：平行t轴，过F(t)=63.2%和c.纵主轴：垂直于横主轴，过t=1和lnt=0点。d.形状参数m值估算点：位于X轴（1）和Y轴（0）点。411-84

421-843)威布尔概率纸实用程序

a.作数据表。从实测数据(或按某段时间的统计数)求累积故障概率F(t),不同时间内的累积故障率为:

式中：Ki——到时间ti的故障累计数；n——设备或零件数目。求出Ki后，将不同的t值及相应的F(t)值列表：tt1t2tiF(t)F(t2）F(ti)F(t1)431-84441-84451-84

例题：某企业有100台设备，按1～10月份的故障统计，每月故障数和累积故障数如下表所示：试用威布尔概率纸求m、t0、λ（10）、R(10)的值。

月份故障数累积故障数累积故障率F(t)月份故障数累积故障数累积故障率F(t)

1333%622222%2366%783030%341010%823232%451515%984040%552020%1024242%461-84471-84解：将表中数据描在威布尔概率纸上，将各点拟合成一条直线，如图所示，可求得：形状参数：m=1.35尺度参数：t0=38.5

481-84

第三节设备故障分布的规律

一.设备故障分布的基本类型故障：产品丧失其规定功能的现象。

1.故障率递减型：故障率λ(t)随时间增加而单调降低，出现于产品的磨合阶段。2.故障率恒定型：故障率λ(t)=常数，与时间无关，出现于产品的正常使用阶段。3.故障率递增型：故障率λ(t)随时间增加而逐步上升，出现于产品使用后期的磨损阶段。在递减型中，故障的出现通常是由于产品的结构、制造工艺、装配质量及材料上的缺陷造成的；491-84

对于恒定型故障来说，故障形成的原因完全是随机的，没有一种特定的故障机理在起主要作用。故障密度函数呈指数分布。故障是由使用不当、操作疏忽、维护不良造成的，由于发生故障的时机难以预测，因而事前更换零部件的意义不大。递增型的故障是由产品耗损及老化引起的，故障一般集中在某一段时间内发生，其故障密度函数近似于正态分布。三种类型的λ(t)、f(t)曲线形态如图示：f(t)f(t)f(t)Λ(t)Λ(t)Λ(t)ttt递增型递减型恒定型000501-84

二.设备故障发生的规律

1.浴盆曲线：故障率变化三阶段：初期故障期、偶发故障期、磨损故障期。偶发故障期初期故障期磨损故障期Λ(t)t0

1）初期故障期：发生于设备投产前的调整或试运转阶段。故障较多，故障率较高，随着磨合及故障的排除，故障率逐步降低并趋于稳定。511-84

2）偶发故障期：发生于设备正常使用阶段。故障率较低，为一常量。故障不可预测，不受运行时间影响而随机发生。3）磨损故障期：发生于设备使用后期。由于机械磨损、化学腐蚀及物理性质的变化，设备故障率开始上升。初期故障期的故障形态反映了产品设计、制造及安装的技术质量水平，也与调整、操作有直接关系。对于大修及改造的设备，初期故障率则反映了大修或改造的质量。偶发故障期是设备的最佳工作期，即设备的有效寿命。除设备本身质量外，管理在很大程度上决定了这一阶段持续时间的长短。521-84B0B1B2ⅡⅠⅢλ0λλ1λ2λ3T0T1T2对于进入磨损故障期的设备，应及时进行修理或改装，以延长设备的使用寿命。故障发生的三阶段分别对应于故障率递减型、故障率恒定型及故障率递增型。2.设备全寿命周期特性曲线：Λ*t0531-84

设备全寿命周期特性曲线由若干个浴盆曲线组成。由于大修未改变原设计结构，也未提高其固有可靠度；大修仅更换了磨损严重的零部件，其余未经更换的某些零部件继续使用将容易造成损坏；大修的各项技术标准一般低于制造厂家的制造标准，因而大修设备质量及可靠性要低于新设备。大修后浴盆曲线的变化：最高及最低故障率

偶发故障期541-84

如按固定的大修周期安排大修计划，将造成前期维修过剩，后期维修不足。因此应按设备的实际状态科学、合理地制定大修计划。第四节设备的可靠性管理一.设备系统的可靠度计算

1.串联系统设备系统中只要有一个子系统发生故障，将造成整个系统的故障。…

大修周期551-84

并联系统中，系统可靠度大于任意子系统的可靠度。并联系统在液压、自动化及电子设备中得到广泛应用。3.串、并联系统

串联系统中，系统可靠度小于任意子系统的可靠度。机械设备中如减速器、变速箱等都是典型的串联系统。2.并联系统设备系统中，只要一个子系统在起作用就能维持系统的功能。561-84串、并联系统由串联部分子系统及并联部分子系统组成。计算时应首先将系统中的并联部分简化为等效的串联部分，然后再按串联系统加以计算。

二.可靠度目标值的确定与分配

企业生产计划的完成在很大程度上取决于生产设备的有效度(可利用率)，而有效度又是可靠度与维修度的函数，因而对主要生产设备应确定其工作可靠