大型机电设备健康状态评估方法研究.pdf

第 4 l卷 第 1 期 2 0 1 5年 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 1 NO ．1 J a n ．2 0 1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 1 0 0 0 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 2 李晋 ， 朱强强 ， 范旭峰， 等． 大型机电设备健康状态评估方法研究E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 1 6 - 9 ． 大型机电设备健康状态评估方法研究 李晋 ， 朱 强强 ， 范旭峰 ， 孟 阳 ， 陈思安 天地 常州 自动 化股份 有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 1 2 5 摘要 根 据 大型机 电设备 健康 状 态评估 的 复杂性 和 影响 因素的 非 线性 、 模 糊性 及 灰 度 性特 点 ， 从 设 备 的 产 品质量 、 运行 工 况 、 历 史数 据 3个主要 方 面构 建设备 健康 状 态评判 指标 体 系， 并设 计 了基 于模 糊 一 灰 度 一变 权 求和 的分层 设备 健康 状 态综合 评估模 型 。选 用矿 用带 式输送 机 对综合 评估模 型 进行 验证 ， 结 果表 明 ， 运 用 该 模型得 出的评估 结 果与设 备 实 际运 行情 况相 吻合 ， 该模 型对 于 大型机 电设 备 的健 康状 态评 估及 安 全 生产 具 有 一 定 的 实 际 意 义 。 关 键词 机 电设备 ； 健 康状 态评 估 ；评 判指标 ； 评 估模 型 ； 模 糊灰 色评 判 法 中图分类 号 T D6 7 文 献标 志码 ； A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 1 0 5 1 6 2 2 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 1 0 5 ． 1 6 2 2 ． 0 0 2 ． h t ml Re s e a r c h o f he a l t h s t a t u s e v a l u a t i o n me t h o d f o r l a r g e e l e c t r o me c h a n i c a l e q u i p me nt L I J i n ， ZHU Qi a n g q i a n g， FAN Xu f e n g， MENG Ya n g， CHEN S i a n Ti a n di Cha n gz h ouAut o ma t i o n Co． ，Lt d． ，Ch a ng z h ou 2 1 31 2 5，Ch i na Abs t r a c t Ac c o r d i ng t o c ha r a c t e r i s t i c s o f c o mpl e x i t y o f h e a l t h s t a t us e v a l u a t i o n of l a r ge e l e c t r ome c ha n i c a l e q u i pme n t ， a nd n on l i ne a r， f uz z y a nd gr a y s c a l e o f t he i mpa c t f a c t or s ， t h e p a pe r c o ns t r uc t e d e v a l ua t i on i n d e x s y s t e m of h e a l t h s t a t us o f e q u i p me nt f r o m t hr e e a s pe c t s o f pr o du c t q u a l i t y， op e r a t i on a l s t a t e s a nd hi s t o r i c a l d a t a， a nd de s i gne d s t r a t i f i e d c o m p r e he ns i v e e v a l u a t i o n m o d e l o f he a l t h s t a t us o f e q ui pme nt b a s e d o n f u z z y gr a y va r i a bl e we i gh t s u m ma t i on．M i ne us e d be h c o nv e y or wa s s e l e c t e d t o v e r i f y t he c o mpr e he ns i v e e va l u a t i on mo de l ， a nd t he r e s u l t s s ho w e d t ha t t he a c t ua l o pe r a t i o n s t a t u s o f e qu i p m e nt wa s c o ns i s t e nt wi t h t he r e s u l t s o f a s s e s s m e nt d e r i v e d u s i ng t he mo de 1 ． Th e c ompr e h e ns i v e e v a l u a t i on m o d e l h a s a n i mpo r t a n t a c t u a l s i gn i f i c a n c e f or h e a l t h s t a t u s e v a l u a t i on f or l ar g e e l e c t r ome c ha n i c a l e q u i pme n t a nd s a f e t y p r o d uc t i o n． Ke y wo r d s e l e c t r o me c ha n i c al e qu i p m e n t ； he a l t h s t a t us e v a l ua t i o n； e v a l u a t i on i nd i c a t o r； e v a l u a t i o n mo d e l ；f u z z y g r a y e va l u a t i on me t hod 0 引言 随着工业生产 的发展 ， 生产设备 的可靠性设计 水平 也得 到 了提 升 。在 这 种新 形 势 下 ， 继 续 沿 用 以 往 的定期 维修 模式 ， 可 能导 致 资 源 浪 费 和设 备 可 用 率 的降低 口 。 目前 ， 已广 泛 应用 的设 备 维 修 体 制 主 要有 计划 维修 、 事后 维修 、 预 知维修 。事 后维 修 和计 划维修都 已经不能适应现代化生产 的要求 ， 而预 防 维 修 主要 依 赖于早 期 落后 的计 算机 系统 和软件 来 记 录故障和评估设备 ， 由于缺乏可采集完整 、 连续数据 的数据 采集 系统 ， 预 测结 果 常 常 不 准 确 。随 着 监 测 手 段 的进步 和计 算 机 硬件 的发 展 ， 形 成 了更 为 完 善 的维修体制， 即状态维修 铷。实施状态维修的必要 前 提是 对设 备 的运 行 状 态 进 行 有 效 的评 估 。因 此 ， 准确可靠的设备健康状态评估是实施这种维修体制 的关键 。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 4 0 8 ； 修 回 日期 2 0 1 4 1 1 2 l ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 天地科技技术创新基 金资助项 目 KJ 一 2 0 1 3 一 T D CZ ～ 0 2 。 作者简介 李晋 1 9 8 5 ， 男， 山西大 同人 ， 助理研究员 ， 主要从事设备管理与状态监测等方面的工作 ， E ma i l l i j i n c a u a l i y u n ． c o rn。 2 0 1 5年 第 1期 李晋 等 大型机 电设 备健 康 状 态评估 方 法研 究 7 1 设 备健 康状 态评 估 指标 影 响大 型 机 电设 备 健 康 状 态 的信 息 类 型 很 多 ， 这些信息从不 同程度 、 不同侧面和不 同层次反映 了 设 备 运行 情况 的好 坏 。在 设 备 的状 态 评 估 体 系 中 ， 所选 的指标并 不 是 越 多越 好 ， 关 键 是要 考 虑评 价 指 标的代表性 。在具体选取每个指标 时， 应尽可能地 选取 一 些最 能反 映 设 备状 态优 劣 的典 型 指 标 ， 删 除 相对 次 要 的指 标 ， 并 保 证 每 个 指 标 的 可 测 性 、 完 备 性 、 独 立性 、 客 观性 、 灵敏 性及 一致 性 l 4 。本 文 深入 探讨 了设备 的产 品质量 、 运行 工况 、 历 史状 态 这三类 因 素 ， 建 立 了 设 备 健 康 状 态 评 估 指 标 体 系 ， 如 图 1所示 。 设备状态评估指标 产品质量 I l 运行工况 l I 历史状态 质 量 等 级 曩ll曩 Il lI ll ll差 II冀 图 l 设备健康状态 评估 指标体系 检 修 记 录 2设 备健康 状 态评 估模 型 模 糊评 判法 是 通过 构造 等级 模糊 子集 把 反 映被 评 事物 的模 糊 指标 进 行 量 化 即确 定 隶 属 度 ， 然 后 利用模糊变换原理对各指标进行综合 ， 因此能够用 于考 虑评 判 问题 中 的模 糊 因素 ， 而灰 色 评 判 法 适 用 于信 息不 完全 或 不充 分 的问题 。模 糊灰 色评 判 法可 以理 解 为将模 糊 理 论 、 灰 色 理 论 与 多 因 素决 策 相 结 合 的一种 决策 方法 ， 依 据评 价 因素 的特 点 ， 考 虑评 判 信息 的充 分性 ， 进 而构 造 出模糊 灰 色矩 阵 ， 最后 采用 模糊灰色算法得出设备的状态评估结果 ] 。 本 文探讨 的分层 模糊 灰 色综合 评 判方 法是 依据 评价 指 标体 系 ， 将 所 涉及 到 的 因素按 照产 品质 量 、 运 行 工况 和 历 史 状 态 划 分 为 三 类 。从 低 层 次 到 高 层 次 ， 逐层评判设备健康状态 的隶属度及信息的可信 度 。计算步骤如下 1 确 定 评 语 集 V一 { 7 d ， ， ⋯ ， ， 其 中 ， 表 示指 标 集 中子 因素 的灰 度 值 ， m 为 评 语 集 中包 含 的评语数。评语集是用于表征评估模型评判结果 的集 合 ， 机 电设 备 健康 状态 数 的划分 常 用 1 9级标 度法 。参照 相关 评 判标 准 及 实 际情 况 ， 将 矿 用 机 电 设 备 的健康 状态 划分 为 5个 等级 ， 见表 1 。 表 1 设备健康状态 等级 健康等级 状态描述 健康 正 常 故障早 期 故障中期 故障晚期 运行状态好 ， 各项指标合格 运行状态较好 ， 各项指标合格 运行状 态不 良， 指标基本合格 运行状况异常 ， 指标不合格 无法正 常运行 ， 指标不合格 2 设 r 表示模糊关系 ， 即指标 集的子因素 i 对评语值 的隶属度 i 一1 ， 2 ， ⋯， ／ K t ； J 一1 ， 2 ， ⋯， p ， P表示子 因素 的个数 ， 则根据图 1描述 的设备健康 状 态评 估 指标体 系 ， 分别 建立 基 于产 品质量 、 运 行工 况和 历史 状态 的单 层次模 糊 评判 矩 阵 R 一 3 在 确 定 模 糊评 判 部 分 时 ， 由于 受 实 际情 况 的限制 ， 收集到的信息量不足 ， 使得模糊评判结果具 有 一定 的不 可信 度 。基于 此 ， 对 矩 阵 R 中的 每个 元 素 引入 灰色 度 ， 并 依 据 信 息 的充 分 情 况 分 成 5个 等 级 ， 见表 2 。 表 2 设备 健康 状态因素灰色度 信息等级 状态因素灰色度 充 分 较 充 分 一 般 较 匮乏 很 匮乏 建立 单层 次模 糊灰 度综 合评 判矩 阵 R ．一 r 1 2， 1 2 r 2 2， 2 2 r 2 ， 7 2 2 r l p， 1 r p， 7 J 2 p 砌 ， 忡 2 式 中 为 r 的点灰 度 。 4 计 算模 糊评 判部 分 各 因素 权重 及 灰度 评 判 部分各指标点灰度值 W W 一 [ 口 1 ， 7 2 1 ， 口 2 ， 2 ， ⋯ ， n ， V ] 3 ● ● ● ● ● ● ； ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． L 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 式 中 “ 为 指标集 中子 因素 的模 糊 因素权 重值 。 5 用 式 4 计 算 单 层 次模 糊 灰 度 综 合 评 判 结 果 向量 C C 一w R 一[ ∑n r lj ， Ⅱ 1 八 ] J l J 一 1 4 式 中 7 “／ 为指标 集 中包含 的子 因素 个数 。 5 将 c 作为下一级判断的输入进行综合评 判 ， 得 到 向量 C C一 [ 6 ， ， ， 2 ， ⋯， 6 ， ] 5 式中 1 ／ m ∑ ； b 为上一层隶属度的值。 ， l 6 对 c中 的元素 b 进 行归 一化 得 到 ， 1 一 表示设 备健 康 状态 属 于 评 语 值 i的可 信 度 ， 经 过 处 理得到新的向量C一[ b ， 1 一 ， b ， 1 一 ， ⋯， b ， 1 一 ] 。对向量c中的每个元素采用式 6 计 算 ， 得 到 向量 P， P 中数 值 最 大 的元 素 P 即为 设 备 健康 状态 的最 终评判 结果 。 P ， p z ， ⋯， P 一 { [ b 1 一 1 7 d ] ， [ 1 一 1 一 ] ， ⋯ ， b - F 1一 1 一 ] } 6 式 中 一1 一 ∑ 。 ，f i一 】 3评估 模型 验证 3 ． 1 各评判 因素 的权 重及 灰度 计算 采 用专 家 打 分法 对 产 品 质量 指 标集 、 运行 工 况 指 标集 、 历史 统计 数 据 指标 集 及 二 级 综 合状 态 评 估 评 判 因素 的各 因素依 据 重 要 程 度进 行 打 分 ， 并 计 算 出权重 系数 ， 灰度 值 由评 判 者依 据实 际情况 给 出 ， 计 算结果见表 3 一表 6 。由表 1 表 6可得一级子指 标 集 的各个 权值 A ， A 和 A 。 0 ． 3 3 3 3 ， 0 ． 2 0 0 ． 2 0 0 0 ， 0 ． 2 0 0 ． 2 00 0， 0 ． 40 表 3 产 品质 量指标集各子因素权重及灰度值 表 4 运行工况指标集各子因素权值计算结果及灰度值 表 5历史状态指标集各子因素权值计算结果及灰度值 A】 一l 0 ． 2 5 ， 0 ． 7 0 ． 3 5 ， 0 ． 1 0 ． 4 ， 0 ． 2 j A 2 1 0 ． 3 8 ， 0 ． 1 0 ． 1 3 ， 0 0 ． 2 4 ， 0 0 ． 2 5 ， 0 ． 2 1 A3 一『 0 ． 3 2 ， 0 ． 3 O ． 2 ， 0 ． 6 0 ． 2 7 ， 0 O ． 2 1 ， O l 3 ． 2设备 健 康状 态评估 选 用 某 型 带式 输 送 机进 行 状 态 评估 ， 针 对 不 同 指 标 集 的各 因素采 用 上 述 隶 属度 函数 进 行 计算 ， 得 到基 于产 品质 量指标 集 的单 因素判 断 矩 阵 R 、 基 于 运行 工况 指标 集 的单 因素判 断 矩 阵 R 、 基 于 历史 状 态统 计指标 集 的单 因素 判断 矩 阵 R 。 0 ． 0 0 0 0 ， 0 ． 1 0 0 ． 00 0 0， 0． 3 0 0 ．1 3 3 3， 0． 2 O 0 ．0 0 0 0， 1 ． 0 0 0． 0 0 0 0， 0 ． 3 0 0． 0 0 0 0， 0 ． 2 0 0 ． 0 0 0 0， 1 ． 0 0 ] 0 ． 0 0 0 0， 0 ． 2 0 l o ． o o 0 o， o ． 6 0 l 、，、／ O 0 O 3 2 1 O O 0 ， ， ， 7 O 7 6 O 6 6 O 6 6 8 6 O 0 O ／ ， ／ ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ， ． ． L R 2 0 1 5年 第 1 期 李晋 等 大型机 电设 备健 康状 态评 估 方 法研 究 9 R2一 R 一 0 ． 53 3 O． 2 0 O 0 ． 00 0 0． 0 0 0 O ．9 3 3 0． 8 6 6 0． 1 3 3 0． 2 0 0 3 ， 0 ． O 0 0， 0． 1 0 0， 0． 1 0 0， 0． 2 0 3， 0． 2 O 7， 0． 4 0 3， 0 ． 30 0， 0 ． 2 0 计 算 一级评 估 结果 0． 2 66 7， 0 ． O0 0 ． 3 3 3 3 ， 0 ． 1 0 0 ． 5 3 3 3 ， 0 ． 3 0 0 ． 33 3 3， 0． 3 0 O ． 0 6 6 7 ， 0 ． 6 0 0 ． 1 3 3 3 ， 0 ． 3 O 0 ． 4 6 6 7 ， 0 ． 5 0 0 ． 3 3 3 3 ， 0 ． 4 0 0 ．2 0 0 0， 0． 1 0 0 ． 3 3 3 3， 0 ． 2 0 0 ． 4 6 6 7， 0 ． 3 O 0 ． 3 3 3 3， 0 ． 3 0 O ． 0 0 0 0， 0 ． 9 0 0 ． 0 0 0 0， 0 ． 4 0 0 ． 2 6 6 7， 0 ． 6 0 O ． 3 3 3 3， 0 ． 4 0 0． 0 0 0 0， 0 ． 1 0 0 ．1 3 3 4， 0 ．1 0 O ． 0 0 0 0， 0 ． 3 0 0 ．1 3 3 4， 0． 4 0 0 ． 0 0 0 0， 0 ． 9 0 0 ． 0 0 0 0 ， 1 ． 0 0 0 ． 0 6 6 7 ， 0 ． 4 0 0 ． 06 6 7， 0． 6 0 0 ． 0 00 0 0 ． 00 0 0 0 ． 00 0 0 0 ．2 0 0 0 0 ．1 0 0． 3 0 0． 2 0 0． 2 0 0 ． 0 0 0 0， 0 ． 8 O 0． O 0 0 0， 1 ． O 0 O ． 0 6 6 6， 0 ． 3 O 0 ． 0 6 6 7， 0 ． 2 0 G A 1 R 一 [ 0 ． 7 1 3 4 ， 0 ． 0 9 0 0 ． 2 3 3 3 ， 0 ． 1 6 2 o ． 0 5 3 3 ， 0 ． 1 2 8 0 ． 0 0 0 0 ， 0 ． 1 2 8 o ． 0 0 0 0 ， 0 ． 1 9 2 ] 一 R 2 一 E o ． 2 2 5 7 ， 0 ． 0 0 0 4 0 ． 3 5 6 0 , 0 ． 0 0 1 5 0 ． 3 1 4 7 ， 0 ． 0 0 6 O ． 0 5 0 7 ， 0 ． 0 0 3 6 O ． 0 5 0 0 ， 0 ． 0 0 4 8 ] G R 一 [ 0 ． 5 5 0 0 ， 0 ． 0 3 0 ． 3 1 0 7 , 0 ． 1 6 2 0 ． 1 4 2 0 , 0 ． 2 8 8 0 ． 0 3 2 O ， O ． 4 6 0 8 0 ． 0 3 2 0 , 0 ． 1 0 5 6 ] 经上述计算结果综合得到设备健康状态评估判 断矩阵 R和初步的评判结果 c R E C 1 ， C 2 ， C 3 ] C A R一 [ 0 ． 4 6 9 3 ， 0 ． 0 8 O ． 3 0 5 6 ， 0 ． 0 1 5 0 ． 1 8 4 5 ， 0 ． 0 1 9 O ． 0 2 9 9 ， 0 ． 0 2 5 O ． 0 2 9 6 ， 0 ． 0 1 4 ] 对评判结果采用变权求 和的方法进行计算 ， 得 [ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 1 3 ． 到该 带式 输送 机 最终 的状 态评 判结 果 P [ 2 ] 李正祥， 王政。 煤矿机电设备管理[ M] ． 重庆 重庆大 P r O ． 5 3 7 4 ，0 ． 3 8 5 1 ，0 ． 2 4 4 3 ， 0 ． 0 6 4 2 ， 0 ． 0 6 4 6 ] 学出版社， 2 0 1 0 ． 从 以上 评判 结 果 可 知 ， 带 式 输 送 机 的 运 行 状态 [ 3 ] 广志， 张宇文 基于灰色模糊关系的灰色模糊综合 处 于健康 阶段 ， 且 用 于评估 的数据 信 息很充 分 ， 状态 评判 E J ] 系 统 工 程 理 论 与 实 践， 0 0 2 ， 2 4 评 估 有 效 。经 鉴 定 ， 该 设 备 实 际运 行 情 况 可 靠 、 稳 一 一‘ 定 ， 与设备健康状态评估模型评估结果相吻合 。 [ ] 刘混举， 杨兆建 煤矿综采设备寿命评价的理论体系 [ J ] ． 机 械工程与 自动化 ， 2 0 0 9 ， 8 4 5 - 7 ． 4 结 语 [ 5] 李葆文． 设备管理新思维新模式[ M] ．北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 1 深入 探讨 了大 型 机 电设备 的状 态评 估 框 架 [ 6 ] 胡永宏 ，贺思辉． 综 合评 价方 法[ M] ． 北京 科 学 出版 并 给 出评 判指标 集 ， 将模 糊 灰 度 数 学 理 论 应 用 于 机 。 电设 备 健康 状态 评 估 ， 建 立 分层状 态 评估 模 型 。 [ 7 ] 陈亚菲 ，高翔 ， 骆 仲泱 ， 等 ． 烟气脱硫 技术 的模糊综合 2 利用 变 权 求 和 的方 法 处 理 评 判 结 果 ， 该 方 评判 法 [ J ] ．中 国 电 机 工 程 学 报 ，2 0 0 4 ，2 4 2 法对于信息完整度不 同的设备健康状态评估 ， 能更 1 7 2 1 7 6 ． 好 地权 衡 隶属 度和 可 信 度 ， 使 评 估 结 果 更 贴 近 设 备 [ 8 ] 朱鹏飞， 尚玉莲， 张雪婷． 基于广义三角模的灰色模糊 实 际情况 。 综合评判E J ] ． 山东理工大学学报 自 然科学版， 2 0 0 4 ， 3 实 现系 统 原 型 ， 对 带 式 输 送 机 的状 态 进 行 1 8 2 7 2 7 5 ． 评估 。经检验 ， 评估结果符合设备的实际情况 ， 表明 [ 9 ] 马估， 吕军． 基于灰色模糊综合评判的信息系统风险 该 状 态评 估 方法 具有 一定 的 实际 意义 。 评估[ J j ． 价值工程 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 1 0 8 1 1 1 ． [ 1 O ] 张媛 ， 熊小伏 ， 周家启 ， 等． 基于灰 色模 糊综 合评判 的 参考文献 [1 ] 西 安 热 工研 究 院． 发 电设 备 状 态 简 册 和 寿命 管 理 断路器 维 修排 序 方 法 [ J ] ． 电 网技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 2 8 21 2 4．