隧道機(jī)電設(shè)備檢測評(píng)價(jià)方法
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引言
機(jī)電設(shè)備在正常使用一定年限后會(huì)出現(xiàn)性能明顯下降或不穩(wěn)定現(xiàn)象,由于公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備多數(shù)在外場7X24小時(shí)不間斷運(yùn)行,更易導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)硬件設(shè)備老化、性能下降,因此對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況的科學(xué)評(píng)價(jià)是公路運(yùn)管部門需要研究的重點(diǎn)課題。定期對(duì)機(jī)電設(shè)備檢測可以了解機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況,通過設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等方法可以極大地延長機(jī)電設(shè)備的使用壽命,保證隧道機(jī)電設(shè)備的正常工作能力,從而最大限度地保障公路的行車安全與道路暢通。
不僅如此,隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營檢測還是隧道機(jī)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能優(yōu)化升級(jí)與擴(kuò)容的需要。在隧道機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)的初期,側(cè)重于滿足基本運(yùn)管需求,建設(shè)規(guī)模較小;當(dāng)隧道機(jī)電系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模以后,需要在原有的系統(tǒng)上增加或調(diào)換設(shè)備,如果對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況不了解,則會(huì)導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)資源規(guī)劃失調(diào),給機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定、高質(zhì)量的運(yùn)行帶來一定的隱患。
1檢測評(píng)價(jià)方法
1.1研究基礎(chǔ)
我國公路隧道建設(shè)事業(yè)起步較晚,但我國公路交通工程方面的工作經(jīng)過近二十年的研究和實(shí)踐,已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),交通部先后組織編寫、制定、完善了大量的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)條件。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)確定我國公路交通工程及沿線設(shè)施的設(shè)置規(guī)模、制式和方式,提高我國交通工程設(shè)施的設(shè)計(jì)水平、施工水平和產(chǎn)品開發(fā)都起到了極大的推動(dòng)作用,產(chǎn)生了極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但從這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范所涉及的領(lǐng)域和涵蓋的范圍來看,還不夠全面和完善。目前已頒布實(shí)施的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和正組織編寫的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,其內(nèi)容主要涉及交通工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及相關(guān)機(jī)電產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)和研制。在交通工程項(xiàng)目所包含的交通安全設(shè)施、收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四大部分中,除關(guān)于交通安全設(shè)施部分的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范較為全面和完善外,有關(guān)收費(fèi)、通信、監(jiān)控系統(tǒng)方面的工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范則幾乎是空白。不僅如此,國內(nèi)隧道檢測研究相關(guān)論文也大多數(shù)側(cè)重于土建方面及交工/竣工檢測方面,對(duì)于隧道機(jī)電運(yùn)營檢測涉獵較少。
在國外的有關(guān)資料中,也未發(fā)現(xiàn)成套的交通工程機(jī)電系統(tǒng)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。只是在美國運(yùn)輸部聯(lián)邦公路總署《交通控制系統(tǒng)手冊》、日本道路公團(tuán)《日本高等級(jí)公路設(shè)計(jì)規(guī)范》、美國運(yùn)輸工程研究所《交通信號(hào)設(shè)計(jì)手冊》等文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)有少量的描述。
在隧道檢測實(shí)踐方面,國內(nèi)一部分隧道機(jī)電設(shè)備檢測主要依靠交通機(jī)電工程檢測,包括:機(jī)電產(chǎn)品企業(yè)生產(chǎn)能力的檢驗(yàn)、出廠驗(yàn)收、工程施工現(xiàn)場檢驗(yàn)、交工驗(yàn)收檢測和竣工驗(yàn)收檢測等各項(xiàng)方法。隧道運(yùn)營檢測采用設(shè)備運(yùn)營情況作為評(píng)價(jià)指標(biāo),即該設(shè)備能進(jìn)行正常工作即為優(yōu),不能正常工作即為差。這種評(píng)價(jià)方法在以下幾個(gè)方面還需提升:
應(yīng)能定量化描述設(shè)備工作能力;
應(yīng)能動(dòng)態(tài)地描述設(shè)備在不同工作時(shí)間跨度下的工作
能力,即剛投入運(yùn)行的設(shè)備與數(shù)年連續(xù)工作的設(shè)備評(píng)價(jià)結(jié)果不同;
(3)現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)為檢測時(shí)間點(diǎn)的靜態(tài)結(jié)果,沒有涉及設(shè)備將來工作能力,不能全面掌握設(shè)備運(yùn)行情況。
因此,當(dāng)評(píng)判設(shè)備工作能力時(shí),不僅需要考慮靜態(tài)檢測結(jié)構(gòu),還需考慮設(shè)備在未來一段時(shí)間之內(nèi)的工作能力變化趨勢。若設(shè)備此時(shí)工作能力為優(yōu),則需要根據(jù)未來工作年限對(duì)結(jié)果再進(jìn)行修正,使評(píng)價(jià)指標(biāo)可以描述機(jī)電設(shè)備在一定的運(yùn)行年限中的運(yùn)行狀況。
下面對(duì)設(shè)備運(yùn)行功能特性及“浴盆曲線”進(jìn)行分析,結(jié)合作者從事隧道運(yùn)營檢測及評(píng)定的工作實(shí)踐,對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)檢測的質(zhì)量評(píng)定方法進(jìn)行分析和討論,以建立一種科學(xué)的公路隧道機(jī)電設(shè)備檢測及評(píng)定方法。
1.2評(píng)價(jià)原理
在文章中,將隧道機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)進(jìn)行階段性劃分,第一步是對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工作情況進(jìn)行分析,第二步是對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行修正優(yōu)化。本文將隧道機(jī)電設(shè)備在某一點(diǎn)的工作能力稱為“工作狀態(tài)”,對(duì)機(jī)電設(shè)備工作能力的修正量稱為“工作能力修正參數(shù)”。這兩類參量中,“工作狀態(tài)”指的是隧道機(jī)電設(shè)備在當(dāng)前的工作情況,稱為現(xiàn)性(now);“工作能力修正參數(shù)”是隧道機(jī)電設(shè)備在將來正常運(yùn)行的能力,稱為勢性(future)。這兩類指標(biāo)根據(jù)隧道機(jī)電設(shè)備的性能-時(shí)間曲線進(jìn)行具現(xiàn)化,達(dá)到評(píng)價(jià)隧道機(jī)電設(shè)備功能特性的目標(biāo)。
評(píng)價(jià)機(jī)電設(shè)備功能特性即評(píng)價(jià)機(jī)電設(shè)備能否正常工作,若能正常工作則代表其無功能故障,因此要研究的功能特性,首先應(yīng)從機(jī)電產(chǎn)品故障率入手。
圖1顯示了機(jī)電設(shè)備故障率與時(shí)間對(duì)應(yīng)的壽命曲線,又稱為“浴盆曲線”。
從圖1中可以看出,機(jī)電壽命特性曲線分為三部分:早期故障期、T1偶發(fā)故障期、T2耗損故障期。
To早期故障期:機(jī)電設(shè)備從投入使用到晚時(shí)刻為止,該階段特點(diǎn)是開始時(shí)故障率較高,但隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加,故障率又很快下降,進(jìn)入故障恒定階段;
T偶發(fā)故障期:機(jī)電設(shè)備從t1時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)到t2時(shí)刻這一階段的故障率最低,而且故障恒定。一般情況下這一階段不會(huì)發(fā)生故障或由于某些原因發(fā)生少量故障。在這段時(shí)間內(nèi),可能由于零件的強(qiáng)度降低及使用載荷的增高等情形造成超負(fù)荷損壞,因此該階段應(yīng)合理使用、加強(qiáng)維修保養(yǎng),延長使用壽命;
T2耗損故障期:當(dāng)機(jī)電設(shè)備使用到3時(shí)刻后,故障率再度升高,這是由于零件磨損、材料疲勞等過程引起的。在此階段為了保證機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行,應(yīng)該及時(shí)維修或更換。
據(jù)圖1的分析可以得出隧道機(jī)電設(shè)備功能特性與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。該曲線可根據(jù)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況分為磨合、穩(wěn)定、老化3個(gè)時(shí)間段:磨合期時(shí)間長度較短,不作為運(yùn)營檢測考慮范圍;穩(wěn)定期設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好;老化期設(shè)備故障增多,工作能力急劇降低。在老化點(diǎn)之后,設(shè)備無法完成正常功能,此時(shí)其工作狀態(tài)為差。在機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)方法中,“工作能力修正參數(shù)”即是在設(shè)備在能完成正常工作的前提下(穩(wěn)定期、老化期時(shí)間段內(nèi)),機(jī)電設(shè)備的修正參量。
在圖2中,磨合期雖然存在早期故障,但磨合階段是由于設(shè)備運(yùn)行逐漸適應(yīng)系統(tǒng)而產(chǎn)生的,因此,認(rèn)為設(shè)備損耗增加,但其功能會(huì)有略微提升。
影響機(jī)電設(shè)備功能的因素是現(xiàn)性,影響將來可用性的因素主要為勢性,兩者的綜合即是設(shè)備的可用性。穩(wěn)定期內(nèi)設(shè)備可用性較高;老化期內(nèi)影響可用性的因素主要為現(xiàn)性,且當(dāng)現(xiàn)性取最大值時(shí)(機(jī)電設(shè)備報(bào)廢時(shí)),可用性為最小。
1.3評(píng)價(jià)方法
為了評(píng)價(jià)方便,可將現(xiàn)性、勢性進(jìn)行簡化,并用三角合成法將其與可用性進(jìn)行聯(lián)系。具體方法為:將機(jī)電設(shè)備開始運(yùn)行點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn),將其工作狀態(tài)分為時(shí)間維和狀態(tài)維兩個(gè)維度,時(shí)間維代表了其工作延續(xù)的時(shí)間、狀態(tài)維代表其工作狀態(tài)衰減。機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)的三角合成法如圖3所示。
如圖3所示可知:現(xiàn)性直線角度的大小即代表機(jī)電設(shè)備運(yùn)行特性,在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi),功能恒定;在老化區(qū)間內(nèi),角度越大功能特性越差;勢性直線角度的大小即代表機(jī)電設(shè)備功能完成能力特性,單位時(shí)間內(nèi)角度變化越大,功能特性老化程度越嚴(yán)重;合成直線角度的大小即代表一段時(shí)間內(nèi)機(jī)電設(shè)備功能特性,穩(wěn)定性區(qū)間內(nèi),角度越大則可用時(shí)間越長,功能特性越好;在老化區(qū)間內(nèi),角度越大功能特性越差。
但應(yīng)注意的是:現(xiàn)性終點(diǎn)仍為檢測時(shí),機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要根據(jù)其運(yùn)行時(shí)間確定,取點(diǎn)時(shí)應(yīng)避開磨合期;第二,勢性終點(diǎn)需根據(jù)隧道環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行等實(shí)際情況確定機(jī)電設(shè)備繼續(xù)工作時(shí)間,超過報(bào)廢點(diǎn)的,認(rèn)為其不能完成工作任務(wù);第三,為了保證在實(shí)際運(yùn)用中不出現(xiàn)兩條合成直線角度相同而引起的一值多義現(xiàn)象(如圖4所示,合成直線C角度相同),可將坐標(biāo)軸進(jìn)行平移,平移后的起始點(diǎn)應(yīng)在磨合期和穩(wěn)定運(yùn)行期結(jié)合點(diǎn)處(即忽略磨合期對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備的影響),圖5所示是優(yōu)化后的三角合成法。
優(yōu)化后,根據(jù)分析可知,現(xiàn)性直線角度隨著時(shí)間增加,先穩(wěn)定處于0°(穩(wěn)定期內(nèi)),后增加至極限值(報(bào)廢點(diǎn)處),即加<如時(shí),Ml<0A2;勢性直線特性根據(jù)現(xiàn)性直線的終點(diǎn)及繼續(xù)工作時(shí)間長短而定,當(dāng)繼續(xù)工作時(shí)間一定時(shí),勢性直線角度隨著現(xiàn)性直線終點(diǎn)的變化而逐漸增加,即加<如時(shí),編<0B2;合成直線隨著現(xiàn)性直線角度和勢性直線角度的增加而增加。
1.4評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分
以該類方法得到的機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)指標(biāo)可根據(jù)機(jī)電設(shè)備功能進(jìn)行分級(jí),明確各不同狀態(tài)下機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)??紤]到在報(bào)廢點(diǎn)之后,機(jī)電設(shè)備已不能完成正常工作,因此,修正曲線上報(bào)廢點(diǎn)可作為判定機(jī)電設(shè)備功能的輔助點(diǎn)。圖6所示是現(xiàn)性直線變化圖。
現(xiàn)性直線從A到A'時(shí),角度逐漸增大,機(jī)電設(shè)備性能逐漸減小,設(shè)最大張角為α。則會(huì)出現(xiàn)如圖7所示的勢性直線變化圖。
在一定時(shí)長內(nèi),勢性直線的角度隨著現(xiàn)性直線長度的增加而增加,從B到B'角度逐漸增大,機(jī)電設(shè)備可用能力逐漸減小,角度從β(設(shè)為最小張角)逐漸增大,角度極限值為功能特性曲線在報(bào)廢點(diǎn)處斜率的反正切值β'(設(shè)為最大張角)。圖8所示是可用性直線變化曲線。
設(shè)備可用性直線從C到C'變化時(shí),角度逐漸增大,機(jī)電設(shè)備性能逐漸降低,設(shè)最大張角為γ,則可以得到如表1所列的機(jī)電設(shè)備性能分級(jí)表。
由表1可知,當(dāng)情況1出現(xiàn)時(shí),設(shè)備運(yùn)行優(yōu)良;當(dāng)4、6、10、12等情況出現(xiàn)時(shí),機(jī)電設(shè)備運(yùn)行良好;當(dāng)出現(xiàn)13、14、15情況時(shí),機(jī)電設(shè)備運(yùn)行能力差。由于機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)時(shí)采用的均為單值增加的三角函數(shù),因此還可對(duì)角度進(jìn)行歸一化處理,以百分制定量評(píng)價(jià)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況??紤]到數(shù)據(jù)的簡易型及易用性,因此可將功能衰減度進(jìn)行適當(dāng)修正,使得歸一化值計(jì)算及使用方便。
2方法特點(diǎn)
該方法具有以下特點(diǎn):
(1)現(xiàn)性和勢性的定義是符合機(jī)電設(shè)備性能曲線的,矢量化處理在一定程度上描述了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行發(fā)展的趨勢,符合實(shí)際情況;
(2)采用三角合成法而不是雙因子平方和等計(jì)算方式主要是考慮到現(xiàn)性和勢性并不是相互獨(dú)立的,機(jī)電設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)及已經(jīng)工作的時(shí)間長度對(duì)其之后的工作能力有著較大影響;
(3)將以往機(jī)電設(shè)備性能的經(jīng)驗(yàn)性簡單定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行優(yōu)化,本方法基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯集而成的浴盆曲線進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)支持有力;
(4)該方法可進(jìn)行定性評(píng)價(jià)及定量評(píng)價(jià),方式靈活;
(5)根據(jù)大樣本分析得到的機(jī)電設(shè)備功能特性曲線在一定程度上代表了隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營養(yǎng)護(hù)情況,因此用此種方法分析時(shí),可以不必考慮隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營養(yǎng)護(hù)情況下曲線的再次修正;
(6)本方法不僅可用于隧道機(jī)電設(shè)備檢測,還可延伸拓展至其他機(jī)電設(shè)備檢測。
本方法的不足之處有兩點(diǎn):一是本方法立足于隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營評(píng)價(jià),因此,在統(tǒng)計(jì)學(xué)的大樣本分析中是成立的,但由于功能特性曲線是大量機(jī)電設(shè)備長時(shí)間實(shí)驗(yàn)得出的統(tǒng)計(jì)性結(jié)果,單個(gè)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況可能與其略有差異,這樣就無法精確預(yù)測某一特定機(jī)電設(shè)備工作的能力;其二,由于同一設(shè)備不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品功能特性不盡相同,因此導(dǎo)致各類產(chǎn)品的浴盆曲線也不相同,但考慮到在同樣的安裝環(huán)境與安裝要求下,同一類設(shè)備的功能特性區(qū)別不大,因此在精度要求不太高時(shí),可以利用同一浴盆曲線對(duì)同類設(shè)備中的不同產(chǎn)品進(jìn)行比較。
3實(shí)例分析
在某隧道的29個(gè)風(fēng)機(jī)中,取樣12個(gè)進(jìn)行檢查,風(fēng)機(jī)使用年限為10年,已經(jīng)使用了5年,預(yù)期再使用4年。則可得到如圖9所示的設(shè)備性能曲線圖。
考慮到縱軸跨度設(shè)置過大時(shí)不適合計(jì)算及數(shù)據(jù)使用,因此可對(duì)功能衰減值進(jìn)行5級(jí)劃分,報(bào)廢時(shí)縱軸坐標(biāo)為5。由圖可知A直線角度為0°,B直線角度為arctan0.9375=43.15。,C直線角度為arctan5/12=22.61°。由設(shè)備分級(jí)表可以看出,線性為優(yōu),勢性為良,可用性直線則代表在預(yù)期的9年之內(nèi),設(shè)備的功能特性為良。
若要進(jìn)行歸一化處理,則需對(duì)極限值進(jìn)行劃分,考慮到檢測目的主要是設(shè)備此時(shí)的功能特性及在預(yù)期時(shí)間范圍內(nèi)的可用性,因此,在這個(gè)例子中,僅需了解現(xiàn)性及可用性即可。表2給出了隧道機(jī)電設(shè)備檢測值的歸一化表。
該結(jié)果表明,該隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況優(yōu)良,在預(yù)期的9年之內(nèi),設(shè)備功能特性良好,但是已接近報(bào)廢邊緣,建議根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況及時(shí)養(yǎng)護(hù)或更換設(shè)備。
4結(jié)語
本文從機(jī)電設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況出發(fā)、基于大樣本功能特性曲線對(duì)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況及工作能力進(jìn)行分析,并提出了基于現(xiàn)性和勢性的三角合成法及相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為機(jī)電設(shè)備檢測方法。本方法在判定設(shè)備評(píng)價(jià)方面有其優(yōu)點(diǎn)也有其局限性,但在現(xiàn)今的機(jī)電設(shè)備檢測評(píng)價(jià)環(huán)境下,還是具有一定的實(shí)際意義的。在實(shí)際工程中也可與機(jī)電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)等方法聯(lián)合使用,較為全面準(zhǔn)確地評(píng)判機(jī)電設(shè)備?;诂F(xiàn)有成果,在下一步工作中,還需要完善評(píng)價(jià)方法、重構(gòu)評(píng)價(jià)體系,對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深一步的分析和優(yōu)化。
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