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1、23第十一章 设备工程经济分析第一节 设备管理与维修体制设备是企业进行生产和服务活动的重要物质基础，是重要的生产力要素之一。在当前现代工业条件下，机器设备日益精密化、自动化、数字化、大型化，与设备有关的费用在产品成本中的比重不断提高，加强企业设备管理变得日益重要。设备管理就是用先进的管理模式和方法，对寿命周期内的所有设备的物质运动形态和价值运动形态进行的系统管理工作。企业设备管理工作包括设备运动的全过程，即设备的选购、使用、维护、修理和改造、更新和租赁等等。本节只介绍设备的故障理论及维修体制，其它相关内容将安排在以下各节中。一、设备故障与可靠性（一）零件磨损与设备故障理论1设备零件的磨损规律
2、机器设备在使用过程中，由于摩擦、应力和化学反应等作用，其零件会逐渐磨损和腐蚀，甚至断裂。但零件的磨损速度在零件寿命期的各阶段是不一样的，一般可分三个阶段，如图11-1。第阶段叫初期磨损阶段，在这个阶段，零件磨损很大，表面宏观几何形状和微观粗糙度都要发生明显的变化；第阶段叫正常磨损阶段。在该阶段，如果零件工作条件不变或变化不大，零件的磨损非常缓慢，磨损速度基本上随时间匀速增加，这个阶段的时间，就是零件的使用寿命；第阶段叫剧烈磨损阶段。当零件磨损到一定程度后，正常磨损关系破坏了，使得磨损加剧。零件磨损到这个阶段，就会降低设备的生产率和产品质量，发生事故，还会加大修理工作量和修理费用，延长设备修理时
3、间。所以，一般不允许零件进入剧烈磨损阶段还继续使用。如果设备使用维护不当，或在使用过程中出现加剧磨损的外部因素，如作用力增加或摩擦面上聚集磨料或磨损物等，就会缩短或没有一个正常磨损阶段，即第、两个磨损阶段之间没有明显的界限，零件经初期磨损阶段后，直接进入剧烈磨损阶段。图11-2是表示该种状况的非常磨损曲线。从上述磨损规律中可以得出如下结论：(1) 只要设备使用，零件的磨损是不可避免的。 当零件磨损到一定程度后，就会降低生产效率和产品质量，要使设备经常处于良好状态，就必须合理使用和正确维护修理设备。（2）设备如果加强管理，合理使用和维护，就会延长零件的正常磨损阶段，从而延长设备的使用寿命。（3）
4、加强设备日常检查和定期检查，掌握零件的磨损情况。 在零件进入剧烈磨损阶段之前进行修理，可以降低设备故障，减少修理工作量。（4）设备零件在正常磨损阶段的磨损同时间呈正比。 因此，在正常生产情况下可以用实验和统计分析等办法计算出设备易损零件在正常条件下的磨损率和使用期限，有计划的进行更换修理。2设备故障曲线通过对设备不同阶段故障规律的研究，得到一个可划分为三个阶段的故障曲线，如图11-3。曲线的形状好似浴盆，故又称浴盆曲线。ab阶段叫早发故障期,其特征是设备故障率开始很高，经过设备试运转管理后故障率迅速降低。该阶段的故障主要是由于设计的疏忽，制造质量欠佳和对新设备的操作不习惯引起的；bc阶段叫偶发
5、故障期，也是设备的有效寿命期。在这个阶段，设备的电子元器件等已经受到了考验，设备零部件也进入正常磨损期，因此故障较少，大多是由于维护不好或操作失误而引起的偶发故障，与设备零部件、元器件的使用时间无关；cd阶段叫作劣化故障期，故障率迅速增加，电子元器件等老化变质，设备零件进入剧烈磨损期。通过设备故障规律，设备管理部门可针对不同时期故障特征及成因，采取相应措施。在早发故障期，设备管理的重点是尽快找出故障率高的原因，以便调整和采取相应措施，使设备尽早进入正常运转；在偶发故障期，应重点加强工人的技术培训，提高操作和日常维护保养水平；针对劣化故障期，如果知道设备劣化开始时间，提前更换或修复有关零部件等，
6、就可延长设备有效寿命。因此，该时期的任务重点是加强设备的状态监测和计划修理工作。（二）可靠性及其在设备管理中的应用1可靠性的定义设备可靠性就是在规定的条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。规定的条件包括使用时的应力条件、环境和贮存条件，规定的条件不同，设备的可靠性也不同；一台设备可具备若干项功能，完成规定功能是指完成规定的全部功能，而不是其中的一部分。设备可靠性涉及到从设备设计、制造、使用直至报废的整个设备寿命周期。设备在设计、制造时内在的可靠性称为固有可靠性；使用、维修人员对设备可靠性的影响称为使用可靠性；环境适应性则指设备所处的周围环境对设备可靠性的影响，如环境湿度、相对温度、大气压力、
7、振动和冲击等。这些方面都是设备可靠性的研究对象。2可靠性的尺度设备可靠性可用以下尺度（指标）进行定量表示。（1）可靠度与不可靠度 可靠度是指设备到时刻时无故障的概率；系统在时间间隔内发生故障的概率称为设备不可靠度或累积故障率。式中，在同样环境和条件下工作的设备数； 到时间 止，发生故障的设备数。由可靠度的定义可知：（2）故障密度 故障密度就是从时刻开始工作的设备在时间间隔内发生故障的概率。故障密度可近似地按下式计算式中，时间单元；在时间单元内发生故障的设备数。（3）故障率（瞬时故障率） 故障率就是设备在时刻后的一个单位时间内的失效数与在时刻尚在工作设备数的比，即（4）平均故障间隔和 指可修理的
8、设备与系统，从一次故障到下一次故障的平均时间间隔；是指发生故障不能修理的零件，从开始使用到发生故障的平均时间间隔。当设备故障遵从指数分布时，平均故障间隔等于故障率的倒数，即（5）维修度 维修度是指发生故障的系统在某一时限内修复的概率，当遵从指数分布 式中：修理率，是平均修理时间的倒数。（6）有效度 有效度是不发生故障的可靠度和排除故障的维修度的综合量度。式中，设备或系统的故障停工时间；可以工作时间。二、设备维修管理体制（一）设备维修制度设备维修制度一般可分为事后维修、预防维修、生产维修和设备综合管理等。无论拟采用哪种维修方式，考虑的重点之一是维修的时间点，即等到设备劣化不能继续使用再进行修理，
9、还是设备损害之前预先进行维修。显然，有计划的预防维修要优于消极的事后维修，但是不是维修的频率越高就越好？重点之二是纳入预防维修计划设备及其零部件的范围的确定，是不是所有的设备都要定期检修，还是有针对性地采取不同维修方式？要回答这些问题，必须充分考虑设备维修的费用问题。当维修活动很少，设备劣化、故障停机带来的损失大于日常维修费用的支出，这说明设备维修不足；反之，维修活动频繁，设备劣化及故障停机的损失减少，但维修费用增加，如果维修费用增加的部分超过了设备劣化和故障停机损失减少的部分，这种维修活动称为过剩维修。若能使维修费用与设备劣化、故障停机损失之和（总费用）达到最小，则设备维修的规模是较理想的。
10、可见，设备维修这一技术性活动，必须从技术和经济两个方面结合起来加以考虑。（二）设备维修计划的确定预防维修优于事后维修，其主要方式为定期检修，即按照检查间隔期定期检查设备，根据检查结果编制修理计划，再按修理计划进行维修。因此，确定哪些设备纳入检修计划和设备检修周期是首要解决的问题。1 设备纳入检修计划的确定方法可用维修系数来解决该问题，即式中，修理费用与设备故障损失之和；日常检修费用。当，设备纳入检修计划；1.5，设备可采取事后维修或相应减少维修活动。越大，表明维修越不足，应加强维修。2 合理检修周期的确定方法确定检修周期的方法有很多，这里仅介绍费用损失系数法，运用该方法得出的最佳检修周期近似为
11、 （当） （当1）式中，费用损失系数，；每次检查的费用；故障率； 设备故障造成的损失费用。运用该方法须掌握上述相关数据。如果数据不充分，可选取一个相对合理的方案代替最佳方案。3 最佳维修费用的计算方法上面已提到，当维修费用与设备故障停机损失费用之和最小，则设备维修的规模是较理想的，总费用也是最佳的。在维修实践中，针对同样的定期维修任务，维修时间的长短决定总费用及其构成的不同。一般说来，维修时间长，则投入的维修力量、手段相对较弱，维修费用较低，但故障停机损失却增大；要缩短停机时间，减少停机损失，务必投入相对较大的维修人力、物力和财力，造成维修费用的提高。最佳维修费用决策就是要求我们找到一个最合适
12、的时间点，在该时间点维修总费用最低。维修总费用与维修时间的函数关系可写成 （11-1）式中，是一常量，代表维修的工作量；单位时间的故障停机损失费用； 维修费用，；故障停损失费用，。将（11-1）式对微分，并令其等于零，可求得为最小值的维修时间和最佳的维修总费用分别为 例：某设备组将进行定期维修。上次维修时，消耗维修费用4000元，设备停机时间30小时，1小时的停机损失费用为1200元。试求出此次维修最佳总费用和维修时间。解：=400030=120000（元小时）；=1200（元/小时）； （小时）；（元）此时，（元）。上次维修总费用为（元）。此次维修与上次不同之处在于加大了维修力量的投入，虽增
13、加了维修费用，但大量节约了故障停机损失费用，从而使总体费用节省了16000元。第二节 设备的磨损与寿命一、设备的磨损及其度量设备在使用或闲置过程中均会发生磨损，从而降低设备的使用价值（使用性能）和价值。设备磨损有两种形式：有形磨损和无形磨损，现分别介绍。（一）设备有形磨损及度量设备有形磨损又称物质磨损，指设备在使用或闲置过程中所发生的实体磨损或损失，主要表现在物理性能、几何形状、技术属性等方面的改变。设备的有形磨损又可划分为两种形式：第种有形磨损和第种有形磨损。1第种有形磨损设备在使用过程中，由于外力的作用使零部件及整个设备发生摩擦、振动、疲劳和冲击等现象，致使设备的实体产生磨损，这种磨损叫做
14、第种有形磨损。它通常表现为：机器设备零部件原始尺寸甚至形状发生改变；公差配合性质的变化导致精度降低；部分零部件损坏等。设备有形磨损一般可经过三个阶段，与零件的磨损规律类似，可参看图11-1。第一阶段是新机器设备的“初期磨损阶段”。在这个阶段，通常由于设计、制造、安装及操作人员对新设备操作不习惯或不正确造成的；第二阶段为“正常磨损阶段”。在此阶段内，设备零部件已经受到运行考验，在正常工作条件下，零件磨损缓慢并与机器开动时间长短及负荷强度大小有关；当零件磨损到一定程度，正常磨损关系开始受到破坏，使得磨损加剧，进入到“第三磨损阶段”。这时，设备故障率增加，功能下降，不能正常工作甚至发生事故。2第种有
15、形磨损设备在闲置过程中，由于自然力的作用，发生金属件生锈、腐蚀、橡胶和塑料老化等，使其降低甚至丧失工作精度和能力，这种磨损称为第种有形磨损。3有形磨损的度量设备有形磨损量的确定是在综合单个零件磨损程度基础上确定的整机平均磨损程度来度量的。可用下式来表示： 或 式中，设备有形磨损程度；零件的价值；设备零件总数；零件的实体磨损程度（以不能使用为100%）；修复全部磨损零件所用的修理费用；在确定磨损时该种设备的再生产（或再购）价值。 ；式中，：第个零件的实际磨损量（mm）；：第个零件所允许的最大磨损量（mm）。应小于1。若，则此设备已无修理的必要，可用买新换旧的方法来解决问题了；另外n的确定应符合实际，不能把一切磨损件不分主次均纳入计算范围，而只应把那些直接影响设备基本功能的零部件作为对象。通常，制造厂家会向用户提供设备关键件清单及修理图纸；否则，负责设备修理的部门要事前准备好关键件清单及图纸资料。（二）设备无形磨损及度量设备无形磨损又称经济磨损或精神磨损，该种磨损不是
