设备健康管理——节能降耗的有效途径

我国交通协会的刘昌平等人近年来在大力推广设备的“健康管理”理念和节能降耗应用技术，取得不错的成果。

（1）“资源能源节约”是企业经济发展的必然选择 企业的设备资源，包括生产运输等机械设备；润滑油、燃油等各种油液，零备件材料；保养维修费用及人工、工时、电、水等消耗；设备的健康率、出勤率、生产效率和服役期等，各方面都具有资源能源节约的极大潜力。

设备资源能源消耗水平，是一个企业经济结构、增长方式、科技水平、管理能力、消费模式以及领导及员工素质的综合反映。目前，我国企业设备的资源和能源利用效率与世界先进国家相比差距很大，特别是近年来，由于原油和原材料价格的暴涨，使设备运用成本大幅度增加，给企业经济效益和发展压力很大。

中国工程院院长徐匡迪指出：“中国必须走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路。”“工程科技的‘4R’（减量化、再利用、再循环、再制造）方向是发展循环经济的必然选择。其最终目标是用尽可能少的资源满足经济社会发展的需求，通过节约、回收和利用废旧资源，使尚未被充分利用的价值得到开发和使用，产生新的经济和社会效益。”

设备是企业生产和能源消耗的主体，引入创新的思路和理念，实施“设备健康管理”，就能够多、快、好、省和长治久安地解决企业资源能源节约、提高生产效率和降低运用成本的问题。

（2）建立企业“设备健康管理”体系 任何复杂的机械设备都不可能与人体的精密程度相比，任何复杂的机械运动形式都无法与人生命活动的复杂性相比，人在几百万年的进化中适应自然的程度几近完美，在设备管理和节能减排中，引入仿生学和医学思路，会另辟新路。

在健康管理中，医学科学强调预防为主，积极采用防病、保健、养生的方法，减少疾病发生。机械设备的管理也需要将现行的“故障管理”转变为“健康管理”，填补设备健康理论、理念、模式、技术、策略等方面的空白，积极主动地实现“人-机结合”的健康管理方式，消除设备的“亚健康”状态和“带病作业”的现状，保障设备的健康运用，也为设备节能减排的长治久安奠定基础。

在疾病治疗和康复管理中，医学科学强调调动人体的免疫、自愈、再生机能，大量采用非破坏性诊断与治疗技术，减少“医源性疾病”的发生。机械设备的维修也应大力推广和运用免解体的“状态监测和动态维修模式”，广泛运用“表面工程技术”（特别是微纳米表面工程技术），尽可能地减免停机解体检修和换件维修，减少“维修性损伤”的发生（例如大修后的磨合磨损）。

在仿生学和医学的研究和应用中，人类不断从生物界受到新的启示，并集成了最全面、最先进的科学技术，全面领先于其他学科的研究与发展。因此，借鉴、模拟和运用医学、仿生学的理论、理念、模式、方法、技术，已成为发展设备管理与维修，以及节能减排的新理论和新技术的重要途径之一。例如，计算机的远程状态监测和维修指导系统，机械设备的电子控制技术，表面工程的仿生自修复技术，设备各系统全面优化方案等。

用医学和仿生学原理发展新的设备管理、维修工程，解决节能减排疑难问题，将大大拓展我们的思路，引入更多的高新科技成果，赋予设备管理与维修全新的内涵，创建更加适合我国设备资源能源节约型、环境友好型管理和运用的新模式。

（3）“设备健康管理”概念与方法简介 设备健康管理有两个最重要的特征，一是全寿命周期健康的设计，二是采用高新科技实现设备优质、高效、节能、节材、环保的目标。健康管理主要集中在以下三个方面。

1）自身素质强健：设备具有良好的机件材料的耐用性、系统配合的平衡性、持久运行的稳定性、高强度运用的可靠性、低成本运行的经济性。

2）机能机制完善：全寿命周期过程中的自监控、自养护、自修复、自强化、自补偿、自调整、自适应等仿生机能和预防、保健、康复的健康机制。

3）科学模式管理：运用科学模式管理，如信息化网络管理、表面工程动态维修养护等，使设备的动力性、经济性、安全性、可靠性、净化性在全寿命周期中始终保持或超过设计状态。

根据设备健康概念，设备分为三类技术状态：健康—亚健康—故障。设备的使用寿命是由健康——亚健康——故障——报废，即由量变到质变的动态过程。传统设备管理，着眼于质变管理，即故障管理和静态维修，形成了故障发生后（预知的或已发生的）故障诊断和停机解体换件修理的维修模式，其特点是阶段性恢复和保持健康。设备健康管理，着眼于量变管理，即健康管理和亚健康状态的监控。注重机械微观和动态损伤过程的演变、特点、规律、事前预防、过程监控、动态养护维修，其特点是全寿命周期健康运用和减免维修。

“设备健康管理”提出“法治+人治+机治”三结合的全面新型设备管理模式。

1）法治包括：相关的法规、标准、制度、规范等。

2）人治包括：企业文化，人力资源，教育培训，人的思想、觉悟、素质、技能。

3）机治包括：机械设备的自监控、自养护、自修复、自强化、自补偿、自调整、自适应等仿生机能和预防、保健、康复的健康机制等自我管理的能力。

“设备健康管理”通过人机双相结合的管理机制，不断弥补现行设备研制、生产、管理模式和技术中的缺陷，提升设备的性能和生产效率。“设备健康管理”是采用高新科技的方法对现行设备管理、维修养护等进行科学的优化，包括：

1）设备健康管理制度和相关规范。

2）设备信息化网络管理、健康动态监测预警等技术与方法。

3）设备健康维护、性能优化、损伤自动康复等技术与方法。

设备全寿命周期健康管理架构如图4-25所示。

图4-25 设备全寿命周期健康管理架构(www.xing528.com)

全寿命各周期中的健康管理比较见表4-4。

表4-4 全寿命各周期中的健康管理比较

（续）

“设备健康管理”把复杂的机械设备类型，综合为——机、电、油、水、气“五大结构要素”，任何机械设备都是这五大结构要素的不同组合。在设备全寿命周期的四个阶段，采用高新科技对“五大结构要素”进行提高和优化，使设备的结构、性能和工作状态超越设计水平，实现健康运行。“五大结构要素”无论在设备健康管理还是在设备节能环保中，都是整机与总成、系统与子系统的关系，互相配合、平衡、制约。任何一个系统的变异，都会影响其他系统以致整个机械系统的正常工作和节能环保效果。“五大结构要素”都具有资源能源节约和环保效益的极大潜力，在设备健康管理过程中，广泛采用新材料、新技术、新模式，从零部件的表面强化，到结构和性能的综合提高，从仿生功能的建立到设备各系统的整体优化，使设备超越设计的质量和性能水平与使用效果。

“设备健康管理”的目的是以科学的管理模式、先进的技术手段实现“设备综合效率和企业经济效益”的最大化，通过有效地控制应用成本，提高经济效益。综合效益如下：

1）健康效益。医学的健康观是“防病胜于治病”，医学的治疗观是“不治已病治未病，上工也”。设备管理需要贯彻这种科学理念。“设备健康管理”的重要意义在于从新机开始，就不断地实施设备健康管理过程，不断地创造设备健康，用磨合期健康管理减少维修，用在用期设备健康管理减少报废，以较少的投入、简便易行的技术，大大延长设备的技术寿命、经济寿命和使用寿命。

2）节能效益。通过采用材质强化、结构优化、性能提升等一系列高新技术，从“法治、人治、机治”的结合上控制“人的不节能行为和物的不节能状态”，节能效果显著。综合节油率为10%～15%，节省润滑油50%以上。在不增加成本的基础上实现节能。

3）减修效益。为机械设备建立“自监控、自养护、自修复、自强化、自补偿、自调整、自适应”等仿生机能和预防、保健、康复机制后，机械在运行中微损微修，控制着机件损伤的量变过程，始终保持优于设计的结构和性能状态，大大延长了使用寿命。减免维修，节省维修费用30%以上，减少零备件库存和资金占压。

4）延寿效益。设备的使用寿命与主要总成的寿命相关，例如矿车发动机。因此，延长发动机等主要总成的使用寿命，就等于延长设备的使用寿命和服役期，减少报废的经济价值远远超过发动机自身的价值，企业也将节省大量的设备更新资金，保持良好的经济效益。

再例如铅酸蓄电池，运用“铅酸蓄电池再生增益技术”显著提高蓄电池性能和使用寿命，可使80%以上被“误判”报废的蓄电池恢复使用性能和价值，节省了企业资金。

5）增产效益。设备建立健康机制后，在运行中自行动态维修保养，减免停机解体换件修理，增加生产时间，提高设备利用效率和生产效率。例如，154t载重的大型矿用汽车，减免一次发动机总成大修，除节省40多万元大修资金，还可减少近一个月的驻厂维修时间，多运输矿石约10万t。

6）安全效益。安全事故给企业和人员造成的危害及损失非常严重。机械设备故障是重要原因之一，有相当一部分是因为对突发性机械故障难以监控造成的。

机械故障是由于机件的磨损、腐蚀、疲劳由量变积累到质变而导致的，损伤量变常表现为渐进性，而质变却多为偶然性和突发性。现行设备管理的缺陷在于缺少“机治”对设备机件损伤量变的控制，因此，设备由健康劣化为亚健康和故障，机械性安全事故就难以避免。

设备健康管理以“法治+人治+机治”的人机结合体系，对设备健康保持，亚健康和故障的全面监控，是消除和减少设备安全事故发生，减少经济损失和生产损失的有效途径。

7）环保效益。车辆机械排污正在逐渐成为我国大气的主要污染源，国家有关发动机环保标准的法规，只对新生产的发动机提出严格的要求，但问题是：新品发动机在运用一段时间后，随着健康状态的劣化，尾气就难以保持规定标准，在用发动机排污是环保治理的真正难点。

（4）设备健康管理—节能降耗“设备健康管理—节能降耗”是运用设备健康管理理论、模式和技术方法，有效解决企业“人的不节能行为和设备的不节能状态”。设备节能是一个复杂的系统工程，必须用科学理论研究和指导节能技术方案及管理调控，才能取得预期的良好效果。

设备健康管理——节能技术，以汽车为例，是针对影响节能的各个环节，运用仿生学和医学的原理及方法，进行方案设计、动态监测和优化调整，保障“产能—输能—耗能”最大限度的“开源节流”。产能是以燃料燃烧为中心的能量产生和转化的过程，这是设备各系统平衡配合的过程。耗能是以能量传输和运用为中心的能量消耗过程。

设备是“产能和耗能”的基础，必须从转变传统管理和维修保养模式入手，改变设备运行—劣化—修理，再运行—再劣化—再修理的现实状况，尽可能地减少因设备工况劣化而产生的“产能不全和无用功耗”。使设备有效保持全寿命周期健康，实现长期稳定的节能效益。

节能减排治理的关键在于预防。“设备健康管理”运用“三要素预防式节能减排”技术方案，为多、快、好、省和长治久安地解决车辆、机械、船舶节能减排提供了有效方案。

“三要素预防式节能减排”是抓住内燃发动机中对尾气排污具有决定作用的三个关键要素（气缸密封性、空燃比、点火能量）进行动态维护，通过采取综合措施，能够始终保持车辆机械的设计动力、油耗和尾气排放标准。

“三要素”是决定车辆、机械、设备能耗和尾气排放的核心要素，不仅要求每个要素自身良好，而且要求相互平衡配合，任何一个要素发生变化，都将影响发动机燃烧与排放质量，导致油耗增高和尾气超标。因此，能耗和尾气治理的关键是保证发动机三要素参数的平衡和稳定。

预先控制和过程防治是节能减排治理的核心，预防是治理成败的关键。因此，全程系统的人-机结合的监控和调理，建立节能减排“机内治理”的长效机制，始终保持发动机“三要素”的技术状态与平衡配合，是节能减排、持久稳定的有效途径。

“三要素预防式节能减排”方案具有效果好、易操作、省资金等特点。