裝卸機械的預防性維修

李 亮 上海鐵路裝卸服務（集團）有限公司徐州北分公司

裝卸作業(yè)是鐵路運輸生產(chǎn)組織中重要的環(huán)節(jié)，直接影響到車輛的運用指標，特別是對降低各站段的車輛停留時間、中轉時間考核指標，提高鐵路運輸效率起著極為重要的作用。根據(jù)上海鐵路裝卸服務（集團）有限公司統(tǒng)計，在全局歷年的裝卸作業(yè)量中機械作業(yè)比重都超過了60%，由此可以看出，裝卸機械的運用狀況的好壞在很大程度上影響到鐵路機車車輛的運用。

對于任何一個裝卸機械的使用單位，尤其是在鐵路貨場、港口碼頭、礦山采石等場合，而采用機械作業(yè)代替人工作業(yè)，企業(yè)和社會可以達到以下幾種目的：第一，裝卸作業(yè)是一件集臟、亂、累甚至危險于一身的生產(chǎn)活動，而使用裝卸機械，特別是目前采用日趨成熟的人性化的設計理念和先進的制造技術的裝卸機械，可以有效地降低人工勞動強度，維護廣大職工的身心健康；第二，裝卸機械的運用，使過去一些無法實現(xiàn)的物體移動變得簡單易行，如重達數(shù)百噸甚至更重物件的移動特別是起升作業(yè)在過去沒有裝卸起升機械的情況下幾乎是不可能的事；第三，采用裝卸機械進行作業(yè)能夠大大提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動成本，為企業(yè)獲取最大的經(jīng)濟效益。

盡管裝卸機械為人類提供了諸多的便捷，我們也希望它的有效壽命期（隨機故障期）越長越好，但是，它們其實和人一樣，總有其“生、老、病、死”的客觀規(guī)律。

裝卸機械的故障是指裝卸機械的各項技術指標（含經(jīng)濟指標）偏離它的正常波動范圍。如發(fā)動機的非正常工作，工作裝置的工作能力下降甚至喪失，燃油、液壓油、潤滑油損耗嚴重，零部件的幾何尺寸或者形狀位置等的改變、非正常發(fā)熱、異響等等，當這些參數(shù)超過了其規(guī)定的指標時，均屬于機械故障。

裝卸機械的故障表現(xiàn)在結構上，主要是它的零件（或部件）的損壞和零件（或部件）之間相互關系被破壞，如零部件磨損超限、斷裂、變形，配合件之間的間隙過大或者過盈喪失，密封件老化或損壞導致密封失效，聯(lián)結裝置（如齒輪、鏈條、聯(lián)軸節(jié)、萬向節(jié)等）失效而導致動力喪失等等。

下面，分別論述裝卸機械故障的產(chǎn)生規(guī)律及其預防維修。

1 裝卸機械故障產(chǎn)生的基本規(guī)律

1.1 機械的故障率曲線

機械的故障率曲線是指機械在時間t內尚未發(fā)生的故障，而在下一個單位時間內可能發(fā)生故障的條件概率，也就是指機械在某一個瞬間可能發(fā)生的故障與該時刻的殘存率（即無故障概率）的比值，通常可以有λ(t)表示，故障率其數(shù)學表達式為：

其中，f(t)為機械的故障概率的密度函數(shù)。r(t)為機械使用到t時刻的殘存概率（可靠度）。

裝卸機械的故障概率隨時間而變化的規(guī)律可以用圖1的曲線來表示。

圖1 故障概率變化規(guī)律圖

根據(jù)其曲線變化的形狀，我們稱之為“浴盆曲線”。對應于故障曲線不同的時間范圍，分別為早期故障期、隨機故障期，耗損故障期。由圖可知，機械在開始階段（即磨合階段）的故障率比較高，并且呈遞減趨勢。一般情況下，大部分的裝卸機械產(chǎn)品整機在建造或大修出廠之前，并不會經(jīng)過充分的試驗、測試和調整，故而通常我們在實際使用過程中，為避免不必要的故障，新出廠或大修之后的裝卸機械應按說明書的要求，經(jīng)過不少于8h的充分磨合；第二個階段是隨機故障期，其故障類型為恒定型，并且它的值最小，該時期內的故障亦最容易處理，這是機械產(chǎn)品使用性能和經(jīng)濟指標的最佳時期;機械產(chǎn)品到了有效壽命的后期，即損耗故障期，其故障率不斷增大，呈遞增趨勢，使產(chǎn)品的使用性能和經(jīng)濟指標受到極大影響，它是影響機械產(chǎn)品的有效壽命的決定性因素，所以它也是機械故障的主要研究對象，對其須尤其關注。

1.2 裝卸機械故障分布規(guī)律

由于各種裝卸機械零部件數(shù)目巨大，類型繁雜，而且各個零件的結構特點和工作時所承受的載荷又不盡相同，其各自的性能和指標參數(shù)隨著時間變化的速率和參數(shù)和極限指標也參差不齊，我們可以用一組曲線表示各個零件的參數(shù)變化規(guī)律，即可根據(jù)各個零件達到極限指標的時刻而得到機械故障的分布規(guī)律，圖2就是用來近似地表示各個零件的狀態(tài)參數(shù)隨時間的變化而變化的關系。

圖2 各個零件的狀態(tài)參數(shù)變化關系圖

其中：U(t)為各種零件的狀態(tài)參數(shù)，Uс是它的極限指標；f(t)為機械的故障率密度函數(shù)。

如果用數(shù)學表達示來表示，其函數(shù)為：

U(t)=Ctγ+Uo

其中：C、γ是常數(shù)，類型不同的零件其值不同。Uo是初始參數(shù)。

當u(t)達到極限指標Uc時，即表示機械故障發(fā)生了，實際應用中，如果發(fā)生機械故障，應立刻停機檢查，并加以排除，必要時須請維修工給予修理，這樣才能保證裝卸機械的工作的可靠性，并且提高其使用壽命，否則，會使機械故障范圍和程度擴大，甚至會嚴重影響生產(chǎn)。

2 裝卸機械的預防維修

2.1 裝卸機械預防維修的概述

當裝卸機械在運轉過程中發(fā)生故障后，除了是它達到了報廢的標準不再需要修復之外，一般采取維修的方法使其恢復使用性能的，只是在生產(chǎn)活動中維修方式通常有兩種：

一種是在故障發(fā)生之后進行修理，稱之為“事后修理”，“事后修理”多應用于在簡單機械的外部易拆易裝的部位上且非關鍵性的零件，它的破壞或發(fā)生故障時不至于影響其它零部件的正常工作，這種故障一般是在實際發(fā)生之后才進行必要的維修，以降低機械的使用成本。

另一種即是本文重點講述的預防維修，這種維修的故障大致有三類：一類是，可能引起人身傷亡事故的故障，如各種裝卸機械的制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等都涉及到人身安全，一旦這些系統(tǒng)的零部件發(fā)生故障，使機械的制動、轉向、報警失靈，極易導致人身傷亡事故，第二類是，可能引起整個機械破壞的故障，如發(fā)動機的曲軸、連桿機構，電動機和減速器中的齒輪或軸承及安全裝置等，當這些機械或系統(tǒng)發(fā)生故障時都會有可能使機械局部遭到破壞，如單個發(fā)動機、電動機、減速器或整臺設備損毀如傾覆、掉道脫軌等。第三類是某些復雜機構中的內部零件，如果我們在其故障實際發(fā)生之后再進行維修，就會帶來一系列的附加的零件的拆、卸、裝、配、測試、調整等工作，這些輔助性的工作會占用大量的時間，耗費大量的人力，物力，不但需要增加維修成本，而且降低了機械實際利用率，影響生產(chǎn)作業(yè)。

對于裝卸機械發(fā)生上面所述的故障時，如果能對其進行有效的預防維修，對機械設備的運用管理有以下幾點好處：一是落實國家“安全第一，預防為主”的方針政策，保證設備使用安全，防止設備事故的發(fā)生；二是最大程度地保證參與裝卸作業(yè)人員的人身安全，在我們鐵路裝卸歷史上就發(fā)生過因為起升限位故障未能及時修復，導致鉤頭墜落造成一名起重工腿骨骨折的重傷事故；三是選擇適當?shù)念A防維修時機可以避免擴大損失，降低維修成本，并將對裝卸作業(yè)的影響減少到最低程度；四是裝卸機械實行預防維修，將故障解決在發(fā)生之前，有利于機械的正常保養(yǎng)、維護，延長其使用壽命；五是能節(jié)約維修時間，保持裝卸機械的可靠性，提高實際利用率，為企業(yè)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

我們知道，裝卸機械使用和維修中的大修周期（用T表示），指的是從投入使用到經(jīng)過若干次技術保養(yǎng)和局部修理（臨修），直至最后的恢復性大修。對于不同裝卸機械的維修保養(yǎng)周期，目前基本上是依據(jù)設備的作業(yè)量和運轉小時來確定的，這是由多年的經(jīng)驗累計而總結出來的，有一定的科學性，但是也有它固有的局限性，如造成早該修的未修（失修），不該修的也修（過剩修理），另外還會造成一些由于修理帶來的人為故障等。盡管近年來，人們按照設備的不同制造單位、工況、作業(yè)頻率和其它作業(yè)特點等對設備的大中修的兩個條件（作業(yè)量和運轉小時）確定了相應的調整系數(shù)，盡可能客觀地反映設備的使用狀態(tài)，但還是不能充分反映裝卸機械大中修的必要條件。

目前設備維修工作的發(fā)展趨勢是預防維修，美國、日本和德、法等國家在機械設備預防監(jiān)測、故障診斷和維修技術研究方面開展得比較早，在世界上處于領先地位，并得到了長足的發(fā)展，根據(jù)日本資料介紹，采用設備診斷和預防維修技術，每年設備維修費用可以減少25-50%，而故障停機時間可降低75%左右，經(jīng)濟效益十分可觀。工業(yè)發(fā)達國家的統(tǒng)計表明，90%的設備要求實行預防性維修，只有10%的設備才需要采用定期維修，這樣做可以使設備利用率最高，維修費用最低。

2.2 預防維修的基本過程

從上面所述可知，實行預防維修對裝卸機械的維護和使用有極大的好處，那么，對機械如何進行預防維修呢？圖3就是裝卸機械故障的實際診斷基本流程圖。

圖3 裝卸機械故障的實際診斷基本流程圖

對裝卸機械設備運行狀態(tài)等信息的采集分析和處理主要有以下三種方法。

2.2.1 直接了解觀察法

這是根據(jù)裝卸機械設備的運行狀態(tài)，決策人利用其所積累的知識和經(jīng)驗作出判斷的方法。決策人首先需要對裝卸機械操作人員等相關人員咨詢了解使用狀況、通過對機械設備觀其表、聽其聲、嗅其味、看其動、感其溫，直接觀察到故障信息，并以豐富的經(jīng)驗和維修技術判斷故障可能出現(xiàn)的原因和位置，從而達到預測和預報的目的，如發(fā)動機敲缸聲、冒黑煙，起重機械啃軌現(xiàn)象，裝載機變速箱非正常溫升等等，這些故障信息都可以直接通過觀察機械了解而得到，這種經(jīng)驗和技術對于我們鐵路裝卸機械的故障診斷和預測而言是非常重要的，即使在可預見的將來，科學技術高度發(fā)展了，也不可能完全被用儀器設備診斷技術取代。

2.2.2 機械性能測定法

這是通過專門的檢測工具對裝卸機械性能進行測定而獲取信息并由此分析判斷故障信息的方法。裝卸機械運行性能參數(shù)主要是指振動、聲音、溫度、壓力、流量、電參數(shù)、表面形貌、潤滑情況和排放物等。

這里就簡單地介紹其中幾個重要參數(shù)的檢測與分析方法：

（1）振動。振動是機械運行過程中最普遍和常見的現(xiàn)象，就如同人的脈搏能夠反映其體內器官的功能好壞一樣，裝卸機械運行的很多狀態(tài)特征也都能反映在振動信息中，故障往往會能引起機械振動強度或頻率的加劇。有資料顯示，由于振動引起機械設備故障的比例達到60%以上，振動信號的獲取比較容易，近年來，利用振動作為測試手段和分析技術發(fā)展迅猛，加之計算機輔助技術的日益進步，振動監(jiān)測與分析技術已經(jīng)在機械故障診斷領域占據(jù)重要地位，應用的最多且普遍。

振動監(jiān)測就是利用機械設備運動時產(chǎn)生的信號，根據(jù)測得的位移、速度、加速度、頻率和相位等參數(shù)，對其進行分析處理，最終作出診斷。這一監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、測量儀器、分析儀器和記錄儀器4個部分組成。目前市場上已經(jīng)能夠提供許多功能強大、性價比合理的振動監(jiān)測與診斷儀器，對機械設備進行單點或多點采樣，可以提供在線或離線監(jiān)測。

（2）噪聲。在裝卸機械運轉過程中，噪聲是與振動相伴隨行的，噪聲也是判斷裝卸機械故障的主要信息來源之一，當機械設備發(fā)生故障時，往往會發(fā)出異常的聲響，我們通常可以從噪聲中提取特征信息，判斷機械故障發(fā)生的原因、位置以及故障程度，進而及時采取相應的措施。

利用聲波信號進行故障檢測與診斷可以采用噪聲頻譜分析法，即可以從噪聲的頻譜中找出與設備系統(tǒng)工作特性有關的純音頻峰值，如齒輪的嚙合頻率、滾動軸承的故障間隔頻率等，再追根求源，找到噪聲源和對應的故障。

（3）溫度。裝卸機械在運行過程中，伴隨機械設備部件的相對運動等會產(chǎn)生熱量，其表象就是溫度的變化，它的升與降反映了機械設備機件的熱力過程，異常的溫升或溫降說明產(chǎn)生了熱故障。如內燃機燃燒不正常，則溫度分布不均；軸承損壞，則熱量增加，溫度升高；離合器摩擦片分離不徹底，油溫度則會迅速提高，因此在實際工作中，經(jīng)常可以從機械設備某一部分的溫度異常變化中判斷該設備是否存在某些故障或預測可能將會發(fā)生的故障。例如我國鐵道部在火車車輛軸承處使用了紅外軸溫探測器，進行紅外溫度診斷和預防維修工作，使車輛燃軸事故大大減少，相當于每年增加車輛43萬輛，從而可增加收入2億多元，取得了可觀的效益。

2.2.3 磨損殘余物分析法

裝卸機械內部機構、部件之間的相對運動較多，有相對運動，就有相互之間的磨擦，其零部件就會產(chǎn)生磨損，我們通過對磨損殘余物在潤滑油中的種類以及含量等的測量，分析油樣，就可以得到有關零部件損壞情況的信息。如柴油發(fā)動機的軸瓦是采用銅鉛合金或錫鋁合金等高性能材料制作的，如果在發(fā)動機的油底殼里此類合金材料含量超出正常范圍，就說明發(fā)動機有軸瓦磨損可能已經(jīng)超標，需要進一步檢查軸瓦和曲軸的配合間隙，防止故障的擴大；而如果油底殼油樣中鋁的含量異常增高，則表明活塞磨損。變速箱潤滑油中如果銅含量增加，則有可能是離合器的摩擦片磨損。常見的磨損殘余物分析法有磁塞分析法、光譜分析法和鐵譜分析法三種，有關材料中有詳細論述，這里不再贅述。

對裝卸機械設備運行狀態(tài)等信息的采集分析和處理還有其它方法，如頻閃觀察法、泄漏檢測法、厚度檢測法等。例如對起重機鉤頭、卷筒就需要采用超聲波檢測及厚度檢測法等來判斷故障的位置和損壞程度。

在日常的設備管理中，應建立裝卸機械設備運行狀態(tài)定期檢測制度，并對采集的信息進行分析，要能夠識別機械設備運行正常與否，如果已經(jīng)損壞，就要對癥下藥，及時處理，如果還是處于早期故障階段，就要根據(jù)故障的趨勢，確定適當?shù)臅r機和范圍，進行預防性維修，防止故障損失擴大蔓延。

盡管對裝卸機械的故障有多種診斷和分析方法，但是真正要利用這些信息來識別、判定故障，卻不是一件簡單的事。由于裝卸機械的組成結構和運行系統(tǒng)較為復雜，其故障產(chǎn)生的機理具有多樣性、層次性、相關性、延時性以及模糊性等特征，所以故障診斷是一門綜合了多種信息和知識的學科。故障診斷、識別和預防性維修方案的成功與否主要取決于故障信息是否足夠和有用、機械運行狀態(tài)的信息（包括正常運行信息和故障信息）是否保存并建立數(shù)據(jù)庫以及決策人是否具有多方面的診斷、分析知識等三個方面。

3 結束語

我們在徐州北裝卸分公司的裝載機、門吊使用管理上做過一次有益的探索，輔之以其它手段，特別是加強了日常維護保養(yǎng)工作，并制定了相應的規(guī)章制度，要求有專人負責落實，取得了不錯的效果，根據(jù)統(tǒng)計，采用故障診斷和預防性維修措施可以減少維修成本支出25%以上。

為了節(jié)約成本開支，認真貫徹落實鐵道部提出的"提升運輸經(jīng)營效益，提升經(jīng)營管理品質，提升企業(yè)市場形象"精神和規(guī)范管理年的要求，我們建議有條件的單位能夠配備相應的檢測診斷設備，指定專人采集本單位各類裝卸機械相關運行狀態(tài)各種數(shù)據(jù)和信息，建立數(shù)據(jù)庫，并充分利用其對裝卸機械設備進行有效管理。