装卸机械的预防性维修

2010-06-20上海铁路装卸服务集团有限公司徐州北分公司

上海铁道增刊 2010年1期

李亮上海铁路装卸服务（集团）有限公司徐州北分公司

装卸作业是铁路运输生产组织中重要的环节，直接影响到车辆的运用指标，特别是对降低各站段的车辆停留时间、中转时间考核指标，提高铁路运输效率起着极为重要的作用。根据上海铁路装卸服务（集团）有限公司统计，在全局历年的装卸作业量中机械作业比重都超过了60%，由此可以看出，装卸机械的运用状况的好坏在很大程度上影响到铁路机车车辆的运用。

对于任何一个装卸机械的使用单位，尤其是在铁路货场、港口码头、矿山采石等场合，而采用机械作业代替人工作业，企业和社会可以达到以下几种目的：第一，装卸作业是一件集脏、乱、累甚至危险于一身的生产活动，而使用装卸机械，特别是目前采用日趋成熟的人性化的设计理念和先进的制造技术的装卸机械，可以有效地降低人工劳动强度，维护广大职工的身心健康；第二，装卸机械的运用，使过去一些无法实现的物体移动变得简单易行，如重达数百吨甚至更重物件的移动特别是起升作业在过去没有装卸起升机械的情况下几乎是不可能的事；第三，采用装卸机械进行作业能够大大提高劳动生产率，降低劳动成本，为企业获取最大的经济效益。

尽管装卸机械为人类提供了诸多的便捷，我们也希望它的有效寿命期（随机故障期）越长越好，但是，它们其实和人一样，总有其“生、老、病、死”的客观规律。

装卸机械的故障是指装卸机械的各项技术指标（含经济指标）偏离它的正常波动范围。如发动机的非正常工作，工作装置的工作能力下降甚至丧失，燃油、液压油、润滑油损耗严重，零部件的几何尺寸或者形状位置等的改变、非正常发热、异响等等，当这些参数超过了其规定的指标时，均属于机械故障。

装卸机械的故障表现在结构上，主要是它的零件（或部件）的损坏和零件（或部件）之间相互关系被破坏，如零部件磨损超限、断裂、变形，配合件之间的间隙过大或者过盈丧失，密封件老化或损坏导致密封失效，联结装置（如齿轮、链条、联轴节、万向节等）失效而导致动力丧失等等。

下面，分别论述装卸机械故障的产生规律及其预防维修。

1 装卸机械故障产生的基本规律

1.1 机械的故障率曲线

机械的故障率曲线是指机械在时间t内尚未发生的故障，而在下一个单位时间内可能发生故障的条件概率，也就是指机械在某一个瞬间可能发生的故障与该时刻的残存率（即无故障概率）的比值，通常可以有λ(t)表示，故障率其数学表达式为：

其中，f(t)为机械的故障概率的密度函数。r(t)为机械使用到t时刻的残存概率（可靠度）。

装卸机械的故障概率随时间而变化的规律可以用图1的曲线来表示。

图1 故障概率变化规律图

根据其曲线变化的形状，我们称之为“浴盆曲线”。对应于故障曲线不同的时间范围，分别为早期故障期、随机故障期，耗损故障期。由图可知，机械在开始阶段（即磨合阶段）的故障率比较高，并且呈递减趋势。一般情况下，大部分的装卸机械产品整机在建造或大修出厂之前，并不会经过充分的试验、测试和调整，故而通常我们在实际使用过程中，为避免不必要的故障，新出厂或大修之后的装卸机械应按说明书的要求，经过不少于8h的充分磨合；第二个阶段是随机故障期，其故障类型为恒定型，并且它的值最小，该时期内的故障亦最容易处理，这是机械产品使用性能和经济指标的最佳时期;机械产品到了有效寿命的后期，即损耗故障期，其故障率不断增大，呈递增趋势，使产品的使用性能和经济指标受到极大影响，它是影响机械产品的有效寿命的决定性因素，所以它也是机械故障的主要研究对象，对其须尤其关注。

1.2 装卸机械故障分布规律

由于各种装卸机械零部件数目巨大，类型繁杂，而且各个零件的结构特点和工作时所承受的载荷又不尽相同，其各自的性能和指标参数随着时间变化的速率和参数和极限指标也参差不齐，我们可以用一组曲线表示各个零件的参数变化规律，即可根据各个零件达到极限指标的时刻而得到机械故障的分布规律，图2就是用来近似地表示各个零件的状态参数随时间的变化而变化的关系。

图2 各个零件的状态参数变化关系图

其中：U(t)为各种零件的状态参数，Uс是它的极限指标；f(t)为机械的故障率密度函数。

如果用数学表达示来表示，其函数为：

U(t)=Ctγ+Uo

其中：C、γ是常数，类型不同的零件其值不同。Uo是初始参数。

当u(t)达到极限指标Uc时，即表示机械故障发生了，实际应用中，如果发生机械故障，应立刻停机检查，并加以排除，必要时须请维修工给予修理，这样才能保证装卸机械的工作的可靠性，并且提高其使用寿命，否则，会使机械故障范围和程度扩大，甚至会严重影响生产。

2 装卸机械的预防维修

2.1 装卸机械预防维修的概述

当装卸机械在运转过程中发生故障后，除了是它达到了报废的标准不再需要修复之外，一般采取维修的方法使其恢复使用性能的，只是在生产活动中维修方式通常有两种：

一种是在故障发生之后进行修理，称之为“事后修理”，“事后修理”多应用于在简单机械的外部易拆易装的部位上且非关键性的零件，它的破坏或发生故障时不至于影响其它零部件的正常工作，这种故障一般是在实际发生之后才进行必要的维修，以降低机械的使用成本。

另一种即是本文重点讲述的预防维修，这种维修的故障大致有三类：一类是，可能引起人身伤亡事故的故障，如各种装卸机械的制动系统、转向系统、报警系统等都涉及到人身安全，一旦这些系统的零部件发生故障，使机械的制动、转向、报警失灵，极易导致人身伤亡事故，第二类是，可能引起整个机械破坏的故障，如发动机的曲轴、连杆机构，电动机和减速器中的齿轮或轴承及安全装置等，当这些机械或系统发生故障时都会有可能使机械局部遭到破坏，如单个发动机、电动机、减速器或整台设备损毁如倾覆、掉道脱轨等。第三类是某些复杂机构中的内部零件，如果我们在其故障实际发生之后再进行维修，就会带来一系列的附加的零件的拆、卸、装、配、测试、调整等工作，这些辅助性的工作会占用大量的时间，耗费大量的人力，物力，不但需要增加维修成本，而且降低了机械实际利用率，影响生产作业。

对于装卸机械发生上面所述的故障时，如果能对其进行有效的预防维修，对机械设备的运用管理有以下几点好处：一是落实国家“安全第一，预防为主”的方针政策，保证设备使用安全，防止设备事故的发生；二是最大程度地保证参与装卸作业人员的人身安全，在我们铁路装卸历史上就发生过因为起升限位故障未能及时修复，导致钩头坠落造成一名起重工腿骨骨折的重伤事故；三是选择适当的预防维修时机可以避免扩大损失，降低维修成本，并将对装卸作业的影响减少到最低程度；四是装卸机械实行预防维修，将故障解决在发生之前，有利于机械的正常保养、维护，延长其使用寿命；五是能节约维修时间，保持装卸机械的可靠性，提高实际利用率，为企业产生良好的经济效益。

我们知道，装卸机械使用和维修中的大修周期（用T表示），指的是从投入使用到经过若干次技术保养和局部修理（临修），直至最后的恢复性大修。对于不同装卸机械的维修保养周期，目前基本上是依据设备的作业量和运转小时来确定的，这是由多年的经验累计而总结出来的，有一定的科学性，但是也有它固有的局限性，如造成早该修的未修（失修），不该修的也修（过剩修理），另外还会造成一些由于修理带来的人为故障等。尽管近年来，人们按照设备的不同制造单位、工况、作业频率和其它作业特点等对设备的大中修的两个条件（作业量和运转小时）确定了相应的调整系数，尽可能客观地反映设备的使用状态，但还是不能充分反映装卸机械大中修的必要条件。

目前设备维修工作的发展趋势是预防维修，美国、日本和德、法等国家在机械设备预防监测、故障诊断和维修技术研究方面开展得比较早，在世界上处于领先地位，并得到了长足的发展，根据日本资料介绍，采用设备诊断和预防维修技术，每年设备维修费用可以减少25-50%，而故障停机时间可降低75%左右，经济效益十分可观。工业发达国家的统计表明，90%的设备要求实行预防性维修，只有10%的设备才需要采用定期维修，这样做可以使设备利用率最高，维修费用最低。

2.2 预防维修的基本过程

从上面所述可知，实行预防维修对装卸机械的维护和使用有极大的好处，那么，对机械如何进行预防维修呢？图3就是装卸机械故障的实际诊断基本流程图。

图3 装卸机械故障的实际诊断基本流程图

对装卸机械设备运行状态等信息的采集分析和处理主要有以下三种方法。

2.2.1 直接了解观察法

这是根据装卸机械设备的运行状态，决策人利用其所积累的知识和经验作出判断的方法。决策人首先需要对装卸机械操作人员等相关人员咨询了解使用状况、通过对机械设备观其表、听其声、嗅其味、看其动、感其温，直接观察到故障信息，并以丰富的经验和维修技术判断故障可能出现的原因和位置，从而达到预测和预报的目的，如发动机敲缸声、冒黑烟，起重机械啃轨现象，装载机变速箱非正常温升等等，这些故障信息都可以直接通过观察机械了解而得到，这种经验和技术对于我们铁路装卸机械的故障诊断和预测而言是非常重要的，即使在可预见的将来，科学技术高度发展了，也不可能完全被用仪器设备诊断技术取代。

2.2.2 机械性能测定法

这是通过专门的检测工具对装卸机械性能进行测定而获取信息并由此分析判断故障信息的方法。装卸机械运行性能参数主要是指振动、声音、温度、压力、流量、电参数、表面形貌、润滑情况和排放物等。

这里就简单地介绍其中几个重要参数的检测与分析方法：

（1）振动。振动是机械运行过程中最普遍和常见的现象，就如同人的脉搏能够反映其体内器官的功能好坏一样，装卸机械运行的很多状态特征也都能反映在振动信息中，故障往往会能引起机械振动强度或频率的加剧。有资料显示，由于振动引起机械设备故障的比例达到60%以上，振动信号的获取比较容易，近年来，利用振动作为测试手段和分析技术发展迅猛，加之计算机辅助技术的日益进步，振动监测与分析技术已经在机械故障诊断领域占据重要地位，应用的最多且普遍。

振动监测就是利用机械设备运动时产生的信号，根据测得的位移、速度、加速度、频率和相位等参数，对其进行分析处理，最终作出诊断。这一监测系统由传感器、测量仪器、分析仪器和记录仪器4个部分组成。目前市场上已经能够提供许多功能强大、性价比合理的振动监测与诊断仪器，对机械设备进行单点或多点采样，可以提供在线或离线监测。

（2）噪声。在装卸机械运转过程中，噪声是与振动相伴随行的，噪声也是判断装卸机械故障的主要信息来源之一，当机械设备发生故障时，往往会发出异常的声响，我们通常可以从噪声中提取特征信息，判断机械故障发生的原因、位置以及故障程度，进而及时采取相应的措施。

利用声波信号进行故障检测与诊断可以采用噪声频谱分析法，即可以从噪声的频谱中找出与设备系统工作特性有关的纯音频峰值，如齿轮的啮合频率、滚动轴承的故障间隔频率等，再追根求源，找到噪声源和对应的故障。

（3）温度。装卸机械在运行过程中，伴随机械设备部件的相对运动等会产生热量，其表象就是温度的变化，它的升与降反映了机械设备机件的热力过程，异常的温升或温降说明产生了热故障。如内燃机燃烧不正常，则温度分布不均；轴承损坏，则热量增加，温度升高；离合器摩擦片分离不彻底，油温度则会迅速提高，因此在实际工作中，经常可以从机械设备某一部分的温度异常变化中判断该设备是否存在某些故障或预测可能将会发生的故障。例如我国铁道部在火车车辆轴承处使用了红外轴温探测器，进行红外温度诊断和预防维修工作，使车辆燃轴事故大大减少，相当于每年增加车辆43万辆，从而可增加收入2亿多元，取得了可观的效益。

2.2.3 磨损残余物分析法

装卸机械内部机构、部件之间的相对运动较多，有相对运动，就有相互之间的磨擦，其零部件就会产生磨损，我们通过对磨损残余物在润滑油中的种类以及含量等的测量，分析油样，就可以得到有关零部件损坏情况的信息。如柴油发动机的轴瓦是采用铜铅合金或锡铝合金等高性能材料制作的，如果在发动机的油底壳里此类合金材料含量超出正常范围，就说明发动机有轴瓦磨损可能已经超标，需要进一步检查轴瓦和曲轴的配合间隙，防止故障的扩大；而如果油底壳油样中铝的含量异常增高，则表明活塞磨损。变速箱润滑油中如果铜含量增加，则有可能是离合器的摩擦片磨损。常见的磨损残余物分析法有磁塞分析法、光谱分析法和铁谱分析法三种，有关材料中有详细论述，这里不再赘述。

对装卸机械设备运行状态等信息的采集分析和处理还有其它方法，如频闪观察法、泄漏检测法、厚度检测法等。例如对起重机钩头、卷筒就需要采用超声波检测及厚度检测法等来判断故障的位置和损坏程度。

在日常的设备管理中，应建立装卸机械设备运行状态定期检测制度，并对采集的信息进行分析，要能够识别机械设备运行正常与否，如果已经损坏，就要对症下药，及时处理，如果还是处于早期故障阶段，就要根据故障的趋势，确定适当的时机和范围，进行预防性维修，防止故障损失扩大蔓延。

尽管对装卸机械的故障有多种诊断和分析方法，但是真正要利用这些信息来识别、判定故障，却不是一件简单的事。由于装卸机械的组成结构和运行系统较为复杂，其故障产生的机理具有多样性、层次性、相关性、延时性以及模糊性等特征，所以故障诊断是一门综合了多种信息和知识的学科。故障诊断、识别和预防性维修方案的成功与否主要取决于故障信息是否足够和有用、机械运行状态的信息（包括正常运行信息和故障信息）是否保存并建立数据库以及决策人是否具有多方面的诊断、分析知识等三个方面。