淺談城市軌道交通設(shè)備維修保養(yǎng)模式

余輝敏，陳 新，徐永能，王笑天

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

1965-07開工建設(shè)的北京地鐵標(biāo)志著我國現(xiàn)代城市軌道交通發(fā)展的開端，隨著21世紀(jì)以來經(jīng)濟(jì)水平的飛速提高和城市化進(jìn)程的不斷加快，我國的軌道交通也進(jìn)入了繁榮發(fā)展階段。相應(yīng)的，城市軌道交通設(shè)備的維修工作的發(fā)展過程也應(yīng)當(dāng)是隨著城市軌道交通設(shè)備的發(fā)展不斷地細(xì)化分工、完善的過程，在18世紀(jì)維修工作還只是手工作坊的簡單維修，如今維修工作已經(jīng)發(fā)展為高技術(shù)含量的綜合維修，長期實(shí)踐以來，我國城市軌道交通行業(yè)形成了以預(yù)防維修（定期維修）為主，預(yù)知維修（狀態(tài)維修）和事后維修（緊急維修）為輔的綜合檢修體系，提出“預(yù)防為主，防治結(jié)合，修養(yǎng)并重”的檢修原則。

城市軌道交通設(shè)備種類復(fù)雜，專業(yè)設(shè)施設(shè)備的維修保養(yǎng)工作涉及專業(yè)眾多，關(guān)系到城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營的安全可靠程度，是城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，而不同種類的設(shè)施設(shè)備適用于不同的維保方案，應(yīng)作出恰當(dāng)選擇，本文以不同類型的城市軌道交通設(shè)備所對(duì)應(yīng)的維保方案為入手點(diǎn)，以安全性、風(fēng)險(xiǎn)性、經(jīng)濟(jì)性為衡量指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有的維保模型進(jìn)行適用性分析。

1 城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)備

地鐵設(shè)施設(shè)備分為基本設(shè)施系統(tǒng)和運(yùn)營設(shè)備系統(tǒng)?；驹O(shè)施系統(tǒng)有線路、軌道、路基、橋梁、隧道、車站、主變電所和控制中心。運(yùn)營設(shè)備系統(tǒng)組成如圖1所示。

根據(jù)設(shè)備的重要程度可以將設(shè)備分類為A類、B類、C類三大類，其中，第一類設(shè)備主要是生產(chǎn)設(shè)備、輔助生產(chǎn)設(shè)備，包括關(guān)鍵設(shè)備、重點(diǎn)設(shè)備、精大稀設(shè)備、主要?jiǎng)恿υO(shè)備和具有安全和環(huán)境危險(xiǎn)性的設(shè)備等；輔助生產(chǎn)線和輔助設(shè)備為B類設(shè)備；C類設(shè)備為一般設(shè)備或簡單設(shè)備。第一類設(shè)備一旦發(fā)生故障可能造成重大事故，為了避免重大損失，我們需要探索一種點(diǎn)檢定修和預(yù)防維修相結(jié)合并輔以可靠性維修的管理模式；B類設(shè)備一般采取以預(yù)防維修為主、輔以預(yù)知維修和事后維修的管理模式；由于C類設(shè)備發(fā)生故障后不會(huì)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的安全性和可靠性產(chǎn)生重大影響，所以，一般采取事后檢修或故障檢修的管理模式。以下將詳細(xì)介紹A，B，C三類設(shè)備中都包含有哪些設(shè)備，以及這些設(shè)備的維修模型及維修模型的適用性。

圖1 運(yùn)營設(shè)備系統(tǒng)組成

2 維修模型+適用設(shè)備+適用性分析

2.1 維修的發(fā)展歷程

20世紀(jì)初，工業(yè)設(shè)備比較簡單簡陋，一般在設(shè)備發(fā)生故障后才進(jìn)行維修，這種維修方式稱為事后維修。這種維修方式維修的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用設(shè)備部件的壽命，但是設(shè)備使用過程中的安全性和可靠性將有所降低，并且從經(jīng)濟(jì)、工作效益的角度來講，事后維修浪費(fèi)了較多的“剩余修理”，存在很多缺陷。隨著機(jī)器復(fù)雜性的不斷提高，人們認(rèn)識(shí)到，機(jī)械設(shè)備使用→產(chǎn)生磨損→發(fā)生故障→影響機(jī)械設(shè)備的可靠性與安全性的現(xiàn)狀。1925年前后，美國提出了“預(yù)防維修”概念，通過計(jì)算設(shè)備維修周期和其他各種預(yù)防性措施，將設(shè)備故障消除在萌芽狀態(tài)，但是預(yù)防維修也存在一定的局限性，具體表現(xiàn)為：①不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備維修周期與維修次數(shù)的確定會(huì)降低設(shè)備的使用效率和生產(chǎn)效益；②盡管確定了維修周期，但在周期間隔設(shè)備仍存在發(fā)生隨機(jī)事故的可能，預(yù)防維修并不能杜絕所有事故隱患。

隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的發(fā)展，1970年，杜邦公司開始倡議預(yù)知維修，這種維修方式通過監(jiān)測當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀況來確定維修設(shè)備的最佳時(shí)機(jī)與手段，使得人們對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況更加有把握，增強(qiáng)了設(shè)備維修的效果。

2.2 事后維修

事后維修方案適用于C類設(shè)備，這種維修方案是在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)異?；蛞呀?jīng)出現(xiàn)故障時(shí)才進(jìn)行維修的策略，由于人們無法預(yù)知故障發(fā)生的時(shí)間，往往沒有制訂維修故障的方案，所以，這種維修方式僅適用于結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備損壞后直接損失、間接損失都不大，故障后對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響小的設(shè)備，比如城市軌道交通系統(tǒng)中的照明設(shè)備、城市軌道交通車輛中的制動(dòng)設(shè)備（當(dāng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)失效后，可以采用緊急制動(dòng)）、防淹門控制系統(tǒng)、電梯機(jī)房、城市軌道交通車輛疏散門等。

2.3 預(yù)防性維修

預(yù)防性維修方案適用于B類設(shè)備，B類設(shè)備包括地鐵車輛、橋梁、鐵路運(yùn)輸房建設(shè)備、計(jì)軸設(shè)備、通信設(shè)備、轉(zhuǎn)向架等。預(yù)防維修是指依照一定的周期對(duì)設(shè)備的檢測、更換和維修，主要用于執(zhí)行規(guī)律性的維修任務(wù)，適用金屬部件和介質(zhì)零部件等，因?yàn)樗鼈冇斜容^固定的磨損消耗周期，比如金屬部件可以測算它的損耗更換時(shí)間，介質(zhì)部件也可以測算其揮發(fā)使用時(shí)長；有利于確定預(yù)防維修周期，通過預(yù)防性維修可以維持甚至改善設(shè)備的工作性能，將故障發(fā)生消滅在“萌芽”狀態(tài)，延長設(shè)備的工作壽命，提高設(shè)備的生產(chǎn)效益，降低生產(chǎn)成本。預(yù)防性維修的關(guān)鍵是要確定設(shè)備的預(yù)防性維修周期，如果定制了過長的維修周期會(huì)造成設(shè)備“維修不足”，降低設(shè)備使用的安全性與可靠性；如果制訂的維修周期過短，則會(huì)造成“維修過?！保岣吡私?jīng)濟(jì)成本。預(yù)防性維修是現(xiàn)階段常用的設(shè)備維修方式，研究者常常以建立全壽命周期的方法來確定維修決策。

對(duì)于基于可靠性的全壽命周期模型，城市軌道交通設(shè)備的維修周期應(yīng)包含2個(gè)方面：①維修的間隔。即隔多長時(shí)間維修一次最有效、最經(jīng)濟(jì)，這種時(shí)間或歷程間隔并不是一個(gè)常數(shù)，它會(huì)隨著維修次數(shù)的增大而減小。②維修的次數(shù)。一個(gè)設(shè)備并不能無休止地維修下去，當(dāng)維修到一定程度時(shí)，設(shè)備會(huì)頻繁需要維修，這并不利于設(shè)備的工作效益。

2.3.1 確定預(yù)防性維修周期

假定設(shè)備采取故障維修與預(yù)防性維修相結(jié)合的模式，當(dāng)設(shè)備在維修期間間隔內(nèi)發(fā)生故障則采用故障維修，在預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生故障則采用預(yù)防性維修。根據(jù)可靠性函數(shù)的含義可以定義設(shè)備剩余壽命可靠性，通過解方程即可得設(shè)備在工作時(shí)間t后，進(jìn)行下一次預(yù)防性維修的間隔u，如圖2所示。

2.3.2 確定預(yù)防性維修的次數(shù)

由圖2可以看出，設(shè)備的剩余壽命可靠度隨著維修次數(shù)的增多而縮短，所以，當(dāng)設(shè)備維修到一定程度時(shí)，由于維修過于頻繁，設(shè)備的安全性、可靠性下降，維修成本上升，所以，也要確定適宜的維修次數(shù)，可以建立以單位時(shí)間成本最低為目標(biāo)的預(yù)防性維修次數(shù)的函數(shù)模型。由此可以確定預(yù)防性維修的最佳維修周期與維修次數(shù)。

圖2 剩余壽命可靠度曲線

該模型利用最小二乘法獲得設(shè)備壽命描述參數(shù)，根據(jù)設(shè)備剩余壽命可靠度確定設(shè)備預(yù)防性維修最佳周期，以單位時(shí)間內(nèi)檢修成本最低為目標(biāo)確定最佳維修次數(shù)，由此可以在一定程度上彌補(bǔ)“維修不足”與“維修過?！?，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)并控制維修成本。

2.4 預(yù)知維修

預(yù)知維修方案適用于A類設(shè)備，這類設(shè)備在城市軌道交通系統(tǒng)中扮演重要角色，比如電氣設(shè)備、軸承、變電設(shè)備、高速鐵路接觸網(wǎng)等。預(yù)知維修也稱為狀態(tài)維修，這種維修方案會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)檢測信息確定維修策略，預(yù)知維修適用于可以被實(shí)施監(jiān)測的設(shè)備，且這些設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以為設(shè)備的故障診斷，故障預(yù)判提供有用信息和可靠依據(jù)，如果對(duì)這些設(shè)備實(shí)施監(jiān)測，防止故障發(fā)生，則比事后維修和預(yù)防維修方案更加經(jīng)濟(jì)。目前，經(jīng)常使用的狀態(tài)監(jiān)測方式包括油質(zhì)監(jiān)測技術(shù)、無損探傷監(jiān)測、振動(dòng)診斷技術(shù)等。油質(zhì)檢測技術(shù)是利用各種檢測儀器，檢測機(jī)器中潤滑介質(zhì)的性能變化以及介質(zhì)中存在的機(jī)器磨損微粒的情況，通過分析機(jī)器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器中潤滑介質(zhì)是否需要添加、更換以及機(jī)械的磨損程度，判斷機(jī)器的運(yùn)行狀況并預(yù)測故障發(fā)生的可能性，確定故障可能原因、類型等；無損探傷技術(shù)采用射線、超聲、紅外等技術(shù)對(duì)設(shè)備零部件進(jìn)行探測分析，在使用時(shí)應(yīng)注意不能損害機(jī)械設(shè)備的性能，探測對(duì)象主要是設(shè)備的重點(diǎn)受力部位，防止設(shè)備受力部位出現(xiàn)裂縫、沙眼等潛在的安全隱患；振動(dòng)診斷技術(shù)主要監(jiān)測對(duì)象是軸承、齒輪等受力部件，通過振動(dòng)信號(hào)分析儀、監(jiān)測和巡檢系統(tǒng)采集、分析設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，識(shí)別診斷故障部位及原因，得出故障維修方案。以下介紹一種以狀態(tài)維修為策略的維修管理體系。

2.5 城市軌道交通設(shè)備狀態(tài)維修策略

由于傳統(tǒng)的檢修模式和方法顯現(xiàn)出了遲滯性，應(yīng)當(dāng)全面考慮系統(tǒng)設(shè)備的安全性、環(huán)境、成本等要素進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，因此，該維修策略提出一個(gè)“一次設(shè)備智能化”的全新概念，主要考慮設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面，它是一種針對(duì)變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的方案，通過利用現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)評(píng)估變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及故障狀況，故障狀況包括變電設(shè)備的故障類型、危害程度、故障概率、故障等級(jí)等。

城市軌道交通設(shè)備狀態(tài)維修管理體系可以分為狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估兩大要素，其中，狀態(tài)評(píng)估是通過監(jiān)測、巡檢、試驗(yàn)等方式將設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別計(jì)算的數(shù)字代碼，計(jì)算設(shè)備健康程度是否達(dá)標(biāo)、故障發(fā)生概率等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)影響設(shè)備運(yùn)行狀況的參數(shù)的定量分析；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則主要針對(duì)設(shè)備故障發(fā)生概率、等級(jí)定性、危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)管理。在城市軌道交通設(shè)備中，原有的設(shè)備周期檢修存在一定缺陷和不足，亦存在一定風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，同時(shí)，還會(huì)提高設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，由此看來，適時(shí)地轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)設(shè)備的維修方案和理念，充分地考慮設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，制訂適當(dāng)?shù)脑O(shè)備維修策略，有利于確保設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語

維保工作的目的是維持軌道交通系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，確保軌道交通設(shè)備能達(dá)到各項(xiàng)安全和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目標(biāo)水平。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后再進(jìn)行修理，對(duì)于與行車設(shè)備相關(guān)的運(yùn)營設(shè)施或系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致車輛延誤或緊急列車救援情況出現(xiàn)。這種情況下，雖然實(shí)際承擔(dān)的檢修成本低，但可能造成直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失較大。預(yù)防性定期檢修的維修制度是按照軌道交通運(yùn)營設(shè)施運(yùn)行時(shí)間或里程的多少而制訂的，一般包括日檢、周檢、月檢和定修幾部分，目前，預(yù)防性定期檢修制度被國內(nèi)外很多軌道交通運(yùn)營設(shè)施檢修部門采用。狀態(tài)維修能夠通過有效合理的檢測手段對(duì)運(yùn)營設(shè)施進(jìn)行狀態(tài)檢測，一旦可能出現(xiàn)影響重大的安全故障或隱患時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行設(shè)備處理。這種維修方案雖然前期設(shè)備投入大，對(duì)設(shè)備檢測精度或檢測手段要求高，但能保證設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)安全隱患的概率小、可能造成的經(jīng)濟(jì)損失小、設(shè)備使用效率高、設(shè)備運(yùn)行時(shí)實(shí)際支出的維修成本低。

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