基于故障分析的索道機(jī)械可靠性思考

劉保水 

摘　要：從機(jī)械故障的本質(zhì)和特征及典型故障類(lèi)型方面分析了索道機(jī)械的可靠性，提出了將運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、故障信息收集、故障機(jī)理和原因分析、維修計(jì)劃等一系列信息進(jìn)行綜合分析提高索道機(jī)械設(shè)備的可靠性管理水平的思路。

關(guān)鍵詞：故障分析；索道；機(jī)械可靠性

一、問(wèn)題的提出

對(duì)索道管理而言，確保索道設(shè)備安全可靠運(yùn)行是一個(gè)永久的話題。這里的可靠實(shí)際是指索道設(shè)備的可靠性。國(guó)外的“可靠性工程”技術(shù)引入后，曾引起許多機(jī)械工程人員的興趣，但遇到了很多困難，這是因?yàn)榭煽啃约夹g(shù)起源于電子領(lǐng)域，它的分析方法和計(jì)算模型主要適應(yīng)電子產(chǎn)品的故障特點(diǎn)。而機(jī)械產(chǎn)品的故障與電子產(chǎn)品的故障有很大的不同，機(jī)械產(chǎn)品的故障類(lèi)型復(fù)雜，零部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，對(duì)特定的產(chǎn)品具有特定的可靠性信息，很難像電子產(chǎn)品具有通用的故障率數(shù)據(jù)積累。特別對(duì)索道這種復(fù)雜而又?jǐn)?shù)量較少的設(shè)備或非標(biāo)設(shè)備，可靠性試驗(yàn)費(fèi)用大、周期長(zhǎng)，要通過(guò)試驗(yàn)積累可靠性數(shù)據(jù)也很困難。對(duì)從事索道機(jī)械維護(hù)的人員來(lái)見(jiàn)，以索道機(jī)械故障率來(lái)衡量和認(rèn)識(shí)索道維護(hù)質(zhì)量是不全面的，而應(yīng)從基于發(fā)生或可搜集到機(jī)械故障的分析，來(lái)認(rèn)識(shí)和理解機(jī)械部件的可靠性。

二、機(jī)械故障的本質(zhì)和特征

1. 機(jī)械故障的本質(zhì)

構(gòu)成機(jī)械故障的三要素：載荷（引起故障的物理?xiàng)l件）、故障機(jī)制（載荷發(fā)生作用直至引起故障的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的過(guò)程）及故障模式（故障狀態(tài)及現(xiàn)象）三者之間不是單純的直線串聯(lián)關(guān)系，而是有多種聯(lián)系，因?yàn)橛械妮d荷有多種故障機(jī)制，有的故障機(jī)制有多種故障模式。

2. 故障的連鎖

機(jī)械故障很重要的特征就是因果關(guān)系的連鎖很長(zhǎng)。豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)值實(shí)際故障分析中間有益于做出正確的判斷。將多個(gè)零部件裝配在一起，使其產(chǎn)生某種功能，從而構(gòu)成機(jī)械，也是連鎖發(fā)生的主要原因。當(dāng)重大的破壞現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，真正的起點(diǎn)在別處，若只注意損壞部分，就無(wú)法找到真正的原因；連鎖越長(zhǎng)，性質(zhì)越惡劣；多種條件混雜在一起，形成連鎖故障。

另外，機(jī)械的很多異?，F(xiàn)象與運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作有關(guān)，因此有必要觀察運(yùn)行狀態(tài)。在靜止?fàn)顟B(tài)下無(wú)論如何怎樣觀察（分解、檢查）也無(wú)法準(zhǔn)確地找到問(wèn)題點(diǎn)，所以在機(jī)械系統(tǒng)中能夠詳細(xì)地觀察、測(cè)定及記錄裝置運(yùn)行中的動(dòng)作是很重要的。

3. 機(jī)械故障的形成過(guò)程及規(guī)律

所謂機(jī)械故障，是指機(jī)械設(shè)備因偏離其設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。故障程度應(yīng)從定量的角度來(lái)估計(jì)功能喪失的嚴(yán)重性，通常所見(jiàn)到的發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)、制動(dòng)不靈、燃油和潤(rùn)滑油消耗量異常、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等都是機(jī)械故障的表現(xiàn)形式，當(dāng)其超過(guò)了規(guī)定的指標(biāo)，即發(fā)生了故障。機(jī)械的技術(shù)狀況隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸惡化，發(fā)生故障的可能性也隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，由于故障的發(fā)生具有隨機(jī)性，很難預(yù)測(cè)故障發(fā)生的確切時(shí)間。因此，可以用累計(jì)故障率、故障密度和故障率來(lái)度量。Z常見(jiàn)的機(jī)械故障率隨時(shí)間變化的規(guī)律如浴盆曲線。曲線可劃分為早期故障期(初始故障)、隨機(jī)故障期(偶發(fā)故障) 和耗損故障期(衰老故障) 三個(gè)階段。機(jī)械設(shè)備在工作初期，由于設(shè)計(jì)、制造的不完善，工藝缺陷和裝配調(diào)整缺陷，致使故障率較高，而且故障率隨時(shí)間的增加而迅速下降，呈漸減型，若進(jìn)行大修或技術(shù)改造后，再次使用也會(huì)出現(xiàn)這種情況。機(jī)械設(shè)備經(jīng)過(guò)早期故障階段后，由于使用環(huán)境的偶然變化、人為操作差錯(cuò)、管理不善造成的潛在缺陷、維護(hù)不良、零部件缺陷等，均可造成隨機(jī)分布的偶發(fā)故障，故障率低而穩(wěn)定。這一階段是機(jī)械設(shè)備Z佳工作時(shí)期，機(jī)械設(shè)備的使用壽命基本上由此階段決定。在機(jī)械設(shè)備使用后期，由于機(jī)械中的主要零部件的各種磨損、疲勞、老化、腐蝕等的累積達(dá)到一定程度，機(jī)械的故障率隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而不斷增大，而且上升趨快，呈漸增型，機(jī)械進(jìn)入耗損故障階段，故障增多，故應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防性維修和預(yù)知性維修。

三、幾種典型的故障類(lèi)型

1. 疲勞破壞引起的故障

機(jī)械部件在運(yùn)行時(shí)承受了呈波浪狀變動(dòng)的應(yīng)力，其效果就會(huì)累積起來(lái)，經(jīng)過(guò)一定的反復(fù)次數(shù)后發(fā)展成破壞，其原因是因振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、間歇運(yùn)動(dòng)引起的內(nèi)力，以及有時(shí)施加的變動(dòng)外力造成的。原則上疲勞現(xiàn)象可在周密的定期維護(hù)中檢查出來(lái)，但如果出現(xiàn)遺漏，破壞會(huì)突然發(fā)生，并發(fā)展成大規(guī)模的破壞，因此作為故障模式具有危險(xiǎn)的性質(zhì)。疲勞破壞是機(jī)械可靠性中的令人頭痛的問(wèn)題，原因是疲勞不單獨(dú)發(fā)生，而與機(jī)械構(gòu)件的局部應(yīng)力集中同時(shí)發(fā)生。局部應(yīng)力集中是主要的誘因，應(yīng)力集中發(fā)生在缺口的邊緣處，Z初的微小的裂紋可誘發(fā)很強(qiáng)的應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)展成大規(guī)模的破壞。因疲勞破壞是從零部件表面開(kāi)始發(fā)展的，因此在定期檢查時(shí)應(yīng)非常謹(jǐn)慎地用適當(dāng)?shù)姆椒ǎɡ缰絺?、磁粉探傷、超聲波探傷等）找出正在發(fā)展的細(xì)微裂紋，并進(jìn)行修補(bǔ)，就能防止其繼續(xù)發(fā)展。對(duì)索道驅(qū)動(dòng)（迂回）輪焊縫、輪組結(jié)構(gòu)件及軸、抱索器等有可能存在隱患之處徹底地、毫無(wú)遺漏地實(shí)施上述檢查是很有必要的。

2. 銹蝕破壞引起的故障

金屬材料由于受到周?chē)橘|(zhì)的作用而發(fā)生狀態(tài)的改變，轉(zhuǎn)變成新相，從而遭受破壞，稱(chēng)為金屬腐蝕。一般認(rèn)為，腐蝕速度在0.007mm/年以下，對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性不大，因?yàn)樵谑褂闷趦?nèi)截面的削弱對(duì)可靠度降低是容許的；當(dāng)腐蝕速度等于或大于0.1mm/ 年，則對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危險(xiǎn)，形成破壞的危險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)化學(xué)侵蝕時(shí)，以薄弱點(diǎn)為起點(diǎn)，會(huì)造成細(xì)微的裂紋。它成為應(yīng)力集中的原因，材料整體的強(qiáng)度會(huì)顯著下降。當(dāng)應(yīng)力和化學(xué)性腐蝕同時(shí)存在時(shí)，很意外地會(huì)在低應(yīng)力的作用下造成破壞。技術(shù)人員有時(shí)對(duì)防止腐蝕或掌握腐蝕發(fā)展的速度不是很關(guān)心，因而有必要實(shí)際地觀察已出現(xiàn)的腐蝕故障的實(shí)物，認(rèn)識(shí)其實(shí)態(tài)。特別是對(duì)早期建成的索道或者國(guó)內(nèi)配套的部分，由于當(dāng)時(shí)不具備整體熱鍍鋅的條件，或者對(duì)支架熱鍍鋅要求重視不夠，會(huì)造成支架內(nèi)部的嚴(yán)重銹蝕。

3. 軸承的故障

軸承是索道機(jī)械設(shè)備使用Z多的部件，也是機(jī)械維修人員日常工作關(guān)注的重點(diǎn)。軸承的正常失效形式為疲勞和剝塊，非正常失效主要有早期疲勞、早期磨損、燒傷、蠕動(dòng)、腐蝕等。一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承是機(jī)器中Z精密的部件，通常情況下，它們的公差保持在機(jī)器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，只有10%以下的軸承能夠運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命。而大約40%的軸承失效是由于潤(rùn)滑引起的故障，30% 失效是由于不對(duì)中或卡住等裝配失誤引起的故障，還有20%的失效是由于過(guò)載使用或制造上的缺陷等其它原因所致。如果設(shè)備安裝都進(jìn)行了精確對(duì)中或精確平衡，不在共振頻率附近運(yùn)轉(zhuǎn)，并且軸承潤(rùn)滑良好，那么軸承運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)非?？煽浚瑢?shí)際壽命也會(huì)接近其設(shè)計(jì)壽命。然而實(shí)際情況是，大多數(shù)使用現(xiàn)場(chǎng)都沒(méi)有做到這些。因此，很多軸承都因?yàn)楦鞣N不同的原因造成軸承的磨損而永久失效。維護(hù)人員的工作就是要通過(guò)各種方法檢測(cè)出早起癥狀并估計(jì)故障的嚴(yán)重程度。磨損顆粒分析和振動(dòng)分析都是很好的診斷方法。

4. 泄漏與堵塞

索道設(shè)備液壓系統(tǒng)使用部位主要用于制動(dòng)、張緊及緊急驅(qū)動(dòng)。對(duì)整個(gè)索道系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。泄漏與堵塞是機(jī)械工程的古典命題，理論上幾乎闡明殆盡。盡管如此，在實(shí)際工作中由于對(duì)理論和標(biāo)準(zhǔn)理解不足，令使用者、維護(hù)人員吃苦頭的例子不少。引起泄漏的原因主要有密封件年久劣化（熱、應(yīng)力、冷熱反復(fù)）、加在聯(lián)結(jié)部位以及聯(lián)接配管部分的機(jī)械載荷（振動(dòng)、彎曲、拉伸等外力及管子熱膨脹、收縮引起的彎拉變形）、閥內(nèi)密封面沖擊磨損、維保時(shí)的分解再組裝不規(guī)范不合理、滑動(dòng)密封部分安裝角度不合理以及雜質(zhì)附著等原因。液壓系統(tǒng)引起堵塞的原因主要有初次安裝時(shí)系統(tǒng)內(nèi)存有雜質(zhì)、換油油質(zhì)過(guò)濾精度不夠或未過(guò)濾、維保時(shí)液壓元件更換帶入雜質(zhì)或安裝時(shí)擠壞密封件造成碎屑進(jìn)入系統(tǒng)等。另外，維修人員對(duì)液壓知識(shí)掌握的不系統(tǒng)、及缺乏實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)也應(yīng)引起足夠的重視。

四、機(jī)械可靠性的思考

由于索道行業(yè)相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)小的行業(yè)，索道公司管理的索道多著十條，少者只有一條，因此，開(kāi)展規(guī)范的索道機(jī)械設(shè)備的可靠性管理有很大的難度。但是，可以根據(jù)自己的設(shè)備情況、技術(shù)人員條件、周?chē)夹g(shù)支持等情況進(jìn)行一些基礎(chǔ)行工作。一是采用比較成熟的鐵譜分析、振動(dòng)頻譜分析及各種必要的傳感器提高運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，二是按照規(guī)范的項(xiàng)目格式對(duì)各種發(fā)生故障的狀態(tài)、時(shí)間、現(xiàn)象、處理、操作、頻次、人員情況等進(jìn)行記錄，三是加強(qiáng)維護(hù)人員技術(shù)培訓(xùn)、掌握索道設(shè)備的設(shè)計(jì)意圖、必要時(shí)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析提高故障機(jī)理機(jī)制的理解。做可靠性工作，只是單純的個(gè)案積累，難以得到具體的成績(jī)。只有將運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、故障信息收集、故障機(jī)理和原因分析、維修計(jì)劃信息等一系列信息進(jìn)行綜合分析，加以技術(shù)的判斷后（這是可靠性管理的核心），才能得出有用的結(jié)論，提高索道機(jī)械設(shè)備的可靠性管理水平。

 （來(lái)源：中國(guó)索道）