基于故障分析的索道機械可靠性思考

劉保水 

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

關(guān)鍵詞：故障分析；索道；機械可靠性

一、問題的提出

對索道管理而言，確保索道設(shè)備安全可靠運行是一個永久的話題。這里的可靠實際是指索道設(shè)備的可靠性。國外的“可靠性工程”技術(shù)引入后，曾引起許多機械工程人員的興趣，但遇到了很多困難，這是因為可靠性技術(shù)起源于電子領(lǐng)域，它的分析方法和計算模型主要適應(yīng)電子產(chǎn)品的故障特點。而機械產(chǎn)品的故障與電子產(chǎn)品的故障有很大的不同，機械產(chǎn)品的故障類型復(fù)雜，零部件的標準化程度低，對特定的產(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。特別對索道這種復(fù)雜而又數(shù)量較少的設(shè)備或非標設(shè)備，可靠性試驗費用大、周期長，要通過試驗積累可靠性數(shù)據(jù)也很困難。對從事索道機械維護的人員來見，以索道機械故障率來衡量和認識索道維護質(zhì)量是不全面的，而應(yīng)從基于發(fā)生或可搜集到機械故障的分析，來認識和理解機械部件的可靠性。

二、機械故障的本質(zhì)和特征

1. 機械故障的本質(zhì)

構(gòu)成機械故障的三要素：載荷（引起故障的物理條件）、故障機制（載荷發(fā)生作用直至引起故障的動態(tài)或靜態(tài)的過程）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，因為有的載荷有多種故障機制，有的故障機制有多種故障模式。

2. 故障的連鎖

機械故障很重要的特征就是因果關(guān)系的連鎖很長。豐富的知識和經(jīng)驗值實際故障分析中間有益于做出正確的判斷。將多個零部件裝配在一起，使其產(chǎn)生某種功能，從而構(gòu)成機械，也是連鎖發(fā)生的主要原因。當重大的破壞現(xiàn)象產(chǎn)生時，真正的起點在別處，若只注意損壞部分，就無法找到真正的原因；連鎖越長，性質(zhì)越惡劣；多種條件混雜在一起，形成連鎖故障。

另外，機械的很多異?，F(xiàn)象與運動的動作有關(guān)，因此有必要觀察運行狀態(tài)。在靜止狀態(tài)下無論如何怎樣觀察（分解、檢查）也無法準確地找到問題點，所以在機械系統(tǒng)中能夠詳細地觀察、測定及記錄裝置運行中的動作是很重要的。

3. 機械故障的形成過程及規(guī)律

所謂機械故障，是指機械設(shè)備因偏離其設(shè)計狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。故障程度應(yīng)從定量的角度來估計功能喪失的嚴重性，通常所見到的發(fā)動機不起動、制動不靈、燃油和潤滑油消耗量異常、機械傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等都是機械故障的表現(xiàn)形式，當其超過了規(guī)定的指標，即發(fā)生了故障。機械的技術(shù)狀況隨使用時間的延長會逐漸惡化，發(fā)生故障的可能性也隨時間的延長而增大，由于故障的發(fā)生具有隨機性，很難預(yù)測故障發(fā)生的確切時間。因此，可以用累計故障率、故障密度和故障率來度量。Z常見的機械故障率隨時間變化的規(guī)律如浴盆曲線。曲線可劃分為早期故障期(初始故障)、隨機故障期(偶發(fā)故障) 和耗損故障期(衰老故障) 三個階段。機械設(shè)備在工作初期，由于設(shè)計、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，而且故障率隨時間的增加而迅速下降，呈漸減型，若進行大修或技術(shù)改造后，再次使用也會出現(xiàn)這種情況。機械設(shè)備經(jīng)過早期故障階段后，由于使用環(huán)境的偶然變化、人為操作差錯、管理不善造成的潛在缺陷、維護不良、零部件缺陷等，均可造成隨機分布的偶發(fā)故障，故障率低而穩(wěn)定。這一階段是機械設(shè)備Z佳工作時期，機械設(shè)備的使用壽命基本上由此階段決定。在機械設(shè)備使用后期，由于機械中的主要零部件的各種磨損、疲勞、老化、腐蝕等的累積達到一定程度，機械的故障率隨運轉(zhuǎn)時間的增加而不斷增大，而且上升趨快，呈漸增型，機械進入耗損故障階段，故障增多，故應(yīng)加強預(yù)防性維修和預(yù)知性維修。

三、幾種典型的故障類型

1. 疲勞破壞引起的故障

機械部件在運行時承受了呈波浪狀變動的應(yīng)力，其效果就會累積起來，經(jīng)過一定的反復(fù)次數(shù)后發(fā)展成破壞，其原因是因振動、旋轉(zhuǎn)、間歇運動引起的內(nèi)力，以及有時施加的變動外力造成的。原則上疲勞現(xiàn)象可在周密的定期維護中檢查出來，但如果出現(xiàn)遺漏，破壞會突然發(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的性質(zhì)。疲勞破壞是機械可靠性中的令人頭痛的問題，原因是疲勞不單獨發(fā)生，而與機械構(gòu)件的局部應(yīng)力集中同時發(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)很強的應(yīng)力集中，進而發(fā)展成大規(guī)模的破壞。因疲勞破壞是從零部件表面開始發(fā)展的，因此在定期檢查時應(yīng)非常謹慎地用適當?shù)姆椒ǎɡ缰絺?、磁粉探傷、超聲波探傷等）找出正在發(fā)展的細微裂紋，并進行修補，就能防止其繼續(xù)發(fā)展。對索道驅(qū)動（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、毫無遺漏地實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圍介質(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，稱為金屬腐蝕。一般認為，腐蝕速度在0.007mm/年以下，對結(jié)構(gòu)危險性不大，因為在使用期內(nèi)截面的削弱對可靠度降低是容許的；當腐蝕速度等于或大于0.1mm/ 年，則對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危險，形成破壞的危險。當出現(xiàn)化學侵蝕時，以薄弱點為起點，會造成細微的裂紋。它成為應(yīng)力集中的原因，材料整體的強度會顯著下降。當應(yīng)力和化學性腐蝕同時存在時，很意外地會在低應(yīng)力的作用下造成破壞。技術(shù)人員有時對防止腐蝕或掌握腐蝕發(fā)展的速度不是很關(guān)心，因而有必要實際地觀察已出現(xiàn)的腐蝕故障的實物，認識其實態(tài)。特別是對早期建成的索道或者國內(nèi)配套的部分，由于當時不具備整體熱鍍鋅的條件，或者對支架熱鍍鋅要求重視不夠，會造成支架內(nèi)部的嚴重銹蝕。

3. 軸承的故障

軸承是索道機械設(shè)備使用Z多的部件，也是機械維修人員日常工作關(guān)注的重點。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、腐蝕等。一般來說，滾動軸承是機器中Z精密的部件，通常情況下，它們的公差保持在機器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實踐經(jīng)驗表明，只有10%以下的軸承能夠運行到設(shè)計壽命。而大約40%的軸承失效是由于潤滑引起的故障，30% 失效是由于不對中或卡住等裝配失誤引起的故障，還有20%的失效是由于過載使用或制造上的缺陷等其它原因所致。如果設(shè)備安裝都進行了精確對中或精確平衡，不在共振頻率附近運轉(zhuǎn)，并且軸承潤滑良好，那么軸承運轉(zhuǎn)就會非常可靠，實際壽命也會接近其設(shè)計壽命。然而實際情況是，大多數(shù)使用現(xiàn)場都沒有做到這些。因此，很多軸承都因為各種不同的原因造成軸承的磨損而永久失效。維護人員的工作就是要通過各種方法檢測出早起癥狀并估計故障的嚴重程度。磨損顆粒分析和振動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、張緊及緊急驅(qū)動。對整個索道系統(tǒng)的安全運行起到至關(guān)重要的作用。泄漏與堵塞是機械工程的古典命題，理論上幾乎闡明殆盡。盡管如此，在實際工作中由于對理論和標準理解不足，令使用者、維護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)接配管部分的機械載荷（振動、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、維保時的分解再組裝不規(guī)范不合理、滑動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系統(tǒng)內(nèi)存有雜質(zhì)、換油油質(zhì)過濾精度不夠或未過濾、維保時液壓元件更換帶入雜質(zhì)或安裝時擠壞密封件造成碎屑進入系統(tǒng)等。另外，維修人員對液壓知識掌握的不系統(tǒng)、及缺乏實際維修經(jīng)驗也應(yīng)引起足夠的重視。

四、機械可靠性的思考

由于索道行業(yè)相對來說是一個小的行業(yè)，索道公司管理的索道多著十條，少者只有一條，因此，開展規(guī)范的索道機械設(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、周圍技術(shù)支持等情況進行一些基礎(chǔ)行工作。一是采用比較成熟的鐵譜分析、振動頻譜分析及各種必要的傳感器提高運行狀態(tài)檢測，二是按照規(guī)范的項目格式對各種發(fā)生故障的狀態(tài)、時間、現(xiàn)象、處理、操作、頻次、人員情況等進行記錄，三是加強維護人員技術(shù)培訓(xùn)、掌握索道設(shè)備的設(shè)計意圖、必要時進行有限元應(yīng)力分析提高故障機理機制的理解。做可靠性工作，只是單純的個案積累，難以得到具體的成績。只有將運行狀態(tài)檢測、故障信息收集、故障機理和原因分析、維修計劃信息等一系列信息進行綜合分析，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，提高索道機械設(shè)備的可靠性管理水平。

 （來源：中國索道）