淺談城市軌道交通設備維修保養模式

余輝敏，陳 新，徐永能，王笑天

（南京理工大學，江蘇 南京 210094）

1965-07開工建設的北京地鐵標志著我國現代城市軌道交通發展的開端，隨著21世紀以來經濟水平的飛速提高和城市化進程的不斷加快，我國的軌道交通也進入了繁榮發展階段。相應的，城市軌道交通設備的維修工作的發展過程也應當是隨著城市軌道交通設備的發展不斷地細化分工、完善的過程，在18世紀維修工作還只是手工作坊的簡單維修，如今維修工作已經發展為高技術含量的綜合維修，長期實踐以來，我國城市軌道交通行業形成了以預防維修（定期維修）為主，預知維修（狀態維修）和事后維修（緊急維修）為輔的綜合檢修體系，提出“預防為主，防治結合，修養并重”的檢修原則。

城市軌道交通設備種類復雜，專業設施設備的維修保養工作涉及專業眾多，關系到城市軌道交通系統運營的安全可靠程度，是城市軌道交通系統運營維護的重要環節，而不同種類的設施設備適用于不同的維保方案，應作出恰當選擇，本文以不同類型的城市軌道交通設備所對應的維保方案為入手點，以安全性、風險性、經濟性為衡量指標，對現有的維保模型進行適用性分析。

1 城市軌道交通系統設備

地鐵設施設備分為基本設施系統和運營設備系統。基本設施系統有線路、軌道、路基、橋梁、隧道、車站、主變電所和控制中心。運營設備系統組成如圖1所示。

根據設備的重要程度可以將設備分類為A類、B類、C類三大類，其中，第一類設備主要是生產設備、輔助生產設備，包括關鍵設備、重點設備、精大稀設備、主要動力設備和具有安全和環境危險性的設備等；輔助生產線和輔助設備為B類設備；C類設備為一般設備或簡單設備。第一類設備一旦發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檢定修和預防維修相結合并輔以可靠性維修的管理模式；B類設備一般采取以預防維修為主、輔以預知維修和事后維修的管理模式；由于C類設備發生故障后不會對城市軌道交通系統的安全性和可靠性產生重大影響，所以，一般采取事后檢修或故障檢修的管理模式。以下將詳細介紹A，B，C三類設備中都包含有哪些設備，以及這些設備的維修模型及維修模型的適用性。

圖1 運營設備系統組成

2 維修模型+適用設備+適用性分析

2.1 維修的發展歷程

20世紀初，工業設備比較簡單簡陋，一般在設備發生故障后才進行維修，這種維修方式稱為事后維修。這種維修方式維修的優點是能夠充分利用設備部件的壽命，但是設備使用過程中的安全性和可靠性將有所降低，并且從經濟、工作效益的角度來講，事后維修浪費了較多的“剩余修理”，存在很多缺陷。隨著機器復雜性的不斷提高，人們認識到，機械設備使用→產生磨損→發生故障→影響機械設備的可靠性與安全性的現狀。1925年前后，美國提出了“預防維修”概念，通過計算設備維修周期和其他各種預防性措施，將設備故障消除在萌芽狀態，但是預防維修也存在一定的局限性，具體表現為：①不恰當的設備維修周期與維修次數的確定會降低設備的使用效率和生產效益；②盡管確定了維修周期，但在周期間隔設備仍存在發生隨機事故的可能，預防維修并不能杜絕所有事故隱患。

隨著計算機、微電子、信息技術的發展，1970年，杜邦公司開始倡議預知維修，這種維修方式通過監測當前設備的運行狀況來確定維修設備的最佳時機與手段，使得人們對設備的運行狀況更加有把握，增強了設備維修的效果。

2.2 事后維修

事后維修方案適用于C類設備，這種維修方案是在機械設備的運行參數異常或已經出現故障時才進行維修的策略，由于人們無法預知故障發生的時間，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構簡單、設備損壞后直接損失、間接損失都不大，故障后對系統產生影響小的設備，比如城市軌道交通系統中的照明設備、城市軌道交通車輛中的制動設備（當空氣制動系統失效后，可以采用緊急制動）、防淹門控制系統、電梯機房、城市軌道交通車輛疏散門等。

2.3 預防性維修

預防性維修方案適用于B類設備，B類設備包括地鐵車輛、橋梁、鐵路運輸房建設備、計軸設備、通信設備、轉向架等。預防維修是指依照一定的周期對設備的檢測、更換和維修，主要用于執行規律性的維修任務，適用金屬部件和介質零部件等，因為它們有比較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間，介質部件也可以測算其揮發使用時長；有利于確定預防維修周期，通過預防性維修可以維持甚至改善設備的工作性能，將故障發生消滅在“萌芽”狀態，延長設備的工作壽命，提高設備的生產效益，降低生產成本。預防性維修的關鍵是要確定設備的預防性維修周期，如果定制了過長的維修周期會造成設備“維修不足”，降低設備使用的安全性與可靠性；如果制訂的維修周期過短，則會造成“維修過剩”，提高了經濟成本。預防性維修是現階段常用的設備維修方式，研究者常常以建立全壽命周期的方法來確定維修決策。

對于基于可靠性的全壽命周期模型，城市軌道交通設備的維修周期應包含2個方面：①維修的間隔。即隔多長時間維修一次最有效、最經濟，這種時間或歷程間隔并不是一個常數，它會隨著維修次數的增大而減小。②維修的次數。一個設備并不能無休止地維修下去，當維修到一定程度時，設備會頻繁需要維修，這并不利于設備的工作效益。

2.3.1 確定預防性維修周期

假定設備采取故障維修與預防性維修相結合的模式，當設備在維修期間間隔內發生故障則采用故障維修，在預定的時間點發生故障則采用預防性維修。根據可靠性函數的含義可以定義設備剩余壽命可靠性，通過解方程即可得設備在工作時間t后，進行下一次預防性維修的間隔u，如圖2所示。

2.3.2 確定預防性維修的次數

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

圖2 剩余壽命可靠度曲線

該模型利用最小二乘法獲得設備壽命描述參數，根據設備剩余壽命可靠度確定設備預防性維修最佳周期，以單位時間內檢修成本最低為目標確定最佳維修次數，由此可以在一定程度上彌補“維修不足”與“維修過剩”，提高設備運行的安全性，降低事故發生風險并控制維修成本。

2.4 預知維修

預知維修方案適用于A類設備，這類設備在城市軌道交通系統中扮演重要角色，比如電氣設備、軸承、變電設備、高速鐵路接觸網等。預知維修也稱為狀態維修，這種維修方案會對設備進行狀態監測，根據檢測信息確定維修策略，預知維修適用于可以被實施監測的設備，且這些設備的運行數據可以為設備的故障診斷，故障預判提供有用信息和可靠依據，如果對這些設備實施監測，防止故障發生，則比事后維修和預防維修方案更加經濟。目前，經常使用的狀態監測方式包括油質監測技術、無損探傷監測、振動診斷技術等。油質檢測技術是利用各種檢測儀器，檢測機器中潤滑介質的性能變化以及介質中存在的機器磨損微粒的情況，通過分析機器的監測數據，判斷機器中潤滑介質是否需要添加、更換以及機械的磨損程度，判斷機器的運行狀況并預測故障發生的可能性，確定故障可能原因、類型等；無損探傷技術采用射線、超聲、紅外等技術對設備零部件進行探測分析，在使用時應注意不能損害機械設備的性能，探測對象主要是設備的重點受力部位，防止設備受力部位出現裂縫、沙眼等潛在的安全隱患；振動診斷技術主要監測對象是軸承、齒輪等受力部件，通過振動信號分析儀、監測和巡檢系統采集、分析設備的振動信號，識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維修為策略的維修管理體系。

2.5 城市軌道交通設備狀態維修策略

由于傳統的檢修模式和方法顯現出了遲滯性，應當全面考慮系統設備的安全性、環境、成本等要素進行狀態評價和風險評估，因此，該維修策略提出一個“一次設備智能化”的全新概念，主要考慮設備的安全性和經濟性兩個方面，它是一種針對變電設備狀態監測和故障診斷的方案，通過利用現有狀態監測數據實時評估變電設備的運行狀態以及故障狀況，故障狀況包括變電設備的故障類型、危害程度、故障概率、故障等級等。

城市軌道交通設備狀態維修管理體系可以分為狀態評估和風險評估兩大要素，其中，狀態評估是通過監測、巡檢、試驗等方式將設備的運行參數轉換為計算機可識別計算的數字代碼，計算設備健康程度是否達標、故障發生概率等，從而實現對影響設備運行狀況的參數的定量分析；風險評估則主要針對設備故障發生概率、等級定性、危險等級進行評價管理。在城市軌道交通設備中，原有的設備周期檢修存在一定缺陷和不足，亦存在一定風險和安全隱患，同時，還會提高設備的運行維護成本，由此看來，適時地轉變傳統設備的維修方案和理念，充分地考慮設備的實際運行狀態，制訂適當的設備維修策略，有利于確保設備的安全、穩定運行。

3 結束語

維保工作的目的是維持軌道交通系統的安全性、可靠性和經濟性，確保軌道交通設備能達到各項安全和經濟指標的目標水平。當設備出現故障后再進行修理，對于與行車設備相關的運營設施或系統，可能會導致車輛延誤或緊急列車救援情況出現。這種情況下，雖然實際承擔的檢修成本低，但可能造成直接或間接的經濟損失較大。預防性定期檢修的維修制度是按照軌道交通運營設施運行時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，預防性定期檢修制度被國內外很多軌道交通運營設施檢修部門采用。狀態維修能夠通過有效合理的檢測手段對運營設施進行狀態檢測，一旦可能出現影響重大的安全故障或隱患時可以及時進行設備處理。這種維修方案雖然前期設備投入大，對設備檢測精度或檢測手段要求高，但能保證設備在實際運行時出現安全隱患的概率小、可能造成的經濟損失小、設備使用效率高、設備運行時實際支出的維修成本低。

［1］溫旭輝，楊立洪，曾焱.基于預防維修的多元化維修管理體系［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2007（08）：65-69.

［2］劉德峰.中國企業的設備管理模式與管理體系［J］.中國設備工程，2008（12）：21-22.

［3］李大維，陳劭，李黎.現代檢測診斷技術及其在木工設備中的應用與發展［J］.木材加工機械，2007（06）：28-31.

［4］劉蓉.城軌車輛設備維修策略優化與決策模型［D］.北京：北京交通大學，2010.

［5］吳昊.城市軌道交通設備維修模式現狀分析［J］.中國設備工程，2010（08）：25-26.

［6］于丹丹，徐永能，李昊真.地鐵車輛設備ABC分類研究［J］.城市公共交通，2017（04）：31-34.