浅谈城市轨道交通设备维修保养模式

余辉敏，陈 新，徐永能，王笑天

（南京理工大学，江苏 南京 210094）

1965-07开工建设的北京地铁标志着我国现代城市轨道交通发展的开端，随着21世纪以来经济水平的飞速提高和城市化进程的不断加快，我国的轨道交通也进入了繁荣发展阶段。相应的，城市轨道交通设备的维修工作的发展过程也应当是随着城市轨道交通设备的发展不断地细化分工、完善的过程，在18世纪维修工作还只是手工作坊的简单维修，如今维修工作已经发展为高技术含量的综合维修，长期实践以来，我国城市轨道交通行业形成了以预防维修（定期维修）为主，预知维修（状态维修）和事后维修（紧急维修）为辅的综合检修体系，提出“预防为主，防治结合，修养并重”的检修原则。

城市轨道交通设备种类复杂，专业设施设备的维修保养工作涉及专业众多，关系到城市轨道交通系统运营的安全可靠程度，是城市轨道交通系统运营维护的重要环节，而不同种类的设施设备适用于不同的维保方案，应作出恰当选择，本文以不同类型的城市轨道交通设备所对应的维保方案为入手点，以安全性、风险性、经济性为衡量指标，对现有的维保模型进行适用性分析。

1 城市轨道交通系统设备

地铁设施设备分为基本设施系统和运营设备系统。基本设施系统有线路、轨道、路基、桥梁、隧道、车站、主变电所和控制中心。运营设备系统组成如图1所示。

根据设备的重要程度可以将设备分类为A类、B类、C类三大类，其中，第一类设备主要是生产设备、辅助生产设备，包括关键设备、重点设备、精大稀设备、主要动力设备和具有安全和环境危险性的设备等；辅助生产线和辅助设备为B类设备；C类设备为一般设备或简单设备。第一类设备一旦发生故障可能造成重大事故，为了避免重大损失，我们需要探索一种点检定修和预防维修相结合并辅以可靠性维修的管理模式；B类设备一般采取以预防维修为主、辅以预知维修和事后维修的管理模式；由于C类设备发生故障后不会对城市轨道交通系统的安全性和可靠性产生重大影响，所以，一般采取事后检修或故障检修的管理模式。以下将详细介绍A，B，C三类设备中都包含有哪些设备，以及这些设备的维修模型及维修模型的适用性。

图1 运营设备系统组成

2 维修模型+适用设备+适用性分析

2.1 维修的发展历程

20世纪初，工业设备比较简单简陋，一般在设备发生故障后才进行维修，这种维修方式称为事后维修。这种维修方式维修的优点是能够充分利用设备部件的寿命，但是设备使用过程中的安全性和可靠性将有所降低，并且从经济、工作效益的角度来讲，事后维修浪费了较多的“剩余修理”，存在很多缺陷。随着机器复杂性的不断提高，人们认识到，机械设备使用→产生磨损→发生故障→影响机械设备的可靠性与安全性的现状。1925年前后，美国提出了“预防维修”概念，通过计算设备维修周期和其他各种预防性措施，将设备故障消除在萌芽状态，但是预防维修也存在一定的局限性，具体表现为：①不恰当的设备维修周期与维修次数的确定会降低设备的使用效率和生产效益；②尽管确定了维修周期，但在周期间隔设备仍存在发生随机事故的可能，预防维修并不能杜绝所有事故隐患。

随着计算机、微电子、信息技术的发展，1970年，杜邦公司开始倡议预知维修，这种维修方式通过监测当前设备的运行状况来确定维修设备的最佳时机与手段，使得人们对设备的运行状况更加有把握，增强了设备维修的效果。

2.2 事后维修

事后维修方案适用于C类设备，这种维修方案是在机械设备的运行参数异常或已经出现故障时才进行维修的策略，由于人们无法预知故障发生的时间，往往没有制订维修故障的方案，所以，这种维修方式仅适用于结构简单、设备损坏后直接损失、间接损失都不大，故障后对系统产生影响小的设备，比如城市轨道交通系统中的照明设备、城市轨道交通车辆中的制动设备（当空气制动系统失效后，可以采用紧急制动）、防淹门控制系统、电梯机房、城市轨道交通车辆疏散门等。

2.3 预防性维修

预防性维修方案适用于B类设备，B类设备包括地铁车辆、桥梁、铁路运输房建设备、计轴设备、通信设备、转向架等。预防维修是指依照一定的周期对设备的检测、更换和维修，主要用于执行规律性的维修任务，适用金属部件和介质零部件等，因为它们有比较固定的磨损消耗周期，比如金属部件可以测算它的损耗更换时间，介质部件也可以测算其挥发使用时长；有利于确定预防维修周期，通过预防性维修可以维持甚至改善设备的工作性能，将故障发生消灭在“萌芽”状态，延长设备的工作寿命，提高设备的生产效益，降低生产成本。预防性维修的关键是要确定设备的预防性维修周期，如果定制了过长的维修周期会造成设备“维修不足”，降低设备使用的安全性与可靠性；如果制订的维修周期过短，则会造成“维修过剩”，提高了经济成本。预防性维修是现阶段常用的设备维修方式，研究者常常以建立全寿命周期的方法来确定维修决策。

对于基于可靠性的全寿命周期模型，城市轨道交通设备的维修周期应包含2个方面：①维修的间隔。即隔多长时间维修一次最有效、最经济，这种时间或历程间隔并不是一个常数，它会随着维修次数的增大而减小。②维修的次数。一个设备并不能无休止地维修下去，当维修到一定程度时，设备会频繁需要维修，这并不利于设备的工作效益。

2.3.1 确定预防性维修周期

假定设备采取故障维修与预防性维修相结合的模式，当设备在维修期间间隔内发生故障则采用故障维修，在预定的时间点发生故障则采用预防性维修。根据可靠性函数的含义可以定义设备剩余寿命可靠性，通过解方程即可得设备在工作时间t后，进行下一次预防性维修的间隔u，如图2所示。

2.3.2 确定预防性维修的次数

由图2可以看出，设备的剩余寿命可靠度随着维修次数的增多而缩短，所以，当设备维修到一定程度时，由于维修过于频繁，设备的安全性、可靠性下降，维修成本上升，所以，也要确定适宜的维修次数，可以建立以单位时间成本最低为目标的预防性维修次数的函数模型。由此可以确定预防性维修的最佳维修周期与维修次数。

图2 剩余寿命可靠度曲线

该模型利用最小二乘法获得设备寿命描述参数，根据设备剩余寿命可靠度确定设备预防性维修最佳周期，以单位时间内检修成本最低为目标确定最佳维修次数，由此可以在一定程度上弥补“维修不足”与“维修过剩”，提高设备运行的安全性，降低事故发生风险并控制维修成本。

2.4 预知维修

预知维修方案适用于A类设备，这类设备在城市轨道交通系统中扮演重要角色，比如电气设备、轴承、变电设备、高速铁路接触网等。预知维修也称为状态维修，这种维修方案会对设备进行状态监测，根据检测信息确定维修策略，预知维修适用于可以被实施监测的设备，且这些设备的运行数据可以为设备的故障诊断，故障预判提供有用信息和可靠依据，如果对这些设备实施监测，防止故障发生，则比事后维修和预防维修方案更加经济。目前，经常使用的状态监测方式包括油质监测技术、无损探伤监测、振动诊断技术等。油质检测技术是利用各种检测仪器，检测机器中润滑介质的性能变化以及介质中存在的机器磨损微粒的情况，通过分析机器的监测数据，判断机器中润滑介质是否需要添加、更换以及机械的磨损程度，判断机器的运行状况并预测故障发生的可能性，确定故障可能原因、类型等；无损探伤技术采用射线、超声、红外等技术对设备零部件进行探测分析，在使用时应注意不能损害机械设备的性能，探测对象主要是设备的重点受力部位，防止设备受力部位出现裂缝、沙眼等潜在的安全隐患；振动诊断技术主要监测对象是轴承、齿轮等受力部件，通过振动信号分析仪、监测和巡检系统采集、分析设备的振动信号，识别诊断故障部位及原因，得出故障维修方案。以下介绍一种以状态维修为策略的维修管理体系。

2.5 城市轨道交通设备状态维修策略

由于传统的检修模式和方法显现出了迟滞性，应当全面考虑系统设备的安全性、环境、成本等要素进行状态评价和风险评估，因此，该维修策略提出一个“一次设备智能化”的全新概念，主要考虑设备的安全性和经济性两个方面，它是一种针对变电设备状态监测和故障诊断的方案，通过利用现有状态监测数据实时评估变电设备的运行状态以及故障状况，故障状况包括变电设备的故障类型、危害程度、故障概率、故障等级等。

城市轨道交通设备状态维修管理体系可以分为状态评估和风险评估两大要素，其中，状态评估是通过监测、巡检、试验等方式将设备的运行参数转换为计算机可识别计算的数字代码，计算设备健康程度是否达标、故障发生概率等，从而实现对影响设备运行状况的参数的定量分析；风险评估则主要针对设备故障发生概率、等级定性、危险等级进行评价管理。在城市轨道交通设备中，原有的设备周期检修存在一定缺陷和不足，亦存在一定风险和安全隐患，同时，还会提高设备的运行维护成本，由此看来，适时地转变传统设备的维修方案和理念，充分地考虑设备的实际运行状态，制订适当的设备维修策略，有利于确保设备的安全、稳定运行。

3 结束语

维保工作的目的是维持轨道交通系统的安全性、可靠性和经济性，确保轨道交通设备能达到各项安全和经济指标的目标水平。当设备出现故障后再进行修理，对于与行车设备相关的运营设施或系统，可能会导致车辆延误或紧急列车救援情况出现。这种情况下，虽然实际承担的检修成本低，但可能造成直接或间接的经济损失较大。预防性定期检修的维修制度是按照轨道交通运营设施运行时间或里程的多少而制订的，一般包括日检、周检、月检和定修几部分，目前，预防性定期检修制度被国内外很多轨道交通运营设施检修部门采用。状态维修能够通过有效合理的检测手段对运营设施进行状态检测，一旦可能出现影响重大的安全故障或隐患时可以及时进行设备处理。这种维修方案虽然前期设备投入大，对设备检测精度或检测手段要求高，但能保证设备在实际运行时出现安全隐患的概率小、可能造成的经济损失小、设备使用效率高、设备运行时实际支出的维修成本低。

［1］温旭辉，杨立洪，曾焱.基于预防维修的多元化维修管理体系［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2007（08）：65-69.

［2］刘德峰.中国企业的设备管理模式与管理体系［J］.中国设备工程，2008（12）：21-22.

［3］李大维，陈劭，李黎.现代检测诊断技术及其在木工设备中的应用与发展［J］.木材加工机械，2007（06）：28-31.

［4］刘蓉.城轨车辆设备维修策略优化与决策模型［D］.北京：北京交通大学，2010.

［5］吴昊.城市轨道交通设备维修模式现状分析［J］.中国设备工程，2010（08）：25-26.

［6］于丹丹，徐永能，李昊真.地铁车辆设备ABC分类研究［J］.城市公共交通，2017（04）：31-34.