履帶起重機的設備完整性與預防性維修

雷家鑫，劉 鎖，張博聞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

大型履帶起重機有著高昂的運維成本，特別是在維護、保養(yǎng)和維修過程中，涉及到很多備品備件和準備工作，花費大量物資成本和人力成本。為減低該成本，提出一種預防性維修策略，基于設備完整性的角度，對履帶起重機在工作過程中會產(chǎn)生的風險進行充分識別和系統(tǒng)管理，在故障發(fā)生前就識別風險和隱患，并針對故障采取相應的措施避免，在故障完全暴露之前就能夠提前關閉。

1 履帶式起重機風險管理

風險管理的主要目的是識別和評估風險：首先是對設備的功能和組成進行具體分析；其次采用行業(yè)內(nèi)普遍應用的風險識別方法和評估工具，對設備進行風險識別與評估工作；最后根據(jù)設備特點和重要程度，有針對性地選擇具體的技術(shù)方法進行專項風險評估[1]。

1.1 履帶式起重機風險識別

為充分識別履帶起重機的風險，需要了解其系統(tǒng)組成，并對實現(xiàn)各功能的系統(tǒng)進行分解，從而進行設備的故障分析，最終確定設備的危害和風險。為了解履帶起重機的結(jié)構(gòu)，需要對其各系統(tǒng)進行進一步分解，以識別構(gòu)成系統(tǒng)的最小單元、組件為目標，主要采取“由上至下，由表及里”的原則：首先將系統(tǒng)分解為不同的部件或子系統(tǒng)，再將每個部件分解為不同的組件，從而得到了設備的具體結(jié)構(gòu)。

目前對于設備故障分析，應用比較普遍的方法是以演繹分析為基本思想的故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA），是美國貝爾電報公司在1961 年提出的一種用在安全工程和可靠度工程領域的分析方法[2]。按照故障樹分析步驟，以設備因各類故障而停止工作為頂事件，然后分解到不同的系統(tǒng)中，并依次向下分解，直至可直接影響頂事件的底層事件（系統(tǒng)邊界）。

1.2 履帶式起重機風險評估與影響分析

失效模式與影響分析（Failure Mode Effectiveness Analysis，F(xiàn)MEA）作為一種在各行業(yè)內(nèi)廣泛認可的風險評估方法，主要關注設備危害產(chǎn)生后如何降低人員受傷害的概率和所受傷害的嚴重程度，以及如何降低危害產(chǎn)生后的經(jīng)濟損失或消除設備因風險而產(chǎn)生的影響[3]。

首先確定失效模式各個評價指標的等級，評價指標包括嚴酷度（Seriously）、發(fā)生度（Occurrence）、可探測度（Detection）、風險優(yōu)先數(shù)（RPN）[4]：①確定嚴酷度等級時，主要考慮設備風險可能導致的直接經(jīng)濟損失、維修成本、健康/安全/環(huán)保、可修性和停工故障損失；②對于發(fā)生度的評價，主要是根據(jù)設備從購置到使用至今的設備維修、保養(yǎng)與檢修記錄中的維修故障來確定，統(tǒng)計故障在使用時間內(nèi)發(fā)生的次數(shù)，依據(jù)失效模式的概率值劃分不同等級；③可探測度的等級則是根據(jù)系統(tǒng)分解得到的設備各個層次之間的關系，并結(jié)合設備實際使用情況分析得出。

確定了評價指標后，就可以確定所有失效模式的風險系數(shù)（Risk Priority Number，RPN）的值。RPN 值越大，說明其對應失效模式所產(chǎn)生的影響越大，失效模式優(yōu)先級越高，越需要優(yōu)先考慮。當RPN 值超過某一閾值時是不可接受的，需要制定相應的建議措施。

FMEA 對于結(jié)果的體現(xiàn)主要有危害性矩陣和風險分析報告，其中風險分析報告作為FMEA 全過程的分析和總結(jié)，可以將FMEA 過程詳細地體現(xiàn)。

2 履帶式起重機預防性維修策略

在識別了履帶式起重機所有風險，并進行了評估后，就可以根據(jù)評估結(jié)果展開針對風險所引起故障的預防性策略的研究。研究過程中需要一定的數(shù)據(jù)支撐，可根據(jù)設備實際使用過程中所發(fā)生的故障進行統(tǒng)計，也可根據(jù)設備廠家提供的故障數(shù)據(jù)研究，進而根據(jù)不同故障的發(fā)生頻率來指導預防性維修策略的制定。

2.1 預防性維修策略的制定

在預防性維修策略的制定時，首先明確通過預防性維修期望實現(xiàn)的目標，明確預防性維修的思路，再根據(jù)設備的實際故障分析、FMEA 分析和現(xiàn)有維修方法的分析，明確預防性維修所采取技術(shù)手段。采取預防性維修策略的目的主要有2 點：①降低設備故障發(fā)生概率及設備故障發(fā)生的危害，從而降低設備的運行成本，實現(xiàn)降本增效、本質(zhì)安全；②通過預防性維修策略，強化設備的全生命周期的管理，進一步實現(xiàn)設備完整性管理。

圍繞這兩點可以明確預防性維修的總體思路和采取的技術(shù)手段：①圍繞降本增效，主要考慮采取經(jīng)濟的維修管理辦法，選擇經(jīng)濟的維修方式；②圍繞設備完整性管理，首先為落實完整性管理要素之一的風險管理要求，根據(jù)設備的特點，以提供設備可靠性為目的，制定科學的風險管理辦法；③根據(jù)設備FMEA 分析的結(jié)果，可以將改進措施作為預防性維修的手段，主要針對危害性較高的故障，同時可能需要借助外部資源；④完善設備的檢查、檢測及維護手段，目前針對履帶起重機的檢查手段主要是設備每日使用前的日常檢查、常規(guī)操作及定期檢查；⑤建立合理的備件策略，實現(xiàn)降低庫存積壓，同時避免設備因缺少備件導致的停機，需要制定一個合理的備件策略。

2.2 預防性維修策略實施方案

實施方案主要根據(jù)設備的不同系統(tǒng)來劃分，并綜合考慮設備本身的特點和設備實際故障發(fā)生情況。以某臺運轉(zhuǎn)正常的履帶式起重機為調(diào)研對象，針對各系統(tǒng)制定的預防性維修策略。

（1）液壓系統(tǒng)。目前的檢查手段就是日常檢查，觀察液壓系統(tǒng)各類管線及接頭、附件等是否存在漏油的現(xiàn)象。在此基礎之上，在日常檢查時增加對管線接頭緊固的操作，并測試各高、低壓附件的壓力，確保設備不存在漏油的現(xiàn)象，避免設備在工作過程因接頭松動產(chǎn)生的漏油。另外，建立合理的備件策略。

（2）電氣系統(tǒng)。目前設備缺少定期的試驗、測試操作，需要定期對設備進行空載試驗，確保設備控制系統(tǒng)的正常，避免控制系統(tǒng)在工作過程中失效，產(chǎn)生安全事故。另外，建立合理的備件策略。

（3）吊臂系統(tǒng)。完善設備檢查手段，對臂桿金屬結(jié)構(gòu)盡量能做到定期扒桿進行徹底的外觀檢查，定期請專業(yè)檢測機構(gòu)對金屬結(jié)構(gòu)進行無損檢測等安全評估工作，確保金屬結(jié)構(gòu)的完好。另外，建立合理的備件策略。

（4）卷揚系統(tǒng)。首先在日常檢查中需要考慮對起重臂、桅桿卷揚棘爪進行目視檢查，這是卷揚安全操作的重要保障。定期對卷筒、滑輪、鋼絲繩進行外觀檢查，判斷其磨損情況，根據(jù)磨損情況決定是否需要更換或調(diào)整。定期進行防撞極限測試，確保卷揚達到限位后制動器能自動啟動，使卷筒停止工作。

（5）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。雖然目前回轉(zhuǎn)系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，但由于設備年齡較大，可能存在老化等問題，需要進行更深層次的檢查，主要是定期進行回轉(zhuǎn)制動試驗和回轉(zhuǎn)鎖定試驗，確保制動器和鎖定裝置功能正常。

（6）動力系統(tǒng)。從動力系統(tǒng)的故障情況來看，目前主要的維修方式是更換備件。發(fā)動機的備件主要是各類管線、接頭和相關附件，如柴油濾清器、排煙筒等。根據(jù)故障發(fā)生次數(shù)，各類管線漏油年均發(fā)生3～4 次，所以管線的備件按每季度提報；柴油濾清器、排煙筒可以通過焊接修復，確保此類備件有庫存即可。

（7）運載系統(tǒng)。目前對于運載系統(tǒng)的檢查手段是日常檢查中的外觀檢查，在此基礎上需要定期檢查履帶的松緊度，對松緊異常的情況進行適當調(diào)整，避免因履帶的松緊不一加速履帶連接銷及螺栓的磨損。

（8）潤滑系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)的故障主要體現(xiàn)在管線、油罐及接頭的漏油，故障發(fā)生的概率是年均3 次，所以對于管線及接頭密封圈的備件可以按季度提報；罐體、油泵等備件確保有庫存即可。還需加強檢查情況，日常檢查中需要觀察各潤滑點的潤滑情況，觀察潤滑油罐中潤滑油液位、油管線及接頭是否漏油。

2.3 預防性維修策略的可行性分析

為說明預防性維修策略的可行性，需要將一個故障事件下的兩種維修方式的維修成本和停機時間對比，從而體現(xiàn)預防性維修策略在降本增效中發(fā)揮的作用。設備的故障事件主要參考了故障樹分析確定的故障和設備實際發(fā)生故障的統(tǒng)計、現(xiàn)有維修手段參考FEMA 分析中“已有控制措施”和設備使用中實際的維修情況。

通過兩種維修方式的對比，主要體現(xiàn)在3 個方面：①FMEA分析和定期進行安全評估，實現(xiàn)對設備主體金屬結(jié)構(gòu)件故障的預防，避免了設備金屬結(jié)構(gòu)在工作中出現(xiàn)故障而導致群死群傷；②完善設備檢查手段，有效減少設備故障的發(fā)生次數(shù)，也減少了設備的運行成本和停機時間；③建立合理的備件策略，根據(jù)部件的實際更換情況進行備件采購，避免設備故障后因缺少備件造成的停機，同時避免了盲目采購，實現(xiàn)降低庫存積壓、節(jié)省備件成本。

2.4 預防性維修策略在實際案例中的推演

為進一步說明預防性維修策略的優(yōu)越性，根據(jù)實際調(diào)研的履帶起重機的實際使用情況，針對3 個實際發(fā)生的故障案例，按通過理論推演的方法，詳細描述預防性維修策略的理論實現(xiàn)過程。

（1）某設備在使用過程中發(fā)現(xiàn)部分履帶支重輪嚴重磨損，個別支重輪的銅套碎裂并且無法修復，只能更換備件。通過檢查設備發(fā)現(xiàn)，支重輪及銅套的磨損原因是履帶支重輪黃油嘴損壞，支重輪潤滑不足。日常檢查記錄中沒有關于部件潤滑情況的檢查，也沒有定期檢查潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)，最終導致支重輪損壞。這次故障更換了2 個支重輪，每個支重輪成本約1 萬元，直接造成經(jīng)濟損失約2 萬元，并造成了3 d 停機。根據(jù)預防性維修策略，若在日常檢查時檢查部件的潤滑情況，并定期檢查潤滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)，則可以避免支重輪的嚴重磨損，從而減少損失。

（2）某設備在啟動不久后發(fā)動機自動熄火，儀表臺顯示屏報6#節(jié)點故障。通過對設備故障分析發(fā)現(xiàn)，這一故障產(chǎn)生的直接原因是發(fā)動機排煙筒更換后方向裝反，并且在日常檢查中沒有規(guī)定對發(fā)動機外觀進行檢查，導致設備啟動后發(fā)動機排出的熱氣吹向發(fā)動機，較高的溫度導致發(fā)動機部分電源線融化和6#節(jié)點直接燙壞，這一故障導致直接經(jīng)濟損失約2 萬元，同時造成了2 d停機。根據(jù)預防性維修策略，若在日常檢查中開蓋檢查發(fā)動機外觀，可以在設備啟動前就發(fā)現(xiàn)排煙筒方向錯誤，及時更改后就不會出現(xiàn)故障。

（3）兩年時間內(nèi)，履帶連接銷螺栓、履帶擋銷螺栓、支重輪固定軸承頻繁斷裂，該類故障兩年來累計發(fā)生26 次，故障頻率高達月均1 次，甚至存在剛換螺栓不到2 d 時再次斷裂。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，是履帶的松緊程度發(fā)生變化，履帶的松緊不一導致了各螺栓和連接銷受力情況不同，緊的部位螺栓長時間磨損，帶載行走時磨損更為嚴重，且沒有定期調(diào)整履帶松緊程度的操作，所以螺栓頻繁斷裂。雖然單個螺栓成本不高，但每次斷裂后更換螺栓的數(shù)量都在8 個以上，加上斷裂的次數(shù)較高，很可能存在因庫存不足而導致的停機。根據(jù)預防性維修策略，定期檢測履帶的松緊情況，發(fā)現(xiàn)履帶松緊不一時就及時調(diào)整，就能避免螺栓的磨損，從而避免頻繁的斷裂。

從以上3 個實例可以看出預防性維修策略的實施過程，清晰體現(xiàn)預防性維修策略的目的與意義，為實現(xiàn)設備完整性管理、降本增效打下良好基礎。

3 結(jié)論

針對大型履帶起重機進行了基于設備完整性管理的預防性維修的研究，討論了預防性維修策略的制定方法，通過理論分析和推演的方法研究了預防性維修策略的運用情況，與目前的維修手段進行對比，進一步說明了預防性維修的可行性，可以大幅降低履帶式起重機維護、保養(yǎng)和維修的成本。