程机械维修技术研究与发展
作者:马世宁 刘谦 李长青
1.前言
工程机械是构成施工生产的重要因素,保持工程机械经常处于良好的状态,提高利用率,延长使用寿命,是企业提高经济效益的需要。维修是对工程机械维护和修理的简称。维修为设备有条不紊地高效工作做出了重要的前期保障，随着高科技产品的不断出现,先进的维修可以确保设备无故障运行，而且能使设备经常保持良好的状态[1]。
在20世纪,特别是50年代以后维修科学和管理技术得到了迅速的发展，维修从单纯的技艺发展成为一门学科,它从生产的从属地位转变为社会经济的重要支柱行业,从设备后期的作业管理转变为一项系统工程[2]。维修技术的研究和发展也逐步受到广泛的重视，大家逐渐认识到，随着科学技术的发展，维修不再仅仅是敲敲打打、修修补补，维修也需要高科技。在军队系统已经认识到维修技术的重要性，把维修列入军队预先研究内容，成立了维修工程技术专业组。正如德国专家TSCHUSCHK所指出的那样:“对于所谓可持续发展,维修是一项关键性的技术”。“维修成为延长资产寿命期的一个重要因素”。可以预料,在21世纪,维修将更加受到重视,并纳入优先发展的渠道,成为可持续发展战略的重要支柱[3]。
随着国家经济建设的发展，各种工程机械的应用领域越来越广，但由于许多设备工作地点处于偏远地带，一旦出现故障，其维修保障困难，严重影响了施工进度。如野外作业设备流动性大，难以进行正常的维修和保养，而常年恶劣的工作条件，必然加速设备的磨损，加上作业负荷大，造成设备故障多，使用周期缩短，严重影响了设备的完好率、利用率[4]。 因而，针对工程机械野外施工作业时出现故障后无法进行现场诊断和维修的状况，对工程机械维修技术提出了更高的要求。
2.工程机械定点维修技术简介
材料科学的发展为工程机械维修提供了强有力的技术支撑。高耐磨、长防腐、耐高温、低摩擦、高粘结、快固化、高阻隔等表面覆层的出现，及与合金材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料、金属间化合物、高分子材料的复合应用，尤其是与纳米技术的有机结合，提高了维修技术水平。这里仅从材料和表面工程的角度介绍部分常用的定点应急维修技术，应用这些技术可以解决装备零部件的腐蚀、磨损、划伤、防滑、润滑、泄漏、隔热、耐温、强化等问题[5-7]。
2.1.纳米电刷镀技术
由于纳米材料具有优异的力学性能，可用于制造超硬，高强，高韧超塑性材料和高性能陶瓷和高韧、高硬涂层，不仅能够获得质量优良的原材料，而且可以采用表面工程技术对零部件进行维修或再制造，获得高性能的零件或备品备件。以纳米金刚石和纳米陶瓷为代表的纳米硬粉，具有很高的硬度和较好耐高温能力。通过将纳米材料与高效的电刷镀技术结合，并采用镍包覆法对纳米粉表面进行处理，可有效地提高纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积量，显著的改善纳米粉在镀层中的均匀程度，解决纳米粉在复合镀层中难以均匀分散这一关键问题。在纳米材料的弥散强化作用下，获得的纳米复合镀层表现出比单一快速镍刷镀层更好的性能。例如含纳米金刚石的复合镀层在室温高负荷下具有优良的抗疲劳和抗磨损性能。纳米氧化铝Ni/Ni+nano-Al2O3复合镀层的使用温度提高到400℃，复合镀层的显微硬度保持在Hv600，微动磨损深度为快速镍刷镀层的1/4。纳米复合电刷镀技术可用于进行装备零部件表面损伤的修复、新品零部件表面的强化和防护。如在对旧机床的数控化再制造中，采用纳米电刷镀技术修复了机床导轨的磨损与划伤，恢复了机床的尺寸精度与运动精度，使废旧的机床变为数控机床。纳米电刷镀技术在工程机械维修中可以应用的典型场所主要包括：杆、轴、轴承、轴瓦类零部件的密封或配合表面；壳体、箱体、衬套类零部件密封或配合表面；板类零部件表面；零部件孔、槽类部位的内圆表面；齿轮（尤其是大齿轮）的齿面。
2.2.高效能超音速等离子喷涂技术
超音速等离子喷涂是先进制造技术中的关键技术之一，是制备高性能、高质量陶瓷涂层不可替代的关键技术，主要用于高科技贵重机械零部件的表面强化和维修。等离子喷涂是利用等离子体作为热源，将金属、陶瓷等粉末加热至半熔化状态并将其高速喷射沉积到零件表面的一种先进制造工艺。其热源等离子弧的温度可达10000℃以上，可以熔化金属、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷等各种供料粉末。所以等离子喷涂在热喷涂行业中的应用范围非常广泛，
最近新开发成功的高效能的超音速等离子喷涂，采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案，降低了气体流量，依靠增强对电弧初始段的压缩效应迫使阳极斑点前移来拉长电弧，实现了在电弧区前段对气流的加速。由两路进气减为一路进气，增强了电弧初始段的气动效果。在保证气体流速情况下，降低了气体流量。采用了拉伐尔喷嘴直接作为阳极的单阳极结构方案，喷嘴压缩孔道长度被减短，喷枪热效率得到提高，带来射流热焓的提高，减少了能耗。采用了内送粉结构设计，提高了能量利用率，同时克服了外送粉存在的粉末加热不均匀、沉积效率低的问题，提高了涂层质量。
超音速等离子喷涂技术已经用于重要装备贵重零部件的制造与维修工程，解决了贵重零部件过去不能修复或使用寿命短的难题，在工程机械维修领域有广泛的应用前景。
2.3.高速电弧喷涂技术
电弧喷涂技术是热喷涂技术的一种，也是表面工程的重要组成部分。随着喷涂设备、材料、工艺的迅速发展与更新，电弧喷涂技术已经成为目前热喷涂领域中最引人注目的技术之一。全军装备维修表面工程研究中心在普通电弧喷涂枪的基础上，根据气体动力学的有关原理，对传统电弧喷涂枪的流场进行优化设计，经过大量的试验，成功地研制出高速电弧喷涂技术。高速电弧喷涂技术以电弧为热源，使用多种喷涂材料，能够制备耐磨涂层、防腐涂层、防滑涂层等各种性能的涂层，是快速修复和强化磨损零件的重要技术手段。新型高速电弧喷涂与普通电弧喷涂相比，具有显著的优点：粒子速度显著提高、雾化效果明显改善；涂层的结合强度显著提高；高速电弧喷涂防腐用Al涂层和耐磨用3Cr13涂层的平均结合强度分别达35Mpa和43Mpa，是普通电弧喷涂涂层的2.2倍和1.5倍；涂层的孔隙率低，比普通电弧喷涂涂层的孔隙率降低1倍以上，表面粗糙度低。采用高速电弧喷涂技术，可以在不提高工件温度、不使用贵重底材的情况下获得性能好、结合强度高的表面涂层，而且喷涂效率高、节能、经济性好、安全性好，设备相对简单，使用、调试非常简便，便于现场施工，能对不便移动的大型零部件进行现场处理。全军装备维修表面工程研究中心是国内最早开发并研究该技术的单位之一，已经成功地将该技术应用于防腐、耐磨及设备维修等领域中，解决了钢结构件、舰船等的腐蚀以及大型贵重装备零件的修复等问题。
2.4.纳米固体润滑干膜技术
纳米固体润滑技术通过在固体润滑干膜中添加润滑和抗磨作用的纳米粒子，改善固体润滑干膜的润滑、耐磨损性能，能够在常规油脂不宜使用的特殊环境下实现有效润滑，并且没有油脂润滑所存在的污染及漏油等问题。如含有纳米氧化铝材料的固体润滑干膜的耐磨性提高了2-5倍。纳米固体润滑膜可以用到几乎所有的摩擦部件上而不需要改变部件的尺寸，而且还具有优良的防腐蚀性能和动密封性能，能起到防止机械振动和减少机械噪音的作用。全军装备维修表面工程研究中心利用固化剂、固体润滑剂和纳微米稀土氟化物之间的复配，研制成功室温固化防腐耐磨涂层材料和技术，通过添加适量的纳微米稀土化合物，成功解决了二硫化钼的高温氧化难题，突破了现有粘结涂层的使用温度界限。利用纳米材料在防腐耐磨涂层中的催化固化作用，从而解决了大型装备摩擦副涂覆层的固化难题，并制备了具有梯度功能的防腐耐磨涂层，解决了摩擦表面的动态防腐和耐磨难题。目前该技术在某大型装备的几个制造厂、大修工厂使用，具有良好耐磨、减摩和防腐性能的纳米固体润滑干膜应用在约1800辆大型装备摩擦副中取�*************************飨孕Ч�
2.5.低温离子硫化技术
低温离子渗硫技术是在金属零件表面生成的硫化物固体润滑剂，能有效地减小摩擦副间的摩擦系数，防止粘着和胶合，提高耐磨性。采用该润滑技术，可以大大改善摩擦副在无润滑油条件下的工作能力，可以延长它们的服役寿命，有效地防止咬合的发生，降低工程机械摩擦副的损伤程度。在较高接触应力条件下，低温离子硫化技术处理可以大大提高零件接触疲劳寿命。在强化试验条件下，渗硫处理的疲劳寿命比未渗硫的提高了1倍左右；可以大幅度提高无润滑条件下摩擦副的抗粘着性能，发生粘着的时间延长了3倍左右。在舰船大型钢套的应用结果表明该技术能够提高缸套的耐磨性，延长其使用寿命。全军装备维修表面工程研究中心与铁道科学院合作，研制了高频脉冲等离子扩渗设备，能够对零件表面先进行氮碳共渗，然后再进行硫化处理，这种氮化然后硫化的耐磨、减摩复合处理工艺进行了某型舰艇柴油机缸套的台架试验，试验结果表明：经过不同速度的三个阶段的台架试验，4个处理过的缸套无一划伤，而未处理的缸套在第一和第二阶段的台架试验就已出现划伤。
3.实用工程机械原位抢修技术简介
大型工程机械及野外作业设备的损坏和故障需要现场进行原位的抢修，这里仅从表面工程的角度提出几种实用性强的原位抢修技术，用以解决野外条件下工程机械的维修问题，对现场快速抢修，恢复其使用性能具有重要意义[5，8，9]。
3.1.无电焊接技术
针对设备钢铁构件的断裂、裂纹、穿孔和破损，采用无电焊接技术进行原位快速修复是一种有效手段。无电焊接技术是焊接技术与自蔓延技术相结合的创新技术。该技术不需要任何电源、气源或和其它设备，常温下只需用火柴或打火机点燃焊接材料后，仅仅依靠混合粉末燃烧反应放出的热量就能进行焊接。焊接材料小巧轻便，操作简单，工作效率高，单兵即可完成。可快速简便的对同类或不同类的金属进行焊接，焊缝的抗拉强度可达到850~1850MPa。该技术非常适合设备在野外条件下的应急维修，是设备原位抢修的有效技术手段。
3.2.结构贴片修复技术
针对设备薄壁结构件的破裂、孔洞等损伤，可应用结构贴片修复技术修复。复合材料贴片快速修理已经成为发达国家战伤快速抢修技术的主攻方向之一。目前我军研制的常温光固化新型结构胶粘剂，修复一处破损不超过15分钟，修复部位的静强度比铆接高50%,疲劳强度比铆接高10倍以上，成为飞机战伤现场抢修的主要技术之一。新研制的快速光敏固化补片可以直接贴补破损孔洞，固化时间不大于30分钟，固化后剪切强度为16~25MPa，使用温度范围在-50~100℃。该技术可以用于设备薄壁结构的破损应急修复。
3.3.耐磨修补技术
针对设备零部件的磨损、划伤、腐蚀等问题，可采用耐磨修补技术进行快速修复。根据摩擦表面损伤程度不同，可采用不同的修复技术，在要求快速简单的工作环境下可使用微区脉冲点焊修复技术和高分子合金填补修复技术。
微区脉冲点焊修复技术是利用微区脉冲点焊设备和专用材料，对零部件的损伤部位进行快速修复的技术。该技术通过高能电脉冲产生高温，使补材在经过预处理的待修表面上熔化，实现二者的微区焊接，能够对够均匀磨损、沟槽和特形表面棱边损伤等进行快速修复。高分子合金填补修复技术采用的金属修补剂是以金属、合金、陶瓷材料、减摩材料等作为增强材料的聚合物复合材料。可根据不同的使用要求添加不同的增强材料，具有优异的力学性能、机械性能、摩擦学性能，固化后可进行车、铣、钻、磨等各类机械加工，抗压强度达到80~120MPa。该类复合修补剂能够用于修复摩擦磨损工况下的设备和机件，耐磨性为一般金属的2~8倍，操作方便，可任意成形。
3.4.管路堵漏技术
高新技术设备上的各种液压管路，如果泄漏轻则会造成设备性能的严重下降，重则会造成设备的报废，严重影响施工进度，造成巨大的经济损失。西方发达国家早已应用粘接堵漏技术，称为ON
LINE SEALING
LEAKS（意为现场堵漏），被列为应急抢修的重要手段。堵漏技术具有堵漏速度快、工艺简便、使用灵活、材料品种多、价格低廉等特点。例如快速堵漏胶30秒固化，能迅速止住泄漏。水箱止漏剂加入循环水中能够自动流到渗漏处修复裂纹、细孔，快速止住水箱的泄漏，特别适用于野外条件下的应急抢修。采用新型材料对高温高压管路的带压堵漏已取得可喜成果，能适用于温度３００℃以下，压力达１４MPa工况下的应急堵漏。
3.5.贴体封存技术
贴体封存技术是以被封存器材或零件外表为支撑，将可剥性涂料直接涂覆到被保护表面，涂料固化后即可形成一层具有一定粘附强度又可剥离的涂层。由涂层的屏蔽作用将环境与被保护表面隔离开来，从而可有效防止环境中的有害介质对表面的侵蚀，以达到封存保护的目的。在使用前，将设备表面与设备内部联通的孔洞、缝隙用贴体封存材料涂好，即可避免设备进水、进气，提高设备或零件的保存质量。
实验结果表明，用贴体封存涂料实施封存的方法具有如下三方面的优势：操作简单，启封方便，不拆卸物件；适应能力强，适合大型设备的野外封存作业；具有多种功能，应用范围广，对于器材、物资等的封存可以起到防腐、防潮、防划伤等作用。同时对线路接头等部位进行保护可以防止进水和腐蚀，避免线路接头部位由于潮湿或进水造成短路，在潮湿环境中使用的电器设备中具有良好的应用前景。
3.6.电子设备快速清洗技术
电子设备由于受到环境的影响，在表面产生积尘、积垢、静电吸附，以及大气当中的酸、碱、盐等物质的沉积。这些污染物会造成设备技术性能下降，甚至造成元器件或电路腐蚀短路或断路。采用传统的方法进行拆卸、擦拭保养，不仅难以彻底清除污染物，易于留下死角或隐患，而且拆卸分解容易损坏元器件，引发二次故障或损坏，拆装电子设备也需要大量的时间。
电子设备快速清洗技术可以对设备进行不拆卸清洗，不需人工擦拭，仅用喷雾清洗剂就能完成电子设备保养的技术，可以节约维修时间，对提高电子设备完好率和可靠性有重要意义。该技术突出的优点是能够对电子设备在不停机（带电）状态下进行原位清洗，操作简单方便、高效快速，在紧急状态下能发挥重要的作用。全军设备维修表面工程研究中心在海军某基地进行了试点应用，对所属１０余艘主战舰艇的雷达、声纳、发信机、指挥仪、电机等电子设备进行了清洗试验，部队反映热烈。过去用人工清洗一艘舰艇上的电子设备约需1周时间,而使用电子设备清洗一艘舰艇仅需6小时,工效提高10倍,而且清洗效果好。另外还有针对电子设备的保养喷剂，能提高导电部位的导电性、绝缘部位的绝缘性，在电子设备现场维修保养中有良好的效果。
3.6.纳米减摩原位动态自修复技术
纳米减摩原位动态自修复技术通过在润滑油中加入纳米减摩添加剂，在摩擦化学作用下原位动态修复零件表面微损伤，能够有效降低摩擦、减小磨损，降低油耗，提高发动机的有效功率，能够用于提高再制造发动机的性能，延长使用寿命。全军装备维修表面工程研究中心研制了一种新型的减摩自修复润滑油添加剂。采用对比试验法，对自行研制的纳米减摩自修复添加剂M6与其他添加剂M3和MJ进行300摩托小时的加速强化发动机台架试验，并对发动机各摩擦副的磨损情况进行了研究。通过台架对比试验发现含纳米的M6添加剂对发动机的各个摩擦副均有极好的抗磨效果，其性能比国外名牌产品MJ添加剂的性能优越。特别是对主轴瓦、铜套、连杆轴颈等磨损部位出现了零磨损，即磨损量为零，说明纳米添加剂在摩擦磨损过程中形成润滑膜的沉积与磨损达到了动态的平衡，即形成希望的自修复膜，减小了发动机中主要磨损部件的磨损，能够达到延长发动机使用寿命的目的。与16#坦克机油比较，三种添加剂对主轴颈都具有较为显著的抗磨效果，主轴颈的磨损随试验时间的延长呈增加的趋势，其中在300摩托小时后M6添加剂的磨损量比16#坦克机油的磨损量减低了7倍。三种添加剂对铜套都有抗磨作用，特别是M6添加剂在整个试验中使铜套基本处于“零磨损”状态。
利用纳米材料的特殊效应，在使用中润滑油箱发生泄漏，润滑油泄漏后摩擦副表面能够保留一层纳米润滑膜，使设备仍然正常进行运转，维持使用性能。
以上技术能够实现原位置、原设备、原零件的应急维修，将在工程机械原位抢修中发挥重要的作用，需要加强研究和推广力度。
4.工程机械抢修技术的发展方向
工程机械抢修已由过去以各种机械或手工加工、换件等传统维修方法，发展到综合应用各种新技术、新工艺、新材料等先进应急维修技术。采用新技术、新材料、新设备、新工艺实现快速化、自动化、智能化、远程化是工程机械抢修技术的发展方向。
4.1.工程机械抢修技术与新材料相结合
纳米材料、复合材料等各种新材料的迅速发展为工程机械抢修技术的发展提供了有力的技术支撑。如瞬间凝固堵漏剂，采用三组分胶粘剂，缩短固化时间，能够在15秒内堵塞泄漏部位；纳米原位动态自修复技术利用纳米材料的特性，在润滑油漏完后仍能保持发动机正常行驶500公里；水箱快速堵漏技术将止漏剂加入循环水中30~60秒内自动堵塞泄漏部位。纳米复合涂层可显著提高零件表面的耐磨性、耐热性等。
4.2.工程机械抢修技术与信息技术相结合
信息技术的发展为工程机械抢修提供了强有力的工具和手段。如利用信息技术实现应急维修技术的网络化达到资源共享；远程维修利用远程技术支援系统使远离后方的损坏设备获得维修方法指导；利用计算机技术实现虚拟维修，节约维修资源。例如远程技术支援系统的研制使技术资源的适用范围大大扩大，使远离损坏设备的技术力量能够对损坏设备进行监测、诊断并提供维修策略、方法，指导维修。
4.3.工程机械抢修技术与理论研究相结合
应急维修技术的研究与应用离不开维修理论的指导和技术基础理论的支撑。在加强维修组织管理、编制体制等理论研究的同时，需要加强技术基础理论的研究。只有加大技术基础理论的研究，才能提高应工程机械抢修技术的原创新能力。如加强纳米材料的应用基础研究，可以更好的在工程机械抢修技术中利用纳米材料的特性。
4.4.工程机械抢修与先进的维修设备相结合
随着设备的发展和新技术的应用，国外已由单项诊断、局部系统诊断的简易装置，逐渐发展到由中心计算机集中控制、能进行综合性检测诊断的自动诊断装置，大大缩短故障的诊断时间和维修时间，一定程度上实现了维修的快速化和自动化。
我国需要研制集快速评估、快速拆装、快速诊断、快速维修一体化的原位抢修新型维修车、方舱等大型机动维修设备。同时研制便携式应急维修箱与维修器材，简化维修工艺，如研究各种缠绕式胶带、单组分快速固化贴片、添加式修补堵漏剂、喷罐式清洗剂等。
4.5.老旧工程机械的再制造研究
再制造工程是一个以设备全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复、改造废旧设备的一系列技术措施或工程活动的总称，是高科技维修的产业化。我国有几百亿元的设备资产，每年内腐蚀、磨损、疲劳等原因造成的损失约占国民经济总产值的3～5％。大量的老旧工程机械及零部件的搁置和报废，不仅使大量的有形资产流失，而且对环境造成极大的污染。采用再制造工程，可大量恢复设备及其零部件的性能，延长使用寿命，降低全寿命周期费用，节约原材料，减少环境污染[10]。再制造工程是可持续发展战略、循环经济和废旧机电产品资源化的重要技术支撑，在工程机械领域开展老旧工程机械的再制造，必将产生巨大的经济效益。
全军装备维修表面工程研究中心
