公路分析论文：小议公路机电事故剖析及防范

本文作者：郭振江谢家鸿工作单位：云南省交通科学研究所

机电系统故障原因分析

导致机电设备发生故障的原因可以从设备的使用功能、使用环境和使用人员的职业素质这几个方面进行研究，下面就针对几种故障率较高的设备进行分析，以确定导致这些设备发生故障的主要原因。自动栏杆机自动栏杆机安装于收费车道末端，功能是根据收费员的操作指令对通过车辆进行通行控制，其通过内部电机带动栏杆树立或水平放置来实现这一功能。在三年的统计中，自动栏杆机共上报故障284次，是所有机电设备中故障率最高的，占到了总故障数量的14.75%，这些故障的表现主要是栏杆无法起落，或者是栏杆遭到破坏。通过对每次故障的分析，我们找到了引起故障的零部件在所有设备故障数量中所占的比例。通过整理自动栏杆机的故障，可以发现自动栏杆机的功能决定了它时刻处于运动状态，每通行一辆车就必须执行抬杆、落杆操作各一次，这使得电机、控制盒、连接螺杆等活动部件随着车流量的增加磨损也日益严重。除此之外，电源对于电机和控制盒的影响也非常大，电网的波动和雷电的冲击都会导致电机的烧毁和控制盒内部元器件的损坏。栏杆机所处的位置在收费亭后端，通过车辆特别是大型货车在通行过程中由于刹不住车，经常会撞到栏杆上，还有就是少部分车辆不愿交通行费而冲卡，也会导致栏杆的损坏。车道收费机车道收费机安装于收费亭内，功能是根据收费员的操作指令和自身采集到的各种数据，利用内部收费软件，对外部各种收费设备例如信号灯、打印机、显示器等发出执行命令，控制各种设备完成收费操作，是收费工作的核心设备。三年中车道收费机共上报故障242次，占所有设备故障的12.57%，仅次于自动栏杆机的故障数量。主要故障表现为程序运行速度慢、程序运行报错、重新启动无法进入系统等，通过对故障的分析，故障原因如图1所示。车道控制机工作时需要对各项数据进行采集、保存、处理、控制，这就使得硬盘随时处于读写状态，内部板卡也时刻保持工作状态，长时间工作会加速这些设备的老化，增加发生故障的概率。受电网波动影响，车道控制机的电源长时间处于非正常电压工作状态，这会导致电源烧毁，或者使电源供出来的电质量受到影响，进而导致内部板卡工作不正常。长时间处于大数据量工作状态，车道控制机一旦受硬盘、板卡、线缆影响，不正常工作一段时间，就会使很多收费数据无法正常传输，导致数据堆积、内部程序混乱，进一步导致程序运行不正常，速度变慢、易死机。另外由于灰尘积累过多也会导致内部板卡接触不良，引发一系列故障。监控室工作站和硬盘录像机监控室工作站和硬盘录像机其结构上与车道控制机一样，都是一台电脑，只是外观和功能上有所区别。监控室工作站负责收费站的数据传输、报表统计和收费管理等工作，而硬盘录像机则是实时记录各类视频、音频数据，这就使得两种设备24小时都需要处于工作状态。由于这些原因，这两种设备的故障表现与车道控制机非常类似，出故障的设备元器件及其构成比例也与车道控制机相似。由于这两类设备的总体数量比车道控制机要少很多，所以总故图1故障原因分析障数量要低于后者。票据打印机和监控室打印机票据打印机位于收费亭内为通行车辆打印收费票据，而监控室打印机则位于监控室内，专门用来打印每天的报表数据。这两种设备的使用频率非常高，特别是票据打印机，每通过一辆车都需要打印相应的收费票据。这两种设备的故障表现主要是不执行打印操作和卡纸。造成这些故障的原因归纳如图2所示。图2故障原因分析归纳从故障原因上可以看出，正是由于高强度的使用，两种设备内的齿轮、送纸器等运动部件非常容易因为疲劳而出问题，另外票据的碎纸屑也会堵塞齿轮，引起卡纸等故障。长时间的带电运行，打印机内部板卡上的元器件也会加速老化，损坏后也会造成打印机不工作。车道摄像机、广场摄像机和亭内摄像机这三类摄像机分别提供收费车道、收费广场和收费亭内的图像，这些图像都要求24小时不间断提供，所以设备也是时刻处于工作状态，出现的故障都是没有图像或图像不清晰。经统计，故障原因如图6所示。可以看出来，视频头故障是图像故障的主要原因，这主要是因为车道和亭内摄像机都安装于车道上，受过往车辆震动、人员误碰都会导致视频头松动，影响图像质量。视频线路故障则主要是由于视频电缆或光缆被老鼠咬断造成的，还有就是人员不经意间的拉扯也会损坏视频线缆。电网波动容易造成车道摄像机和亭内摄像机电源的损坏，但对于广场摄像机来说有很大一部分故障却是由雷击造成的。由于广场摄像机单独安装于立柱上远离收费大棚，这使得其很容易遭受雷击。雷击会击毁广场摄像机的视频、数据或电源防雷模块，使得广场图像受到影响。24小时不间断运行，使得摄像机内部板卡上的元器件加速老化，也容易引起故障。除此之外收费站人员打扫卫生时不注意，让水进入车道和亭内摄像机外罩内也会使其出现故障。发电机由于收费站一般地处野外，都是从农村电网取电，所以经常会遭遇停电。收费站发电机在为收费广场提供工作用电的同时还为收费站提供生活用电。发电机的故障表现主要是发电电压不稳、负载不平衡、停电后不能自动启动、无法启动等。通过分析故障原因，主要原因如图7所示。用寿命，当充放电次数达到一定数量后电池就会失效，无法启动发电机。发电机无法启动还有少部分原因是收费站人员没有按照操作手册执行停机程序，导致控制模块故障清单无法消除，需要对清单数据清零。3.7水泵收费站一般远离城区，不能利用市政供水网络使用自来水，一般都采用水泵抽水加压供水，特别是有消防需要的收费站，更需要安装消防水泵以保障发生火灾时的用水需要。水泵的故障现象一般是无法启动和漏水两种情况，前者主要是变频器或电源故障，而后者则是由于机械密封被水垢堵塞后造成的。变频器和电源故障大部分都是由于电网波动和长时间使用造成的，而水垢过多则主要是当地的水质问题造成的。3.8亭内照明灯、天棚照明灯、显示器、空调、费额显示器、内线电话等这几类设备长时间都处于工作状态设备，特别是照明灯具，数量众多，随着使用时间的增加，内部材质和器件也随之老化，到达使用寿命后便逐步损坏。另外电网的波动也会加快这一类设备的老化速度，缩短其使用寿命，增加发生故障的概率。负载功率不平衡是由于收费站电源布线时没有考虑到后期用电设备的增加，特别是大功率热水器的使用，当这些高耗电设备集中在一处且安装没有考虑三相平衡时就容易导致负载功率不平衡。发电机的蓄电池一般采用铅酸蓄电池，这种电池有一定的使

机电系统故障的预防措施

故障原因归纳从上述设备故障原因分析中可以看出来，造成设备故障的原因可以归纳成几个大的方面。（1）收费站一般都远离城市，大部分机电设备都采用农村电网供电，电压波动范围较大，供配电设备常年处于这种状态之下，少数时候电压波动范围甚至超过了供配电设备的允许值。供电质量不稳定，首先受其影响的就是各种设备的电源模块，外供电源波动幅度过大后经常会导致设备电源模块的损坏。即使设备电源模块不损坏，但受输入电源波动其它,10%控制器故障,30%蓄电池老化,30%负载功率不平衡,30%的影响，设备电源模块的输出电压和电流也会波动，这会导致设备内部元器件和板卡的损坏。（2）设备受到雷击后发生故障的概率也很高。收费广场一般所处地势都很平坦，收费大棚和广场摄像机相比起来算是很高的建造物了，很容易吸引雷电，雷电能量巨大，若直接击中的话，接地系统也不一定能避免设备不被损坏。如果雷电导入大地时，若离收费站距离很近，则电流会从地下埋设的管线涌入机电设备，导致机电设备电源、数据接口板卡损坏。（3）机电系统根据功能和安装位置的不同，决定了其使用环境也是各不相同。外场设备安装于户外，常年受到日晒雨淋，所处气温在冬夏季节或日夜之间都会有很大的差异。这些原因会加速设备外壳和内部元器件老化，缩短设备使用寿命，经过几年的使用后，设备故障率便大幅度上升。（4）车道机电设备由于安装在收费岛或收费亭设备机柜内，经常受到汽车排放油烟、电磁辐射、高温和震动的影响，这些对于设备内部电路板卡的破坏非常严重。特别是灰尘和油烟混合后，堆积于元器件触点之间，这会引起元器件的短路，严重的会直接烧毁整块电路板。另外高温也会导致设备运行不正常，特别是电脑一类的设备容易出现反应慢、死机等故障。而震动则会导致设备内部各种连接板卡松动、接触不良，从而导致故障的发生。（5）除了上述若干故障原因外，由于使用人员操作不当导致机电设备损坏的情况也时有发生。例如不按操作程序操作设备、粗暴使用设备、打扫卫生时不注意保护使设备进水等。故障预防措施针对上述导致设备故障的几个主要原因，经过一段时间的维修维护实践，总结出了一系列相对应的预防措施，这些措施虽不能避免故障的发生，但能有效地降低故障发生的概率。（1）对于市电供电质量不稳定的情况，除与供电部门协调之外可以在所有用电设备之前加装参数稳压器，一般情况下收费站安装的参数稳压器只对一部分机电系统进行稳压，而收费站的生活用电、收费广场的照明用电、收费亭内的照明、空调等设备用电都没有经过参数稳压器的保护。参数稳压器能在输入电压、电流波动时通过内部调整，降低或消除输出电压、电流的波动，避免各用电设备受电源质量的影响，延长设备的使用寿命，有效降低故障的发生概率。（2）收费广场和收费站内的机电设备接地系统都必须独立设置，不能与收费大棚和房建的接地系统公用，尽量不采用联合接地的接线方式来为机电设备提供接地，避免雷击时彼此之间的相互影响。远距离传输尽量使用光缆，避免使用导电的信号线缆，必须使用的电源线在两端都要设置防雷模块，这样可以防止电流从埋设的导电线缆涌入机电设备。加强对防雷接地设施的定期检查，一旦发现问题立刻整改，雷雨季期间要缩短检查的周期。（3）定期对外场设备的防护罩进行检查，特别是雨季、大风、高温天气来临之前要组织专项检查。发现有破损的地方及时修补，有松动的地方及时紧固，设备机箱内的温控风扇损坏时及时修理，这些都可以降低设备受恶劣天气影响而发生故障的频率。（4）定期对各种设备内部和机箱内部进行除尘，清理杂物，特别是对放置于收费亭内的车道控制机柜、监控室内的硬盘录像机、工作站进行除尘，可以有效降低这些设备运行速度慢、易死机的故障。对车道控制柜的清理要缩短周期，因为其所处环境最为恶劣。除尘方式易采用吹风机，避免使用毛刷和吸尘器，因为毛刷力度掌握不好会损坏设备，而吸尘器需近距离才能吸走混合油烟后吸附着的灰尘，除尘效果不如吹风机。（5）根据各种设备的特点制定不同方式、不同周期的保养方案也可以有效降低设备的故障率。例如发电机系统和UPS系统，除了定期常规保养之外，特别要注意蓄电池的维护。蓄电池使用时间长了以后虽然测量的电压值符合标准，但启动电流会减少，这会导致发电机无法启动和UPS系统无法切换。

机电系统维修维护就是通过保养维护降低机电系统的故障率，当故障出现时能及时的得到维修，恢复其使用功能。利用各种设备出故障的频率和原因可以得出针对各种设备的维护保养方案，消除或降低故障发生的概率。除此之外，从尽快恢复设备使用功能的角度来说，可以根据故障率高的设备来准备维护更换所需要的零部件，也可以对维护人员的组织管理进行优化，安排适当的维护人员并对故障处理的先后次序进行合理规划，虽不能避免出现故障，但能减少设备出故障后的维修时间，这也能提高设备的利用率，保障收费工作的正常开展。以上机电设备的各项统计数据均以鸡石、通建高速公路为参照获得，虽有一定的局限性，但对整个高速公路机电系统来说有很多共性，有着非常高的参考价值，所得出的各种总结和方案对高速公路机电系统的维修维护工作都有一定的指导意义。