机械设备健康学在车辆机械管理与维护中的应用.docx
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机械设备健康学在车辆机械管理与维护中的应用
“机械设备健康学”
在车辆机械管理与维护中的应用
概述
车辆、机械、设备是交通企业的基本装备。
现代车辆、机械、设
备结构复杂，自动化程度高，生产效率倍增，但价格昂贵，应用和维
护成本高，一旦出现故障，造成生产与维修的经济损失也比较严重。
因此，合理运用，科学管理，长期稳定的保持车辆、机械、设备良好
的性能状态，保持高效率低成本运行，对企业的管理、运营、施工进
度、成本控制和经济效益有十分重要的意义。
车辆、机械、设备的科学管理和维修养护是其发挥良好效率的保
障。
交通企业的任务重，车辆运用频率高，运转时间长，机械施工环
境条件恶劣复杂，对车辆、机械、设备的各项性能不断提出更高的要
求。
但目前，车辆、机械设备的管理、养护、维修的理论、模式和技
术，仍沿用八十年代的传统方式，无法适应全寿命健康运用的要求。
根据调研资料显示，目前交通企业的维修保养体制和技术水平，
存在着许多急需优化和改革的地方。
例如，在维修保养方面，靠感觉
诊断，凭经验修理；重维修轻保养，重过程轻效果；保养维修费用高，
作业强度大等。
在管理方面，以更新代替维修，以维修代替养护；以
及燃润油消耗高等情况比较普遍。
动态监测管理和动态养护维修只有
极少数企业施行，大部分企业尚属空白。
这种管理应用、养护维修模
式显著的滞后状况，不仅影响到车辆、机械、设备的健康运用，影响
到运营和施工任务的完成，更加大了企业管理、消耗、维修等各项成
本，直接影响到企业的总体经济效益。
邓小平同志多次指出“科学技术是第一生产力”，依托科学技术
的发展及应用，从管理和维修养护理论、理念、模式和技术等方面入
手，是企业质量管理创新和节能、减修、增效的捷径，同时有助于解
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决通过行政、法规、管理、教育、制度等方法难于解决的诸多问题，
大大提高企业的市场适应能力和竞争能力。
一、 机械设备健康学
机械设备健康学是医学科学、仿生科学与设备维修科学、表面
工程科学交叉的新兴学科。
它以系统论、信息论、控制论、健康论为基础理论；
以 “预防性动态健康管理和动态养护维修”为主要特征；实
现机械设备可靠性的人—机结合的双向健康控制。
以“全寿命健康” 为目标，对车辆、机械、设备的技术状态
和健康运用实施全程监控。
以建立“自养护、自修复、自补偿、自适应”的仿生学机能
为基础，部分取代人工保养维修，促进机械设备管理与维修模式的变
革。
以提高企业经济效益为中心，追求经济、技术、管理的最优
化，积极推进车辆、机械、设备的管理、应用、维修的科技进步，不
断降低并有效控制机械设备的寿命周期费用，提高综合效率。
机械设备健康学包括三个组成部分：
机械设备健康理论，机械设
备健康监控，机械设备动态养护维修。
（一）机械设备健康理论
传统的车辆、机械、设备管理与维修理论，着眼于宏观故障
及故障结果的后馈式管理和静态维修方式，往往等待出现故障时（预
知的或已发生的）采用停机解体换件维修的方式处理，其特点阶段性
恢复和保持健康。
机械设备健康理论，着眼于微观和介观的动态变化和损伤过程控
制，研究机械损伤的动态演变过程，特点规律；研究事前预防、过程
监控、动态养护维修和机械设备的健康保健制度等，即研究如何使机
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械设备保持健康运用，不出或少出故障，减免停机解体维修。
其特点
是全寿命持续性保持健康和最合理的成本消耗。
机械设备健康理论，把机械设备分为三类技术状态：
健康—亚健
康—故障。
机械设备使用寿命是由健康—— 亚健康—— 故障——报
废，即由量变到质变的动态过程。
根据调研，目前在用的车辆、机械
设备，健康状态的约占 20%，亚健康状态的约占 60%，故障状态的占 20%。
机械设备健康状态的标准是各总成的主要状态参数和各系统
的配合平衡保持或超过设计状态。
机械设备亚健康状态的标准是各总成的主要状态参数偏离标
准值，各系统的配合平衡失调。
致使机械工况下降，消耗增高，达不
到设计状态。
机械设备故障状态的标准是各总成的主要状态参数超过允许
值，各系统的配合平衡紊乱，致使机械工况劣化，部分或全部丧失规
定的功能。
机械设备健康管理和动态养护维修的意义和目标，就是着眼
于机械设备的健康状态监控和保持，主动预防健康劣化，积极促进机械
设备的亚健康向健康的正向转化，有效控制亚健康向故障的负向转化，
从而防止故障的发生或发展，减免维修，提高机械设备的健康率和使用
效率。
（二）机械设备健康监测
“机械设备健康学”提出了机械设备整体论模式的健康定义：
突破了无故障就是完好的传统概念，提出了第三种状态“亚健康状态”
。
这是模糊逻辑和模糊思维在机械设备维修领域中的运用。
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模糊逻辑的基本观点是：
事物都是一个程度问题，在黑与白、是
与非之间存在广阔的灰色区域，对这里的事物不能做或是或非，黑白
分明的判别。
科学家称之为“第三种状态”，这种状态在量子力学中
称为真值和假值之间的“中性值”，在医学中称为健康与疾病之间的
“亚健康”。
“亚健康状态”具有双向转化的特点，诊断和处理得当，“亚健
康”可以转化为健康；诊断和处理不当或不诊断和不处理，就会发生
漏诊或误诊，使“亚健康”转化为故障，耽误了检修时机，造成不必
要的人、财、物的浪费和生产损失及安全隐患。
“亚健康状态”给机械设备维修理论研究者和工程技术人员提出了
一系列的新课题和新任务。
例如：
诊断、维修、保养的意义和内容是
什么？
如何建立新的诊断方法和标准？
如何建立新型的维修保养模式？
如何以新的思维方式去适应维修模式的发展与变革等等。
机械设备诊断是为维修保养服务的，因此，其检测的项目内容、
时间频次、参数分析、诊断结果等，必须能给维修保养提供有效的指
导。
“机械设备健康学”的健康监测有有四个方面的特点：
第一、健康是监测的目的。
传统维修检测追踪的是故障指数，为
制定修理方案提供依据；健康学检测追踪的是健康指数，为机械设备
的健康状态的动态保健方案提供依据，为亚健康状态的动态康复方案
提供依据。
因此，健康学监测确定了动力性、经济性、净化性、安全
性四大类健康指标，增加了机、电、油、水、气等相关检测项目，以
便更全面的掌握机械设备的状态，为维修保养方案的准确选择提供依
据，避免保养简单化、维修扩大化。
第二、动态检测是监测的特点。
机械设备零部件的失效、各系统
配合平衡的紊乱、技术工况的下降是一个由量变到质变的过程，这个
过程一定会以状态参量的变化表现出来。
健康学监测要求尽可能的追
踪状态参数的变化，特别是“亚健康状态”的变化动向，增加监测的
频度和内容，例如，把在工厂车间二级保养的机、电、油、水、气等
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主要检测项目提前到作业现场的一级保养中执行，把每次一级保养变
成一次机械设备的状态查体和健康恢复，在动态维护机制的保障下，
正向转化“亚健康状态”，有效控制机械设备损伤的量变，预防故障
的生成，达到减免维修（特别是解体和换件）与健康运用的目的。
第三、检测仪器是必备的手段。
发展机械设备检测技术和仪器设
备是提高监控水平，保障健康运用的必要手段；是提高维修效率，保
证维修质量，保障运用安全的必要手段；是促进机械设备维修保养制
度变革的迫切需要。
是实现国家、企业可持续发展战略和节能环保、
减修增效的有效捷径。
工业发达国家的检测诊断实现了管理上“制度
化”，检测指标上“标准化”，检测技术上的“智能化”发展。
机械设备健康诊断，已经和正在生产作业现场适用的便携式、多功
能、通用型、“傻瓜型”、网络化的各系统的检测分析仪器，便于生
产一线对机械设备状态参数等信息的采集、分析、诊断和实施保健康
复措施，从而把维修保养延伸到生产线，把停机解体换件维修转变为
不停机不解体不更换零部件的动态维修保养模式。
第四、网络化管理是发展的趋势。
建立企业和行业性网络，实施
机械设备健康的网络化管理势在必行。
以行业学协会为龙头，协同政
府主管部门、生产厂家、销售企业、维修企业、科研教学单位等，充
分发挥资源整合的优势，开展对机械设备健康状态的健康普查、专家
诊断系统研发、诊断和治疗的远程技术支援，行业信息交流，产品质
量追踪，维修服务分析，应用管理评估等等。
以实现全行业生产质量
—销售服务—管理应用—保养维修的全方位、全程性的机械设备的健
康监控。
（三）机械设备动态养护维修
1、车辆、机械、设备在运用中受到诸多因素的影响及损害，与机
械零部件材质、加工工艺、装配工艺；运行环境、运行材料；管理制
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度和管理水平，操作人员素质；动态监控和维修保养模式、条件、设
备、技术等诸多因素相关。
车辆、机械、设备的动力性、经济性、可靠性、安全性、净化性
随着机械的磨损、疲劳、老化而逐渐下降，而燃润油消耗、尾气排污、
故障频率、维修保养费用和停修时间则随之上升。
在现行的维修保养模式中，车辆、机械设备的技术状态表现为运
用──劣化——修理，再运用——再劣化──再修理的锯齿型反复变
化过程，无法保持长期的健康良好，其结果是质量性能不稳定，高消
耗运用，反复停机检修，耗费大量资金、时间和人力。
2、动态养护维修是将医学和仿生学的原理、方法和技术运用
于机械设备的养护维修，从而形成全新的理念和技术模式。
动态养护维修以保持机械工作内环境的稳定，减少停机检修，减
免解体维修为目标，通过为机械设备建立“自养护、自修复、自补偿、
自适应”的仿生学机能，形成损伤与修复的动态平衡，始终保持机械
设备动态健康和低成本运用。
3、动态养护维修模式，利用机械设备运行时特有的机械、物理、
化学等条件，直接针对机件损伤的规律和特点，依据动态监测参数的
分析诊断，辨证选择和实施预防——保健——康复的养护维修方案。
4、动态养护维修方案，是根据机械设备不同的技术状态，不同的
运用阶段，不同的损伤特点，有针对性的选择运用。
分为三种类型：
1）强化型养护维修方案：
使机械设备超越设计质量水平的养护维
修方案，使用金属陶瓷化修复材料系列，大大强化机件摩擦副表面
（可达到几十万公里零磨损），弥补机件材料表面抗磨强度不足的普
遍性固有性缺陷，尤其适用于工作强度大，作业时间长，环境较恶劣，
破坏性因素集中的车辆、机械、设备。
在车辆、机械、设备的健康和
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亚健康期，如新机强保期和大修以后的磨合期，以及机械设备应用的
早期，是该方案的最佳选择期，由此奠定机械一生健康应用的基础。
2）康复型养护维修方案——使汽车恢复健康的养护维修方案，如
机械设备在检测中显示已存在程度不同的磨损、疲劳、失弹、老化指
征时，采取自动修复、改质强化、复弹、系统调整等技术措施，使用
金属自动修复剂系列，自行焊接修复机件表面的磨损、拉伤、腐蚀、
裂纹等，原位重造机件的金属表面，恢复其形态和功能及最佳工况。
适用于亚健康至已近大修的机械设备。
3）保健型养护维修方案——使机械设备保持健康的养护维修方案，
如机械设备在检测中各项技术参数均在健康标准范围内，即可选用预
防性自动微修微调的技术措施，保持零部件的设计形态、良好配合及
技术性能，保持各系统的配合平衡，保持长期稳定的健康应用。
三种类型养护维修方案的选择，要依据数据检测，分析诊断，并
结合机件寿命、行驶里程、运行环境等具体情况进行综合判断，对症
选择。
5、动态养护维修技术，包括动态的原位性修复、清洗、改质
强化、改性、复弹等多种动态表面工程技术，目前在发动机、变速箱、
压缩机、液压系统、轴承等各机械总成中广泛应用。
二、 综合效益分析
交通企业的车辆、机械、设备的健康管理有两个目标，即设备综
合效率高和周期寿命费用低，这是影响企业生产成本和经济效益的两
大关键。
设备综合效率包括：
车辆、机械、设备的健康率、利用率、生产
效率、保值增值等方面。
设备周期寿命费用包括：
非再现费用（不变成本）：
即一次性投资的购置费用。
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再现费用（可变成本）：
即车辆、机械设备、车辆使用过程中
的维持费用，包括与管理、应用、养护、维修有关的人、材、物等的
消耗费用。
可变成本往往高达不变成本的几倍到十几倍，约占整个运
营生产成本 50%以上，因此，是企业的管理重点。
健康管理与动态养护维修在上述两个目标方面“开源节流”，
为企业创造良好的管理效益和经济效益。
（一）在车辆机械综合效率方面“开源”
1、保障车辆、机械、设备的健康率、利用率，提高运营效率。
健康管理与动态养护维修是车辆、机械、设备持续健康运用
的有效保障方法，在机械养护中，建立并保持其“自养护、自修复、
自适应机能”，就能够实现车辆、机械、设备的高健康率、高利用率，
低故障率、低维修率，从而保证生产效率。
云南省交通厅科学研究所在云南省大型汽车运输经贸总公司
立项试验，日本尼桑 CKA45 载重施工车（18-01033 号），已行驶
358416 公里，因配件价格高，发动机一直没有进行过拆检修理，到
1997 年初，该车动力明显下降，发动机耗机油严重，一季度百公里消
耗机油为 0.6L，三季度则高达 1.06L，发动机严重上机油，经检测气
缸最大不圆度为 0.13 毫米，最大不柱度为 0.17 毫米。
采用动态养护
维修技术处理后运行 2000 公里时，司机反映车辆动力越来越好，油耗
明显下降。
在运行 11000 公里后进行拆检，最大不圆度为 0.05 毫米，最大不柱度
为 0.03 毫米。
燃油消耗统计结果，百吨公里平均油耗处理前为
4.28L，处理后为 3.65L，平均节油率 15%；每百公里的机油消耗处理
前高达 1.06L，处理后，两个月来未补加机油，其节油效果显著。
2、保障良好使用性能，减少停机减修误工损失
对于需要停车检修的车辆、机械、设备，动态养护维修可以使
其自动恢复和保持良好的使用性能，减免停机解体修理。
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大港油田施工公司，日野 ZM443 型油罐施工车队，均已行驶 72
万余公里，发动机动力明显不足，润滑油耗费量大，汽缸及机油压力
降低，达到大修间隔里程。
采用动态养护维修后，技术参数变化如下：
汽缸总压力提高 22.7%，机油压力提高 28.5%，百公里油耗由 28.5 公
斤降为 23.5 公斤，平均节油率 17.5%，百公里润滑油平均消耗量由
1.2 公斤降为 0.2 公斤，基本达到新车水平。
司机反映：
汽车动力性能
明显提高，速度加快，提高近一个档位，噪音减小，随着运行里程的
增加，情况变得越来越好。
企业反映：
动态养护维修技术“确实能很
好的恢复发动机的性能，并且见效快，效果显著。
确实能实现发动机
不停机、不解体的情况下得以修复。
”
3、保障延长车辆、机械、设备的使用寿命和服役期，保值增值，
减少更新。
健康管理和动态保养维修可以长期保持车辆、机械、设备的
可靠性，延长使用寿命和经济寿命，延长服役期限，保值增值，节省
更新投资。
重庆建筑机械化工程总公司第三工程公司的 D80-12 推土机，
是
六十年代日本小松产品，经过近三十年的使用，远超过正常使用年限，
特别是发动机各部位的有形损耗极为严重，各运动摩擦副磨损间隙加
大导致烧机油、排兰烟；各缸缸压不均，工作不良，爆发不平稳；轴
瓦间隙大，机油压力低。
经过动态养护维修技术处理，各缸爆发平稳，
工作情况明显好转，动力增强；机油压力明显提高，怠速时由
0.5kg/c㎡提高到 1-1.15kg/c㎡。
铁道部第十一工程局第五工程处，“我处不少工程车辆、机械、
设备工作年限长，由于工作条件恶劣均已达到报废和接近报废状态，
更新这样多的车辆、机械、设备，经济条件又不允许。
”例如：
日产
TD 五十铃土石方施工车，自编号：
15419，该车在恶劣环境下工作二十
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年，各工件磨损严重，有严重敲缸声，已接近报废。
经动态养护维修
后，各缸爆发平稳，缸压增加，动力明显增强，敲缸声消失。
用户结
论：
动态养护维修技术“对各运动摩擦副之间，因磨损造成的增大，
能自动修补，而且修补速度快，效果显著。
实现不停车不解体，不需
更换零件，大修发动机的缸体与活塞环、曲轴与大瓦、小瓦之间被磨
损的间隙，节省维修费用，经济效益显著。
（实际上等于免费对车辆
进行大修，因节省的燃料费用就已足够了）。
可以推广使用。
”
（二）在设备周期寿命费用方面“节流”
1、节省燃油：
通过对机械、润滑油、燃油的全方位处理，综
合节油效果在 10—15%；
2、节省润滑油：
延长换油周期，减少补加量，节省润滑油 60%以
上，节省机油滤芯 50%以上。
3、减免修理：
免除或减少发动机、变速箱等主要总成的维修，
同时，大修降为小修，降低维修的级别及费用，减少备件库存。
4、节省维修保养时间：
动态养护维修把传统的停机解体大修，
分解成无数的微修过程，在车辆、机械、设备作业中随机完成，节省
大量修理时间，延长保养周期 1—2 倍。
综上所述，动态养护维修技术的综合经济效益十分显著，投入
产出比例一般在 1：
4—10 左右。
三、“机械设备健康学”推广应用的意义：
1、实用性
对企业而言，在健康管理，动态监测，动态养护维修中，车辆、
机械、设备始终保持设计或超越设计水平的健康状况，可适应长时间
连续高强度的生产运营，实现高健康率、高利用率和高生产效率及低
能耗、低故障、低维修的应用。
2、方便性
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目前交通企业的车辆、机械、设备的管理、检修大部分依据经
验判断，即使有少量检测设备仪器，由于精度和检测项目的局限，无
法掌握机械动态损伤的类型和程度，只有当损伤由量变发展到质变即
表现为故障时才可能被发现，而此时损伤已经严重，工况已经劣化，
物料已经浪费，故障已经形成。
运用动态养护维修，有三方面重要作
用。
一是自行养护，保持清洁适宜的机械工作的“内环境”。
二是自动修复，有效阻止损伤的量变过程，控制损伤质变发
生。
三是鉴别诊断，对于使用动态养护维修技术处理后仍无法恢
复的异常，可明确诊断为不可逆损伤，再行解体修理，避免不必要的
解体检修和备件浪费。
动态养护维修，企业只需购置必需的检测设备，对有关人员进
行技术培训，对现行维修保养制度及工艺流程作相应调整即可实施，
具有极大的方便性。
3、有效性
主要表现在全寿命、见效快、效果好、精度高四个方面。
（1）全寿命有效：
在车辆、机械设备、运用过程的任何阶段开
始应用动态养护维修技术，只要满足工艺条件，均可获得良好效果。
（2）见效快：
实施动态养护维修后，车辆、机械有关技术参数
和工况在数小时内即发生明显改善或恢复新机状态。
（3）效果好，动态养护维修技术是被称为“21 世纪绿色再制造工
程”和“绿色技术”的表面工程技术。
它以优质、高效、环保、节能、
节材为目标，根据机械零部件的损伤失效机理，应用各种表面工程特
殊技术和新材料，改变机械设备机件表面的形态、化学成分、组织结
构和应力状态，使零部件具有了优越的耐高温、耐磨损、抗疲劳、抗
老化、防腐蚀的特性，以及自润滑、自修复等全新性能。
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建立以全程跟踪机械健康为轴心的新型“健康管理模式”，可使
企业的车辆机械质量性能更优异，节能环保效果更好，大大提高企业
的市场竞争能力和占有份额。
四、动态节能理论与技术
节能是交通运输企业实现可持续发展战略目标，持续、快速、健
康发展的最经济、最有效的途径，是企业车辆、机械、设备健康管理
的重要内容之一。
（一） 动态节能理论简介
节能是一个复杂的系统工程，必须运用科学的系统论、信息论、
控制论、健康论等理论去研究和指导节能的基本思路、技术方案及管
理调控，才能取得预期的良好效果。
1、系统论：
以车辆、机械、车辆、设备管理、维修、应用环境条
件和机械自身的机、电、油、水、气的系统研究为基础，实行系统性
节能方案设计。
2、信息论：
运用节能政策、理论、技术、产品和机械工况、物料
消耗、管理应用、维修养护等相关信息，实行数据化节能指导。
3、控制论：
通过车辆、机械、设备动态监测，实施节能调控。
4、健康论：
车辆、机械、设备全程健康应用是节能、环保、减修、
增效的基础。
实行机械的健康、亚健康、故障的科学分类和新型健康
管理及保障模式，创造长期稳定节能的机械条件。
（二）动态节能技术
动态节能技术，重点是实现“产能的开源和耗能的节流”。
产能——是以燃料燃烧为中心的能量产生和转化的过程，是车辆、机
械、设备的机、电、油、水、气各系统平衡配合的复杂过程。
影响燃烧的燃油因素包括：
性能、品质（十六烷值的高低、黏度
的大小），燃烧前的物理准备质量（喷油、雾化、汽化、扩散、与空
气混合的状态），燃烧前的化学准备质量（燃油重分子的裂化、低温
氧化的状态）等。
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影响燃烧的机械因素包括：
气缸和气门的密封性，燃油供给系的
喷油泵、输油管、滤清器、喷油器，喷油正时，空燃比控制器，涡轮
增压器，空气滤清器，节气门；电控系，点火系，冷却系等各系统的
质量性能和工作状态等。
动态节能技术利用燃油和润滑油作为载体，运用高科技产品组合，
从两个技术途径“开源”。
一是实施燃油的多功能化，利用燃油作为载体，加入具有清洁、
微爆助燃、乳化、降粘等多种特性的纳米高科技产品，改良燃油品质，
提高物理活性，克服机械设计和加工缺陷，如雾化汽化质量、燃烧周
期性差异、淬冷层、辛烷值要求等对燃料燃烧过程的影响，促进燃烧
产能完全化。
二是实施机械的仿生机能化：
利用润滑油作为载体，借助机械设
备动态时特有的物理化学条件，采用高新科技产品组合，为车辆、机
械、设备建立“自养护、自修复、自适应”的仿生学机能，实现动态
中的“自我预防保健和损伤康复”，始终保持设计结构和性能的动态
稳定。
从而避免由于机械工况失常导致的燃烧条件劣化，实现产能稳
定化。
通过上述技术途径，使燃料燃烧的条件和效率超越了车辆机械原
有的设计水平，燃烧效率由 65%提高到 95%以上，燃料能源利用率大
大突破 38%，实现产能最大化。
2、 耗能——是以能量分配和运用为中心的能量消耗过程。
燃料燃烧产生的热量中，约有 62%以热能形式从冷却系统和尾气
中排出，只有 38%转化为机械能，而其中 2/5 要用于克服机械各部位的
摩擦阻力。
因此，降低摩擦阻力是节能降耗并保证燃料能源有效合理
利用的主要途径。
动态节能技术，从两个技术途径“节流”。
一是改变摩擦形式，以润滑油作为载体，加入纳米或微米“滚珠”，
在机件摩擦副表面形成牢固的多层的“滚珠轴承结构膜”，将机械传
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统的滑动摩擦改变为滚动摩擦，降低摩擦系数数倍至数十倍，使摩擦
功耗大幅度降低，节省能耗。
二是应用“动态养护维修”保持车辆、机械、设备全程健康运用。
机械设备是“产能和耗能”的基础，能耗高低是反映车辆、机械、设
备健康与否的最重要的经济性指标。
机械全程健康才能保持长期稳定
的节能节材。
（三）动态节能方案设计（略）
五、相关产品简介
该系列产品是专为车辆、机械、设备的健康和动态养护维修
所精选的高新科技产品，其功效独特，使用方便，效果显著而神奇，
经过国家有关科技权威部门的鉴定，均属于国内外首创，国际领先。
经过多年的实际应用，为车辆、机械、设备的全程健康运用，为企业
的节能降耗和减修增效发挥了巨大作用，取得了良好的技术和经济效
益。
该系列产品不是简单的产品应用，它们是构成机械“动态维
修和健康管
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