基于RCM的地鐵車輛維保技術(shù)研究

潘 瑩

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 概述

隨著中國城市化的發(fā)展，城市軌道交通如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，截至2020年中國地鐵車輛的保有量已突破7 000輛，其中北京、上海、廣州等中、大型城市，地鐵線路開通早，目前將近有三分之一的車輛已經(jīng)達(dá)到架大修的年限，地鐵維保的需求也應(yīng)運(yùn)而生。地鐵維保按照運(yùn)營里程和使用年限主要分為日常維保和架大修兩大類，日常維保是通過基本的日常維護(hù)和保養(yǎng)，保證車輛運(yùn)營的安全性和可靠性，架大修是對達(dá)到5年和10年及10年以上的車輛進(jìn)行全面的維修作業(yè)，使車輛恢復(fù)到新造時的狀態(tài)。維保業(yè)務(wù)將是未來軌道交通行業(yè)的重點(diǎn)工作之一。現(xiàn)有的維保模式主要是根據(jù)車輛各系統(tǒng)的維修手冊以及技術(shù)文件制定檢修規(guī)程，對車輛設(shè)備開展預(yù)防維修和故障維修作業(yè)，但沒有對車輛系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵性進(jìn)行區(qū)別，也沒有通過故障模式和影響分析明確設(shè)備采取的維修方式的合理性。

針對傳統(tǒng)維保模式存在的問題，提出了以可靠性為中心的維修（RCM）理念。RCM是通過對系統(tǒng)設(shè)備的可靠性進(jìn)行分析，即以故障模式和影響分析為基礎(chǔ)，以維修的適應(yīng)性、合理性、有效性和經(jīng)濟(jì)性為基本準(zhǔn)則，確定是否進(jìn)行預(yù)防性維修工作，并確定維修內(nèi)容、維修類型、維修級別和維修間隔等［1］。RCM維修理念打破了傳統(tǒng)計劃預(yù)防維修的觀念，認(rèn)為不是維修間隔越短越好，維修內(nèi)容越多越好，而是在保證裝備或產(chǎn)品安全的基礎(chǔ)上，以可靠性為中心，使維修內(nèi)容簡單而有效。傳統(tǒng)維修和RCM維修的區(qū)別見表1。

表1 傳統(tǒng)維修和RCM維修理念對比表[1-2]

RCM維修是以故障統(tǒng)計為基礎(chǔ)，以故障模式分析作為決策支持，合理地確定地鐵車輛的維修需求，優(yōu)化目前使用的地鐵車輛維保方式［3］，其特點(diǎn)是從故障后果的嚴(yán)重程度出發(fā)，盡可能避免或至少減輕故障后果，改變了過去根據(jù)設(shè)備故障的技術(shù)特性對故障本身進(jìn)行預(yù)防的傳統(tǒng)觀念。

1 RCM分析

1.1 RCM理論

RCM理論認(rèn)為不同產(chǎn)品和設(shè)備全壽命周期內(nèi)的故障率曲線不都是服從浴盆曲線。美國航空界通過長期對產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，僅有4%的產(chǎn)品故障率符合浴盆曲線，而大部分復(fù)雜產(chǎn)品的故障率曲線在早期呈現(xiàn)下降趨勢，隨后進(jìn)入恒定期，故障率保持穩(wěn)定［1-2］。故大部分產(chǎn)品無耗損故障，進(jìn)行定時維修工作有害無益。因此，對于不同的產(chǎn)品要根據(jù)其故障機(jī)理，采取有針對性的維修工作。產(chǎn)品故障率曲線見圖1。

圖1 產(chǎn)品故障率曲線圖

1.2 RCM分析流程

RCM分析的核心是故障模式影響及危害性分析FMECA。在現(xiàn)有使用環(huán)境下，用戶需要關(guān)鍵部件提供什么功能及相關(guān)的性能指標(biāo)，在何種情況下關(guān)鍵部件無法實(shí)現(xiàn)其功能，能引起各功能故障的原因，故障發(fā)生時，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，故障屬于哪一種故障后果，什么工作能預(yù)防或預(yù)測故障發(fā)生，如果無法預(yù)防或預(yù)測故障模式，如何管理其故障及后果等，通過FMECA分析確定故障模式、故障影響和故障后果，隨后根據(jù)邏輯決斷分析確定維修工作類型，制定合理的維修策略，最后開展維修計劃編制和維修作業(yè)執(zhí)行［4-5］。

FMECA分析：根據(jù)安全性、任務(wù)性以及經(jīng)濟(jì)性的影響來確定重要功能產(chǎn)品，然后對每個重要功能產(chǎn)品開展故障模式、影響及危害性分析。

邏輯決斷分析：根據(jù)FMECA分析中關(guān)鍵設(shè)備的故障后果來確定維修工作類型。

維修策略制定：提出維修間隔期后，須根據(jù)維修任務(wù)和使用要求、維修的技術(shù)條件和維修的經(jīng)濟(jì)性等因素，提出各項維修工作的維修級別建議。一般應(yīng)將維修工作確定在耗費(fèi)最低的維修級別上。詳細(xì)的RCM分析流程見圖2。

圖2 RCM分析流程圖

2 RCM在車輛維保中的應(yīng)用

本文以上海15號線全自動駕駛項目的受電弓系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述RCM分析方法。上海15號線是A型鋁型材料的電動客車，最高運(yùn)行速度為100 km/h，列 車 編 組 型 式 為-TC＊MP＊M=M＊MP＊TC-，采用DC 1 000 V-1 800 V的架空接觸網(wǎng)受流方式。其受電弓的基本結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 受電弓結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)關(guān)鍵件確定

根據(jù)關(guān)鍵件的確定原則——失效可能性和后果等級的綜合考慮，對受電弓的各組成部件進(jìn)行分析。產(chǎn)品關(guān)鍵性等級見表2。

復(fù)合絕緣子的功能主要是起支撐和絕緣的作用，當(dāng)絕緣子發(fā)生故障時，受電弓將無法工作。

驅(qū)動裝置是驅(qū)動受電弓工作的主要裝置，當(dāng)驅(qū)動裝置發(fā)生故障時，受電弓將無法工作。

升弓彈簧的功能是驅(qū)動受電弓升起，當(dāng)升弓彈簧破損、斷裂，受電弓將無法升起。

弓頭彈簧是弓頭彈性裝置、弓頭組裝負(fù)責(zé)支撐碳滑板、上臂組裝和下導(dǎo)管裝配是受電弓的主體結(jié)構(gòu)，它們和碳滑板一起實(shí)現(xiàn)受流功能，當(dāng)上臂組裝不能保持正常位置或者弓頭彈簧、下導(dǎo)管和滑板中的任何一個部件發(fā)生故障，受電弓將會受流不良。

節(jié)流閥是用于控制受電弓的升弓速度，當(dāng)節(jié)流閥漏氣時，受電弓將無法調(diào)整升弓速度。

氮?dú)鈴椈傻墓δ苁球?qū)動受電弓降弓，當(dāng)?shù)獨(dú)鈴椈墒r，受電弓將無法降弓。受電弓無法工作和無法升弓的后果是不可接受的。因此，復(fù)合絕緣子、驅(qū)動裝置和升弓彈簧是關(guān)鍵件。受電弓受流不良一般不影響運(yùn)營，但根據(jù)以往項目的故障統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)弓頭彈簧和碳滑板的數(shù)量較多，失效概率高，因此也為關(guān)鍵件。另外受電弓無法降弓也是不影響運(yùn)營的故障，且失效概率較低，在可容忍的范圍內(nèi)。因此，氮?dú)鈴椈刹粚儆陉P(guān)鍵件。

表2 產(chǎn)品關(guān)鍵性等級

2.2 FMECA分析

在確定關(guān)鍵件后，對上海15號線受電弓系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，主要對關(guān)鍵件的故障模式、故障影響以及危害性進(jìn)行分析。上海15號線受電弓系統(tǒng)FMECA分析詳見表3。

2.3 維修決策

通常確定維修方式的基本原則是：對安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益影響較大的設(shè)備，若可用狀態(tài)監(jiān)測手段探測故障征兆，應(yīng)采用狀態(tài)維修，否則采用計劃性預(yù)防維修；對處于連續(xù)性運(yùn)作且沒有備用的設(shè)備，應(yīng)采用計劃性預(yù)防維修；對安全性和經(jīng)濟(jì)性影響不大或有備用的設(shè)備，應(yīng)采用事后維修；對以隨機(jī)故障為主要故障形式，故障征兆無法有效監(jiān)測的設(shè)備，應(yīng)采用事后維修。本文依據(jù)圖4邏輯決斷圖進(jìn)行逐級判斷［4］。

表3 上海15號線受電弓系統(tǒng)FMECA分析表

圖4 邏輯決斷分析圖

1）絕緣子的斷裂不屬于隱性故障和關(guān)鍵模式故障，且經(jīng)過統(tǒng)計其故障率為2．40195E-09，在可接受的水平，故絕緣子在設(shè)計選材時較為嚴(yán)格，該故障通常選擇事后維修。

2）絕緣子緊固件如果發(fā)生松脫掉落故障，將引起救援故障，但此類故障的故障率極低，因此針對這類故障，需要定期對防松標(biāo)記進(jìn)行檢查。這類故障是屬于關(guān)鍵模式、關(guān)鍵原因，且不能進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的故障類型，故采用計劃預(yù)防維修。

3）弓頭彈簧的疲勞斷裂故障雖不影響運(yùn)營，但其故障率水平不在可接受的范圍，需要調(diào)整其維修周期，通常的保護(hù)減輕措施是對材料進(jìn)行要求，且每3個月進(jìn)行檢查。

4）驅(qū)動裝置故障屬于顯性故障、關(guān)鍵模式和關(guān)鍵原因故障，且故障機(jī)理與時間壽命有關(guān)，其狀態(tài)可通過弓網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行視頻監(jiān)控和圖像識別，同時根據(jù)壽命預(yù)估，需每5年進(jìn)行一次更換。

5）滑板掉塊故障將導(dǎo)致降級服務(wù)，也屬于顯性故障、關(guān)鍵模式和關(guān)鍵原因故障，且故障機(jī)理與時間壽命有關(guān)，但其狀態(tài)不可監(jiān)測，故一般選擇進(jìn)口滑板且每3個月進(jìn)行定期檢修。

6）升弓彈簧的疲勞斷裂故障屬于顯性故障、關(guān)鍵模式和關(guān)鍵原因故障，且故障機(jī)理與時間壽命有關(guān)，其狀態(tài)可通過弓網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行視頻監(jiān)控和圖像識別，同時根據(jù)壽命預(yù)估，需每5年進(jìn)行一次更換。

RCM維修理念是以可靠性理論為基礎(chǔ)，根據(jù)不同設(shè)備的特性、運(yùn)行方式、重要性程度、故障特點(diǎn)等綜合因素有針對性地采取維修措施，可以將傳統(tǒng)的定期維修方式、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和日常點(diǎn)檢工作有機(jī)結(jié)合，合理確定維修周期和維修項目，加強(qiáng)維修數(shù)據(jù)的管理，為維修工作提供科學(xué)依據(jù)；建立質(zhì)量保證體系，提高維修質(zhì)量，使受電弓系統(tǒng)設(shè)備在保持較高可靠性水平的同時盡可能降低維修成本。

3 總結(jié)

RCM分析的車輛維保理念相比于傳統(tǒng)的計劃檢修，在維保效率和質(zhì)量上有了很大的進(jìn)步和提高。通過可靠性分析，對關(guān)鍵設(shè)備的故障模式和后果進(jìn)行深入研究，確定其合理的預(yù)防性維修方式。但是對于設(shè)備的維修周期還需進(jìn)一步優(yōu)化，周期過長或過短都會引起不必要的損失，未來地鐵車輛維保將在RCM的基礎(chǔ)上對設(shè)備維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、故障機(jī)理、故障后果及預(yù)防措施進(jìn)一步深入研究，從而持續(xù)優(yōu)化檢修規(guī)程，不斷完善車輛維保技術(shù)和維保管理。同時維修性設(shè)計需進(jìn)一步加強(qiáng)，為適應(yīng)車輛檢修要求，在設(shè)計初期應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品的可達(dá)性設(shè)計、可維護(hù)性設(shè)計、維修安全性設(shè)計、檢測診斷智能化設(shè)計、防差錯/標(biāo)識設(shè)計等設(shè)計工作，提高車輛系統(tǒng)的可維修性能、簡化維修工作、降低維修成本、縮短維修時間，并能確保機(jī)車的安全性和可靠性。