鐵路內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)模型的研究

董曉巖,狄 威,劉 軍

(北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,北京100044)

現(xiàn)階段我國(guó)鐵路內(nèi)燃機(jī)車的維修采用“計(jì)劃預(yù)防維修”制度,按照經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)方法,以主要機(jī)械部件的可靠性確定機(jī)車的檢修周期,實(shí)現(xiàn)“定時(shí)維修”方式,保證機(jī)車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。但內(nèi)燃機(jī)車的機(jī)械設(shè)備和電子部件的磨損規(guī)律和可靠性水平并不相同,存在因固定檢修周期造成的過(guò)剩維修現(xiàn)象,導(dǎo)致“維修不足”和“維修過(guò)?！爆F(xiàn)象并存,在此情況下,通過(guò)不斷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)機(jī)車整體或者部件的損耗是否達(dá)到維修臨界點(diǎn),采用“視情維修”方式,確定機(jī)車的維修時(shí)機(jī)以及維修內(nèi)容,這就迫切需要合理確定內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體可靠性的變化規(guī)律,評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)車整體的可靠性水平。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)內(nèi)燃機(jī)車可靠性研究集中于關(guān)鍵部件的可靠性計(jì)算,缺少內(nèi)燃機(jī)車這一機(jī)電系統(tǒng)整體可靠性的計(jì)算方法[2]。為解決這一問(wèn)題,本文在現(xiàn)有的機(jī)電部件可靠性研究基礎(chǔ)上,利用內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)關(guān)鍵部件的串并聯(lián)關(guān)系,評(píng)估了系統(tǒng)整體的可靠性,分析和預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性,進(jìn)而為機(jī)車維修與否給出評(píng)判依據(jù)。

1 內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)可靠性分析

按照系統(tǒng)工程理論,可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠維持正常功能的可能性(概率)。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)而言,其可靠性可以定義為:給定的作業(yè)條件下,特定維修周期內(nèi)能正常執(zhí)行內(nèi)燃機(jī)車牽引功能的概率[1]。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)提出的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62278—2002《鐵路應(yīng)用——鐵道可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(RAMS)規(guī)范及說(shuō)明》,內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)的可靠性與安全性、可用性和可維護(hù)性緊密相關(guān),而其中系統(tǒng)可靠性的研究更是這4個(gè)因素中的基礎(chǔ)[4,5]。

內(nèi)燃機(jī)車是我國(guó)鐵路的主要牽引動(dòng)力裝備,新型內(nèi)燃機(jī)車屬于機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng),組成系統(tǒng)的部件和子系統(tǒng)規(guī)模龐大、類型繁多,相互間關(guān)系復(fù)雜。按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備、部件(組件)4個(gè)層次,結(jié)合模塊的主要功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以將內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)劃分為8個(gè)大的系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 內(nèi)燃機(jī)車總體結(jié)構(gòu)分解

而從系統(tǒng)的重要程度上可以分為關(guān)鍵子系統(tǒng)和非關(guān)鍵子系統(tǒng)兩個(gè)部分,其中空調(diào)、采暖屬于非關(guān)鍵子系統(tǒng),其他則屬于關(guān)鍵子系統(tǒng),并可以按照功能模塊和基本結(jié)構(gòu)組成進(jìn)一步分解。由于這些設(shè)備的損耗原理不同,表示磨損規(guī)律的故障率曲線通?？梢苑譃槿缦聨最?

(1)典型的“浴盆”曲線類型

大部分的機(jī)械設(shè)備均符合這類設(shè)備故障率曲線圖(圖2)。按照機(jī)械磨損理論,產(chǎn)品的故障率隨著時(shí)間的變化大致分為早期故障期、偶發(fā)故障期和耗損故障期。早期故障主要是設(shè)計(jì)、制造上的缺陷所致,或使用不當(dāng)造成的。當(dāng)進(jìn)入偶發(fā)故障期,設(shè)備故障率大致處于穩(wěn)定狀態(tài)。在設(shè)備使用后期,由于設(shè)備零部件的磨損、疲勞、老化、腐蝕等,故障率不斷上升。

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車中以機(jī)械系統(tǒng)為主的子系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備,其故障率基本符合這類曲線變化規(guī)律,可以利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定其可靠性和可維護(hù)性等指標(biāo)。而電子設(shè)備和控制設(shè)備的磨損曲線則不符合這一類型。

圖2 浴盆曲線類的設(shè)備故障率曲線

(2)其他類型的磨損曲線

對(duì)于大部分的電子設(shè)備,具有相對(duì)恒定的故障率。但是當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)壽命后,則進(jìn)入明顯的磨損期,如圖3中的A所示。曲線B顯示了緩慢增長(zhǎng)的故障率,但沒(méi)有明顯的磨損期。曲線C顯示了新設(shè)備從剛出廠的低故障率,急劇地增長(zhǎng)到一個(gè)恒定的故障率。曲線D顯示設(shè)備的故障為恒定值,出現(xiàn)的故障常常是偶然因素造成的。而曲線E顯示設(shè)備開(kāi)始有高的初期故障率,然后急劇下降到一個(gè)恒定的或者是增長(zhǎng)極為緩慢的故障率。

圖3 其他類型的磨損曲線

根據(jù)系統(tǒng)可靠性的相關(guān)理論,評(píng)價(jià)設(shè)備和部件可靠性的指標(biāo)通常包括[5-7]:(1)反映系統(tǒng)或部件使用壽命一類指標(biāo),即通過(guò)建立失效概率密度及分布函數(shù),以失效時(shí)間Tr描述失效事件發(fā)生前的工作時(shí)間(即使用壽命)。(2)反映部件可靠性水平的可靠度指標(biāo),記為可靠度R(t)或不可靠度R′(t)。(3)反映部件或系統(tǒng)故障狀態(tài)的故障率指標(biāo),被稱為失效率h(t)。這3類評(píng)價(jià)指標(biāo)均是從不同角度對(duì)系統(tǒng)部件可靠性水平的刻畫(huà),其本質(zhì)是相同的,并且可以通過(guò)表1所示的公式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換[7]。這也說(shuō)明,針對(duì)不同類型的部件建立的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo),可以將其統(tǒng)一,以便于計(jì)算系統(tǒng)整體的可靠性水平。

表1 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系[7]

2 內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)可靠度評(píng)價(jià)模型

鐵路內(nèi)燃機(jī)車是機(jī)電一體化的系統(tǒng),按照其結(jié)構(gòu)和功能,可以劃分為柴油機(jī)及輔助裝置、整流裝置、主發(fā)電機(jī)及牽引電機(jī)系統(tǒng)、車體及走行系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、電氣及儀表系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)等8個(gè)部分。由于機(jī)械、電子設(shè)備在磨損規(guī)律和可靠性水平方面的差異,其可靠性評(píng)估需要綜合考慮這些關(guān)鍵設(shè)備的影響。

若從內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)功能的角度出發(fā),各個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)和功能模塊相互關(guān)聯(lián),共同保證機(jī)車系統(tǒng)的有效運(yùn)行,因而構(gòu)成了一類串并聯(lián)混合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)這類系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)方法和模型,將評(píng)價(jià)過(guò)程劃分為兩個(gè)部分:第一階段基于功能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊的劃分;第二階段是基于部件可靠性的內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體可靠性計(jì)算。

2.1 內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊劃分

為了更清晰地了解上述各重要功能系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系,圖4給出了內(nèi)燃機(jī)車重要功能系統(tǒng)可靠性結(jié)構(gòu)框圖。

內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)可靠性框圖從系統(tǒng)功能的角度,描述了各關(guān)鍵子系統(tǒng)和部件的邏輯關(guān)系,并將其作為計(jì)算系統(tǒng)整體可靠性的依據(jù)。

2.2 基于部件可靠性的內(nèi)燃機(jī)車整體可靠性評(píng)價(jià)

內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的磨損規(guī)律和損耗原理差別較大,通常情況下,部件設(shè)備的可靠性水平或平均壽命均表現(xiàn)為一類隨時(shí)間變化的隨機(jī)變量,服從于特定的概率分布,而這種規(guī)律一方面可以由部件設(shè)備的生產(chǎn)廠商提供,另一方面也可以由維修部門根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到。根據(jù)前面的分析,描述不同部件可靠性的3類方式,只要獲得失效時(shí)間的分布函數(shù)、可靠度函數(shù)和故障率函數(shù)中的任何一個(gè),就能夠通過(guò)轉(zhuǎn)換公式將其統(tǒng)一,以此計(jì)算系統(tǒng)整體的可靠性水平。

圖4 內(nèi)燃機(jī)車重要功能系統(tǒng)可靠性框圖

假設(shè)內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)具有N個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)具有Mi(i∈N)個(gè)部件,每個(gè)部件m∈Mi的失效屬于獨(dú)立的隨機(jī)事件,失效時(shí)間的概率密度函數(shù)表示為f m(t)。那么根據(jù)串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算公式,則子系統(tǒng)i從t=0時(shí)刻開(kāi)始,在t=T時(shí)刻的可靠性水平為Ri(T)=。而根據(jù)圖4所示,由若干關(guān)鍵子系統(tǒng)組成的內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體可靠度可以表示為:

由公式(1)可知,當(dāng)子系統(tǒng)數(shù)量和部件數(shù)目較大時(shí),系統(tǒng)整體可靠度數(shù)值將顯著降低,并趨近于0。更為一般的情況是在實(shí)際評(píng)估內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體的可靠性水平時(shí),各關(guān)鍵子系統(tǒng)的影響并不相同,在內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)中的地位和重要性也有差異。因此,為表現(xiàn)不同子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)總體可靠性水平貢獻(xiàn)的差異,可以進(jìn)一步考慮引入權(quán)重系數(shù),表現(xiàn)各子系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)整體的重要程度。

在公式(2)中,當(dāng)子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)αi=1時(shí),其可靠度為 R*i(T)=Ri(T)αi=Ri(T);當(dāng) αi=0 時(shí),R*i(T)=Ri(T)αi=1。在處理具體問(wèn)題時(shí),每個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)αi可以采用專家評(píng)判或者其他方法加以確定。

3 算例分析

以內(nèi)燃機(jī)車F為例,若大修周期為T=90萬(wàn)km,假設(shè)在T時(shí)刻系統(tǒng)中各部件的可靠度(可根據(jù)部件壽命曲線、可靠度曲線等計(jì)算)如表2所示,則此時(shí)系統(tǒng)總體可靠度水平的計(jì)算方法如下。

大修周期T=90萬(wàn)km時(shí),各個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)均為 1的情況下,系統(tǒng)總體可靠度為:Rs(t)=R1(t)?R2(t)?R3(t)?R4(t)?R5(t)?R6(t)?R7(t)=0.601 9。

表2 T時(shí)刻系統(tǒng)各部件的可靠度

表3 無(wú)備份情況下可靠度指標(biāo)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,可知:(1)內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體可靠性水平是由其關(guān)鍵子系統(tǒng)的可靠性水平共同決定的。(2)模塊化的內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)關(guān)鍵子系統(tǒng)數(shù)量和部件規(guī)模決定了系統(tǒng)整體可靠性水平,數(shù)量越多,則出現(xiàn)問(wèn)題的幾率也越大。在某個(gè)T時(shí)刻,其系統(tǒng)總體可靠性水平也隨著部件規(guī)模的增加而降低。(3)針對(duì)內(nèi)燃機(jī)車關(guān)鍵子系統(tǒng)的部件,可以根據(jù)其不同類型確定相應(yīng)的壽命曲線、故障率曲線,并統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為基于時(shí)間的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo),以此作為系統(tǒng)可靠度計(jì)算的依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以可靠性為中心的維修思想正逐步得到鐵路機(jī)車車輛維修部門的重視,而對(duì)內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體可靠性評(píng)價(jià)則成為維修理論研究首先要解決的問(wèn)題。本文從內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)劃分入手,確定了內(nèi)燃機(jī)車關(guān)鍵子系統(tǒng)的可靠性框圖,提出了基于部件可靠度到系統(tǒng)可靠度,利用串并聯(lián)系統(tǒng)關(guān)系建立了內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)整體可靠度評(píng)價(jià)模型,并結(jié)合算例給出一種系統(tǒng)可靠度的計(jì)算方法。

[1]董錫明.機(jī)車車輛維修理論與發(fā)展[J].鐵道機(jī)車車輛,2004,24(2):50-55.

[2]董錫明.我國(guó)鐵道機(jī)車車輛可靠性工程研究[J].中國(guó)鐵路,1996,(1):9-12.

[3]董錫明.機(jī)車車輛故障與可靠性分析[J].鐵道機(jī)車車輛,2004,24(6):42-47.

[4]嚴(yán)云升.鐵道機(jī)車車輛電子產(chǎn)品的RAMS[J].機(jī)車電傳動(dòng),2003,(6):1-4.

[5]賈希勝,賈云獻(xiàn),溫 亮.以可靠性為中心的維修及其模型支持[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,16(1):15-18.

[6]Patrick D.T.O'Connor Practical Reliability Engineering Fourth Edition[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[7]郭永基.可靠性工程原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.