低地板有軌電車可靠性技術(shù)的規(guī)劃和應(yīng)用

■ 施青松

施青松：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，副總經(jīng)理，總工程師，江蘇 南京，210031

1 概述

低地板有軌電車是城市軌道交通工具的一種，尤其100%低地板有軌電車，以其節(jié)能、環(huán)保、投資較小、載客量適中、乘坐舒適性較好、后期維護(hù)費(fèi)用較少等優(yōu)點(diǎn)，迅速吸引了國內(nèi)城市的關(guān)注和研究。作為產(chǎn)品基本質(zhì)量目標(biāo)之一，可靠性在軌道車輛的設(shè)計(jì)過程中越來越受到重視。探討在低地板有軌電車中如何規(guī)劃可靠性活動，以實(shí)現(xiàn)可靠性與設(shè)計(jì)的有效結(jié)合，提高車輛可靠性水平，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力。

1.1 低地板有軌電車發(fā)展現(xiàn)狀

低地板有軌電車是指地板面距軌面高度在350～400 mm以下的軌道交通車輛[1]，經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：部分低地板、70%低地板和100%低地板。車輛入口高度低，不需設(shè)置高站臺，軌道可直接鋪設(shè)在路面上，或利用原來有軌電車軌道，車輛能夠通過半徑很小的曲線，適應(yīng)于城市地面路況，可顯著降低線路造價(jià)[1]。

20世紀(jì)80年代以來，低地板有軌電車在城市軌道交通中取得了快速發(fā)展，幾乎遍布?xì)W洲大陸，以及加拿大、美國、澳大利亞、日本等國家和地區(qū)。在國內(nèi)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會活動的逐漸豐富，城市對交通流暢和節(jié)能減排的要求日益迫切，低地板有軌電車的自主研發(fā)正悄然進(jìn)行，已逐漸成為城市公共交通市場的發(fā)展趨勢。目前，沈陽100%低地板有軌電車已于2013年8月正式開通運(yùn)營，而南京、蘇州、上海、天津、北京、廣州等眾多城市有軌電車線路也已建成或正在建設(shè)。在未來10～20年，開行現(xiàn)代有軌電車將是國內(nèi)諸多城市發(fā)展公共交通的智慧選擇。

1.2 可靠性理論發(fā)展現(xiàn)狀

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間間隔（t1，t2）內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[2]。20世紀(jì)60年代，可靠性工程進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，逐漸形成一門學(xué)科，以后逐步擴(kuò)展到維修性和安全性，分別成為一門獨(dú)立學(xué)科，在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在軌道交通行業(yè)起步較晚，且缺乏系統(tǒng)性和完整性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場競爭的需要，現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性及安全性方面工作逐漸得到重視，也日趨成熟。

1999年歐洲發(fā)布了EN 50126《鐵路應(yīng)用 可靠性，可用性，可維護(hù)性和安全性技術(shù)條件和驗(yàn)證（RAMS）》，2002年該標(biāo)準(zhǔn)上升為IEC 62278《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）規(guī)范及示例》，促進(jìn)了RAMS工程在軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展。2008年，我國也發(fā)布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21562《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范和示例》，對我國軌道交通裝備RAMS水平的提高起到了極大的推動作用。

2 可靠性技術(shù)的規(guī)劃與應(yīng)用

低地板有軌電車的設(shè)計(jì)決定了其固有可靠性，因此，可靠性工作在設(shè)計(jì)、研制階段就應(yīng)得到充分重視。可靠性工作或形式主要有可靠性分配、功能故障模式、影響及危害度分析（FMECA）、硬件故障模式、影響分析（FMEA）、可靠性方框圖（RBD）分析、故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）等。以滿足顧客規(guī)定的可靠性指標(biāo)為牽引，將可靠性工作的關(guān)鍵步驟劃分為：（1）可靠性分配；（2）可靠性控制；（3）可靠性預(yù)測；（4）可靠性驗(yàn)證。

2.1 可靠性工作前提

2.1.1 明確故障定義

開展可靠性工作首先要了解用戶提出的可靠性要求。可靠性要求分為定性和定量兩種。定性要求是用一種非量化的形式設(shè)計(jì)、評價(jià)和保證低地板有軌電車的可靠性性能；定量要求即是用戶規(guī)定的低地板有軌電車可靠性指標(biāo)及其相應(yīng)的驗(yàn)證方法。重點(diǎn)討論如何保證、滿足用戶提出的可靠性定量要求，即可靠性指標(biāo)。

可靠性指標(biāo)是用戶根據(jù)系統(tǒng)需求提出的、作為評定車輛保持特定性能能力的標(biāo)準(zhǔn)。評定對象不同，可靠性指標(biāo)值也會不同。因此，首先應(yīng)了解可靠性指標(biāo)適用的對象及范圍，即故障的定義。

低地板有軌電車故障定義主要分為兩類：運(yùn)營故障和內(nèi)在故障。內(nèi)在故障囊括了車輛運(yùn)用中發(fā)生的所有故障，包括檢修中發(fā)現(xiàn)的故障，使用參數(shù)平均無故障時(shí)間（MTBF）進(jìn)行考核；運(yùn)營故障根據(jù)故障對運(yùn)營的影響又劃分為延誤（正線上停車時(shí)間超過5 min）、未出庫（晚投入運(yùn)營時(shí)間超過5 min）、掉線（車輛退出商業(yè)運(yùn)營）、清客（需要疏散乘客，車輛空車返回車輛段）、救援（需要另外車輛將故障車輛拖回車輛段）等，使用參數(shù)平均無故障距離（MDBF）進(jìn)行考核。

2.1.2 車輛功能分解

車輛功能分解是開展所有可靠性工作的前提和基礎(chǔ)，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定的設(shè)備功能，將整車劃分為十個(gè)子系統(tǒng)（見表1），以便可靠性指標(biāo)的分配和實(shí)現(xiàn)。

2.2 可靠性分配

低地板有軌電車設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員會制定產(chǎn)品的總體框架，以將顧客要求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的總體方案和系統(tǒng)技術(shù)方案，此時(shí)應(yīng)同步開展可靠性指標(biāo)分配工作，即將整車可靠性指標(biāo)按照給定準(zhǔn)則逐級分配，使得各級設(shè)計(jì)人員和各供應(yīng)商在早期明確可靠性設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)予以全面考慮，從而保證整車的可靠性水平。這是一個(gè)從大到小、自上而下的分解過程，應(yīng)考慮車輛各組成單元的重要程度、故障率、使用環(huán)境、工作模式等因素[3]。

根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量、設(shè)計(jì)的不同階段及限制條件的不同，常用的分配方法有：等分配法、評分分配法、比例組合法。工程實(shí)際中，應(yīng)綜合應(yīng)用各種方法，并兼顧產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案、工藝水平、元器件和原材料水平、貨架產(chǎn)品現(xiàn)狀、供應(yīng)商能力等，經(jīng)反復(fù)試算、迭代，才能完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的分配。

低地板有軌電車主要參照國內(nèi)外相似項(xiàng)目的運(yùn)營統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用比例組合法對低地板有軌電車開展可靠性指標(biāo)分配，將整體指標(biāo)分配至每個(gè)子系統(tǒng)。

表1 車輛功能分解

2.3 可靠性控制

隨著低地板有軌電車設(shè)計(jì)的拓展和深入，設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品的一級大部件或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，但此時(shí)各零部件設(shè)計(jì)尚未完成，沒有詳細(xì)的零部件明細(xì)表，可采用FMECA對車輛的功能原理開展分析，列出車輛各項(xiàng)功能的所有故障模式，分析可能導(dǎo)致某項(xiàng)功能故障模式的原因及其影響，自上而下，識別方案中可能影響車輛運(yùn)營可靠性及安全性的薄弱環(huán)節(jié)。

應(yīng)用FMECA的優(yōu)點(diǎn)：（1）通過分析各子系統(tǒng)的功能故障模式，將可靠性指標(biāo)分配至各故障模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及電路的可靠性指標(biāo)控制；（2）可識別每項(xiàng)功能可能影響運(yùn)營的關(guān)鍵故障模式，有針對性地制定措施，避免或預(yù)防此類故障的發(fā)生；（3）得到的功能故障模式還可作為后期開展可靠性定量分析的頂事件。

2.4 可靠性預(yù)測

隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)一步細(xì)化和信息量的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品層次定義更加明確，已具備了原理圖、裝配圖或其他資料等，此時(shí)宜采用RBD分析、硬件故障模式、FMEA方法開展可靠性預(yù)測工作，主要識別低地板有軌電車設(shè)計(jì)中元件或零部件的弱點(diǎn)，制定糾正措施，并對車輛可靠性水平做出評估。

2.4.1 RBD分析

RBD分析是根據(jù)低地板有軌電車各組成單元間的邏輯關(guān)系，用方框圖構(gòu)建各組成單元故障導(dǎo)致車輛故障的邏輯圖，經(jīng)過分析，生成致力于車輛運(yùn)營可靠性的路集，得到可靠性關(guān)鍵件，并開展整車運(yùn)營可靠性的定量分析。

由于低地板有軌電車是一個(gè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、功能多樣的系統(tǒng)，若直接以車輛為目標(biāo)進(jìn)行RBD分析，生成的邏輯圖邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，不易理解。為了避免RBD分析的這一局限性，可與FMECA相結(jié)合。通過FMECA分析識別出所有影響運(yùn)營可靠性及安全性的功能故障模式，針對這些故障模式，逐一建模，簡化整車定量分析，邏輯較為清楚，易于理解。

低地板有軌電車RBD分析常用模型有：串聯(lián)模型和并聯(lián)模型。串聯(lián)模型即在一個(gè)系統(tǒng)中，任何一個(gè)單元（子系統(tǒng)或零部件）發(fā)生故障，都會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障；并聯(lián)模型即在一個(gè)系統(tǒng)中，組成系統(tǒng)的所有單元同時(shí)工作，只要有其中一個(gè)還工作，則整個(gè)系統(tǒng)就能完成規(guī)定的功能[3]。實(shí)際分析中應(yīng)將兩種模型綜合應(yīng)用。

2.4.2 硬件FMEA分析

硬件FMEA分析是根據(jù)車輛每個(gè)元件或零部件的故障模式，分析可能導(dǎo)致該故障模式的原因及其影響。與FMECA相比，硬件FMEA較為嚴(yán)格明確，一般從元器件級直至裝備級，自下而上，分析單個(gè)部件故障對子系統(tǒng)及車輛運(yùn)營可靠性及安全性的影響，得到的是單點(diǎn)故障模式，可與RBD分析的結(jié)果互為補(bǔ)充。

2.5 可靠性驗(yàn)證

車輛交付后，用戶會要求根據(jù)現(xiàn)場故障情況開展可靠性指標(biāo)驗(yàn)證工作，證明車輛的實(shí)際可靠性水平能否滿足前期合同規(guī)定的要求?？煽啃则?yàn)證工作是一項(xiàng)比較復(fù)雜、耗費(fèi)較大而又重要的工作，直接決定了車輛能否順利通過質(zhì)保及質(zhì)保金的收回。因此，現(xiàn)場發(fā)生故障的及時(shí)改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)可靠性的持續(xù)增長尤為重要。

為了便于驗(yàn)證工作的順利開展，低地板有軌電車可靠性工作應(yīng)要求建立故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS系統(tǒng)），記錄現(xiàn)場發(fā)生的故障，統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析車輛及設(shè)備的故障信息，了解車輛及其各子系統(tǒng)、主要設(shè)備的實(shí)際可靠性水平。

FRACAS系統(tǒng)是通過對工作流程的有效控制及管理來實(shí)現(xiàn)對故障的有效閉環(huán)管理，工作流程見圖1[4]。

FRACAS系統(tǒng)的本質(zhì)是對故障進(jìn)行閉環(huán)管理，根據(jù)其工作流程及特征，F(xiàn)RACAS系統(tǒng)還可用于：

（1）為建立公司故障模式庫提供數(shù)據(jù)支撐。將FRACAS系統(tǒng)中收集的系統(tǒng)性故障、重大故障納入公司故障模式庫進(jìn)行管理，并作為新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就制定針對性強(qiáng)的措施，避免或減少故障的再次發(fā)生，從源頭上提高低地板有軌電車的可靠性。

（2）為建立公司元器件故障率庫提供數(shù)據(jù)支撐。故障率數(shù)據(jù)是可靠性分析和評估的基礎(chǔ)，目前數(shù)據(jù)來源有三種：源于數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果；現(xiàn)場故障信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果。第三種數(shù)據(jù)最能說明產(chǎn)品的可靠性特征，已逐漸成為數(shù)據(jù)來源的主要趨勢[5]。

2.6 可靠性技術(shù)實(shí)施程序

綜上所述，在低地板有軌電車項(xiàng)目周期中，可靠性工作的實(shí)施程序、相應(yīng)的工作內(nèi)容及技術(shù)應(yīng)用見圖2。

圖1 FRACAS工作流程

圖2 可靠性工作實(shí)施程序、相應(yīng)的工作內(nèi)容及技術(shù)應(yīng)用

3 結(jié)束語

市場經(jīng)濟(jì)以用戶為導(dǎo)向，贏得用戶才能占領(lǐng)市場，可靠性工作是提高車輛設(shè)計(jì)制造、運(yùn)營水平和用戶滿意度的重要基礎(chǔ)。因此，在項(xiàng)目執(zhí)行初期就應(yīng)做好可靠性工作的規(guī)劃，關(guān)注各項(xiàng)工作的性質(zhì)、作用、內(nèi)容及相互間的關(guān)聯(lián)，使得可靠性工作與設(shè)計(jì)同步、匹配，將可靠性要求落實(shí)到設(shè)計(jì)中，切實(shí)提高產(chǎn)品的可靠性水平，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]趙大斌，任利惠．70%低地板輕軌車輛的型式比較[J]．城市軌道交通研究，2007(4)：29-33．

[2]GB/T 21562—2008 軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例[S]．

[3]董錫明．軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M]．北京：中國鐵道出版社，2009．

[4]GJB 841—1990 故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)[S]．

[5]顧文娟，薛淑勝．故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)在列車壽命周期內(nèi)的應(yīng)用[J]．城市軌道交通研究，2010(10)：74-76．