機車車輛RCM分析技術(shù)研究與應(yīng)用*

李希寧, 張奕奕, 李忠厚, 金希紅, 陳安俊, 張 娟

(1 南車株洲電力機車有限公司, 湖南株洲 412001；2 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

機車車輛RCM分析技術(shù)研究與應(yīng)用*

李希寧1, 張奕奕1, 李忠厚2, 金希紅1, 陳安俊1, 張 娟1

(1 南車株洲電力機車有限公司, 湖南株洲 412001；2 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

闡述RCM的基本原理，并與傳統(tǒng)維修理論進行對比分析。結(jié)合機車車輛使用維修特點，對RCM分析技術(shù)在機車車輛維修中的應(yīng)用進行研究，并以基礎(chǔ)制動裝置為例說明RCM分析的具體程序與方法。針對機車車輛目前的設(shè)計、維修狀況，提出在機車車輛中開展RCM分析技術(shù)的建議。

機車車輛； RCM； 可靠性； 預(yù)防性維修

根據(jù)GJB 1378A，以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance, RCM)分析是指“按照以最少的維修資源消耗保持裝備固有可靠性水平和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程”。RCM思想起源于上世紀六十年代美國航空業(yè)，從二十世紀五十年代開始至今，航空業(yè)維修技術(shù)在國內(nèi)外維修領(lǐng)域中一直處于領(lǐng)先地位，其目的是為了提高飛機維修的可靠性，降低維修成本乃至全壽命周期成本。

目前，和諧型機車已經(jīng)成為了我國鐵路運輸裝備的主力軍，隨著大批和諧型機車進入高級修程，維修成本問題日益凸顯。本文闡述了RCM分析方法，以和諧型機車制動系統(tǒng)基礎(chǔ)制動裝置為例，說明RCM分析技術(shù)的應(yīng)用，基于RCM分析結(jié)果優(yōu)化基礎(chǔ)制動裝置的維修方式和檢修周期，說明在機車設(shè)計與檢修過程中，基于部件可靠性和安全性，應(yīng)用RCM分析技術(shù)確定產(chǎn)品預(yù)防性維修要求的重要性和經(jīng)濟性。

1 RCM的基本原理

傳統(tǒng)的維修理論認為，所有的產(chǎn)品故障率變化都遵循浴盆曲線，具體分為3個階段：早期故障期、偶然故障期、耗損故障期。隨著可靠性工程技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)浴盆曲線并不適用于所有的產(chǎn)品。復(fù)雜產(chǎn)品的故障率曲線基本上不符合浴盆曲線，沒有明顯的耗損故障期。通過對航空、航天和鐵路等行業(yè)復(fù)雜技術(shù)裝備故障率曲線的統(tǒng)計，基本故障率曲線有6種，如圖1所示。

1978年在諾蘭的《以可靠性為中心的維修》報告中，給出了航空業(yè)每條曲線的比例，見圖1左邊部分。

從圖中1可見，故障率隨運行時間增加而增加(與時間有關(guān))的故障模式僅占11%，其余89%的設(shè)備故障模式與時間無關(guān)，沒有耗損期。復(fù)雜產(chǎn)品故障率曲線的這種分配比例關(guān)系，不僅適用于航空復(fù)雜產(chǎn)品，也適用于其他復(fù)雜裝備。大量的維修數(shù)據(jù)研究結(jié)果也表明，對于復(fù)雜裝備而言，與時間有關(guān)的故障模式不超過12%。在機車車輛產(chǎn)品的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，符合A～C型故障模式的產(chǎn)品大約占5%～10%，而符合D～F型故障模式的約占90%～95%。

圖1 6種基本故障率曲線

6種曲線中，A、B、C曲線表示隨時間的增加，設(shè)備故障率增加，因此可以通過定期拆修、更換來降低該類型故障模式的故障率，這些故障模式一般是腐蝕、老化、疲勞等與時間相關(guān)的故障模式。D、E、F曲線表示設(shè)備故障率與時間無關(guān)，不能通過定期拆修、更換來降低該類型故障模式的故障率，由此誕生了一種新的維修理論——RCM維修理論。

和諧型機車是集機械、電子、控制與信息化于一體的復(fù)雜軌道交通裝備，其故障率曲線不再遵循浴盆曲線，因此，基于機械磨損理論的傳統(tǒng)維修理論已不適應(yīng)和諧型機車的維修，表1將RCM理論與傳統(tǒng)維修理論進行了對比分析。

2 RCM分析步驟

2.1 RCM分析程序

RCM分析程序如圖2所示。

首先，根據(jù)機車車輛危害等級和故障等級的劃分，將故障等級和危害等級較高的、影響機車車輛安全性、任務(wù)性或嚴重影響經(jīng)濟性的產(chǎn)品定為重要功能產(chǎn)品，確定重要功能產(chǎn)品作為RCM的分析對象。這也是RCM的重要理念，根據(jù)故障后果確定預(yù)防性維修工作類型。

從圖2可以看出，故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis, FMECA)的輸出是RCM的輸入。因此，對每個重要功能產(chǎn)品都要開展FMECA分析，確定其所有的功能故障、故障模式和故障原因，為下一步邏輯決斷分析及預(yù)防性維修工作類型的選擇提供所需的信息。

表1 RCM理論與傳統(tǒng)維修理論的對比分析

圖2 RCM分析程序

針對功能故障進行邏輯決斷分析的過程也是選擇預(yù)防性維修工作類型的過程。對于找不到適用而又有效的預(yù)防性維修工作的產(chǎn)品，須按其故障后果的性質(zhì)或嚴重程度確定其處理措施，例如采用修復(fù)性維修或改進設(shè)計。

維修工作間隔期直接關(guān)系到維修工作的有效性。對于有安全性或運營性后果的故障，如果維修工作間隔期過長，則不能保證裝備的安全性或可靠性；過短則不經(jīng)濟。對于有經(jīng)濟性后果的故障，維修工作間隔期過長或過短，都會影響經(jīng)濟性。因此，要確定合理的維修工作間隔期，只有在設(shè)計初期開展RCM分析，才能從源頭進行控制。例如對各重要功能部件的初始間隔期進行綜合分析評估，對于那些與整車檢修修程嚴重不匹配的部件，應(yīng)采取重新選型或設(shè)計改進等措施進行控制，確保整車檢修范圍的一致性，有效控制檢修成本。

提出維修間隔期之后，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最低的維修級別上。

2.2 邏輯決斷分析

預(yù)防性維修的關(guān)鍵是如何選擇其工作類型，RCM分析技術(shù)提出了一種根據(jù)故障后果確定維修工作類型的方法，這就是邏輯決斷分析，圖3為RCM的邏輯決斷圖。

上述邏輯決斷圖中，將預(yù)防性維修工作細分為7種工作類型，分別說明如下：

(1) 保養(yǎng)：包括為保持產(chǎn)品的固有設(shè)計性能而進行的表面清洗、擦拭、通風、添加油、水介質(zhì)和潤滑劑、充氣等作業(yè)，但不包括定期拆修工作。

(2) 操作人員監(jiān)控：操作人員對裝備及零部件進行監(jiān)控，其目的是發(fā)現(xiàn)它們的潛在故障，這類監(jiān)控包括使用前的檢查、對儀表的監(jiān)控、通過感官發(fā)現(xiàn)故障征兆或潛在故障。

圖3 RCM的邏輯決斷圖

(3) 功能檢測：指按計劃進行定量檢查，以確定產(chǎn)品的功能參數(shù)是否在規(guī)定的限度以內(nèi)，其目的是發(fā)現(xiàn)潛在故障，預(yù)防功能故障的發(fā)生。通常需要通用或?qū)Ｓ玫膬x表設(shè)備，以判斷產(chǎn)品是否已接近或達到潛在故障狀態(tài)。

(4) 定時拆修：指產(chǎn)品使用到規(guī)定的時間予以拆卸修理，使其恢復(fù)到規(guī)定的狀態(tài)。這類工作可以有效地預(yù)防具有明顯耗損期的功能故障的發(fā)生及其故障后果。

(5) 定期更換：指產(chǎn)品使用到規(guī)定的時間予以報廢更換。這類工作是在掌握了產(chǎn)品使用壽命，產(chǎn)品壽命到期后無法修理，或進行修理在經(jīng)濟上不合算的情況下采用，它是一種消耗資源更大的維修工作。

(6) 使用檢查：由于隱蔽功能故障不能由操作人員監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，需要專門進行"使用檢查"。這種專門的使用檢查一般由基層的檢修人員按照計劃進行定性檢查，例如通過觀察、演示、操作等方法檢查，以確定產(chǎn)品能否完成其規(guī)定的功能。這種工作的目的是及時發(fā)現(xiàn)隱蔽功能故障，盡量減少多重故障發(fā)生的概率。

(7) 綜合工作：指實施上述兩種或多種類型的預(yù)防性維修工作。

RCM邏輯決斷圖是從頂部開始，按照由上而下的流程方向選擇合適的維修工作類型。邏輯決斷圖分為兩層：

第1層：確定功能故障后果類型。在這一層中，主要是根據(jù)FMECA分析結(jié)果對該故障模式的后果進行邏輯決斷(明顯的還是隱蔽的)，來判斷其屬于哪一種故障后果(安全性、運營性、經(jīng)濟性)，然后按不同的故障后果分支做進一步分析。

第2層：確定故障管理策略(選擇預(yù)防性工作類型)。根據(jù)故障的原因選擇預(yù)防性維修工作類型。對于隱蔽功能故障的后果分支可供選擇的維修工作類型有：保養(yǎng)、功能檢測、定時拆修、定期更換、使用檢查和更改設(shè)計；對于明顯功能故障的后果分支，可供選擇的維修工作類型有：保養(yǎng)、操作人員監(jiān)控、功能檢測、定時拆修、定期更換和綜合工作。

3 RCM分析實例

3.1 FMECA分析

現(xiàn)以制動系統(tǒng)基礎(chǔ)制動裝置為例，說明RCM分析方法的具體應(yīng)用。

基礎(chǔ)制動裝置是制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作條件非常惡劣，一旦出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致機破甚至人員傷亡，基礎(chǔ)制動裝置是影響機車車輛行車安全的重要部件。

根據(jù)和諧型機車系統(tǒng)分類，制動系統(tǒng)是機車的子系統(tǒng)之一，基礎(chǔ)制動裝置屬于制動子系統(tǒng)部件?；A(chǔ)制動裝置可進一步分解為制動夾鉗、制動盤和閘片3個部分。制動系統(tǒng)FMECA分析見表2。

3.2 邏輯決斷分析

基礎(chǔ)制動裝置的邏輯決斷分析見表3。

表2 制動系統(tǒng)FMECA表單(部分)

表3 基礎(chǔ)制動裝置邏輯決斷分析表

3.3 分析結(jié)果

通過對和諧型機車基礎(chǔ)制動裝置的RCM分析，結(jié)合和諧型機車制動系統(tǒng)的實際故障發(fā)生情況，可以對基礎(chǔ)制動裝置的維修方式和檢修周期進行調(diào)整，優(yōu)化并形成新的預(yù)防性維修要求。主要對比說明見表4。

表4 基礎(chǔ)制動裝置維修要求對比說明

從表4可以看出，從研究故障模式為出發(fā)點，根據(jù)近幾年對基礎(chǔ)制動裝置的可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，基于RCM分析結(jié)果，基礎(chǔ)制動裝置的檢修周期可以由原來的4年延長至6年，也就是說，在機車30年的壽命周期內(nèi)，基礎(chǔ)制動裝置的解體檢修次數(shù)可由原來的7次降低到4次，從全壽命周期成本的角度分析，可大幅度降低機車檢修成本。此外，針對閘片設(shè)計存在不合理而導(dǎo)致制動盤燒蝕的故障，必須更改設(shè)計，例如通過更改設(shè)計，使鐵屑容易從閘片上排出而不形成堆積。

4 開展機車車輛RCM分析的建議

經(jīng)濟性是產(chǎn)品的生命力所在，簡單從機車銷售價格來說，我國機車與國外幾大供應(yīng)商比較，同等參數(shù)的前提下，我國機車的價格約相當于國外的1/2～2/3，但從全壽命周期成本的角度，優(yōu)勢不明顯。為了在機車車輛設(shè)計與維修中深入推行RCM技術(shù)，保證產(chǎn)品優(yōu)勢，針對目前現(xiàn)狀，提出如下改進建議：

(1) 檢修技術(shù)平臺與產(chǎn)品設(shè)計平臺的有機融合

在產(chǎn)品全壽命周期成本構(gòu)成中，運用維修成本約占機車全壽命周期成本的70%～80%左右。因此，如何減少運用維修成本，是降低機車全壽命周期成本的關(guān)鍵。對機車運用維修成本的控制，與機車的可靠性和維修性密切相關(guān)。目前，我們雖已建立了較為完善的產(chǎn)品設(shè)計平臺和檢修技術(shù)平臺，但其中的技術(shù)延伸性不夠，生產(chǎn)制造廠家往往更多地關(guān)注產(chǎn)品的性能設(shè)計，對維修性設(shè)計考慮不夠，導(dǎo)致目前運用檢修成本偏高。只有將產(chǎn)品檢修技術(shù)平臺與產(chǎn)品設(shè)計平臺有機融合，在設(shè)計期間就重視產(chǎn)品的可靠性與維修性設(shè)計，開展RCM分析，才能獲得更高的經(jīng)濟效益。

(2) 修程修制需進一步探索和優(yōu)化

2015年初，中國鐵路總公司公布了和諧型交流傳動機車修程修制改革方案，對和諧型機車修程進行了調(diào)整，這也是中國鐵路總公司對維修間隔期進行探索的新舉措。目前多數(shù)機型已進入第2次C5修，部分機型還處于C1～C4修階段，對于各車型與新修程的規(guī)范性和適應(yīng)性需要廣泛收集檢修數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)據(jù)，對各級修程進行驗證，進一步優(yōu)化檢修規(guī)程。同時應(yīng)在此基礎(chǔ)上提前開展C6修修程的研究工作。

(3) 等壽命設(shè)計需重點關(guān)注

在和諧型機車檢修中，由于機車部件設(shè)計壽命不同，初始間隔期不一致，造成機車各系統(tǒng)、部件的檢修周期差異性很大，個別產(chǎn)品由于不能與機車的檢修周期匹配，造成修程擴大，小件大修等情況，例如機車輔機的密封軸承壽命較其他部件短等，影響了整車的檢修范圍劃定。因此，如何在設(shè)計初期開展各系統(tǒng)及主要零部件的等壽命設(shè)計，需要重點加強。

(4)維修性設(shè)計需進一步加強

為適應(yīng)機車檢修要求，在設(shè)計初期應(yīng)加強產(chǎn)品的可達性設(shè)計、可維修性設(shè)計、維修安全性設(shè)計、檢測診斷智能化設(shè)計、防差錯/標識設(shè)計等設(shè)計工作。提高機車產(chǎn)品的可維修性能、簡化維修工作、降低維修成本、縮短維修時間，并能確保機車的安全性和可靠性。

5 結(jié)束語

通過以上實例應(yīng)用與分析，可以看出RCM對于優(yōu)化維修策略和預(yù)防性維修大綱、提升維修管理水平、提高機車維修效率、降低維修成本等方面具有明顯的優(yōu)勢，是研究機車車輛修程修制的行之有效的科學(xué)方法。RCM分析技術(shù)從機車功能入手，分析各種故障模式可能導(dǎo)致的不同嚴重程度的后果，用邏輯決斷圖和定量的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料和試驗結(jié)果，經(jīng)過可靠性統(tǒng)計分析來確定維修周期和級別，使維修工作更有針對性和有效性，更科學(xué)合理和經(jīng)濟。實施RCM分析技術(shù)，不但可以降低機車故障率，尤其是機破率，保證機車運行安全性和利用率，還可減少維修費用，避免由于機破導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失。

隨著可靠性工程技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的深入開展，為RCM分析提供了良好的基礎(chǔ)。機車可靠性設(shè)計的目的是延長機車正常工作的時間，維修性設(shè)計的目的是縮短機車的檢修停時，其最終目的是提高機車的利用率、降低全壽命周期成本。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段就將RCM這一先進的維修理論融入到產(chǎn)品設(shè)計中，能夠在保證產(chǎn)品安全性的前提下，進行權(quán)衡分析，降低壽命周期成本，獲得顯著的經(jīng)濟效益。

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

[2] EN 50126-3 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 第3部分：機車車輛RAM應(yīng)用指南[S].

[3] GJB 1378A 裝備以可靠性為中心的維修分析[S]. 中國人民解放軍總裝備部,2007.

[4] GJB 368B 裝備維修性工作通用要求[S]. 中國人民解放軍總裝備部,2009.

[5] F S諾 蘭. H F希 普. 以可靠性為中心的維修[M].北京：空軍第一研究所譯 1982.

Research and Application of RCM Analysis on Rolling Stock

LIXining1,ZHANGYiyi1,LIZhonghou2,JINXihong1,CHENAnjun1,ZHANGJuan1

(1 R&D Center, CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd., Zhuzhou 412001 Hunan, China;2 Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The principle of RCM was described in this paper, and compared with the traditional maintenance theory. In accordance with characteristics of rolling stock during operation and maintenance, RCM analysis techniques in rolling stock maintenance are researched. And as an example of basic brake equipment, the specific procedures and methods of RCM analysis has been introduced. Finally, recommendations to RCM analysis on the rolling stock are presented based on current operation and maintenance situation.

rolling stock; RCM; reliability; preventive maintenance

1008-7842 (2015) 06-0086-05

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2013J006-A)；國家科技支撐計劃(2013BAG20B01)

)男，教授級高級工程師(

2015-05-17)

U269.1,U279.3+3

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.22