基于故障率曲線和設(shè)備故障危害度的地鐵車輛維修策略選擇

黃 挺 王 磊 晏 鑫 王伯銘

(1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，210031，南京;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，工程師)

目前，我國很多城市都在大力發(fā)展地鐵交通，地鐵已經(jīng)成為城市公共交通的重要組成部分。運(yùn)營單位必須保證地鐵在運(yùn)行過程中的可靠性與安全性，但由于地鐵車輛的結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，要確保地鐵車輛的安全運(yùn)營，就必須有一整套完善合理的維修保養(yǎng)制度。目前，國內(nèi)各大地鐵運(yùn)營單位均根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商的意見制定了維修保養(yǎng)計(jì)劃，維修保養(yǎng)計(jì)劃一般都偏保守，所以，只有制定更加合理的維修計(jì)劃才能進(jìn)一步提高車輛維修效率、降低車輛維修成本。

1 國內(nèi)地鐵運(yùn)營單位所采用的基本維修策略

目前，應(yīng)用于地鐵車輛的維修方式基本可以分為:定期維修、狀態(tài)維修和事后維修3 種。表1 總結(jié)了3 種維修方式的內(nèi)涵、存在弊端及適用的故障類型。

從表1 的3 種維修方式對(duì)比可以看出，定期維修和狀態(tài)維修都屬于預(yù)防性的維修，事后維修則屬于非預(yù)防性維修。定期維修是按時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)或者走行公里數(shù)進(jìn)行維修;狀態(tài)維修是按設(shè)備實(shí)際技術(shù)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修;而事后維修則不控制維修時(shí)間。3種維修方式都各有特點(diǎn)和適用范圍。從現(xiàn)階段車輛維修的實(shí)際情況分析，它們并沒有先進(jìn)、落后之分，關(guān)鍵是要根據(jù)設(shè)備的具體工作情況及其故障類型來選擇恰當(dāng)?shù)木S修方式［1］。

表1 地鐵車輛3 種維修方式的比較

2 設(shè)備故障率曲線

在進(jìn)行系統(tǒng)可靠性研究過程中，通過對(duì)大量設(shè)備故障率的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，設(shè)備故障率是遵循一定規(guī)律的。研究人員根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制了6 種基本的故障率曲線。這6 種基本的故障率曲線見文獻(xiàn)［2］，這里不再贅述。6 種基本的故障率曲線代表了具有不同故障規(guī)律的設(shè)備，可以通過對(duì)照設(shè)備的故障率曲線來選擇適合該設(shè)備的維修策略。

3 地鐵車輛關(guān)鍵部件維修策略的選擇

地鐵車輛作為一個(gè)集成度很高的機(jī)電設(shè)備，一般由以下8 個(gè)部分組成:①車體;②轉(zhuǎn)向架;③牽引緩沖連接裝置;④制動(dòng)裝置;⑤受流裝置;⑥車輛內(nèi)部裝置;⑦車輛電器系統(tǒng);⑧列車信息網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

地鐵車輛的各個(gè)組成部分由于工作狀態(tài)的差異，其故障規(guī)律也有所不同。所以，在制定車輛維修策略時(shí)就不能一概而論，而是要在供應(yīng)商提供的維保建議的基礎(chǔ)上，結(jié)合各個(gè)設(shè)備在日后使用過程中的工作狀態(tài)及故障規(guī)律，來制定符合實(shí)際情況的維修計(jì)劃?，F(xiàn)以地鐵車輛的制動(dòng)系統(tǒng)為例，說明如何基于故障率曲線和設(shè)備故障危害度計(jì)算來制定合理的維修策略。

3.1 根據(jù)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來制定系統(tǒng)的總體維修計(jì)劃

國內(nèi)某地鐵公司新線開通2年內(nèi)，對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)過程中的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

通過采用Matlab 軟件中的曲線擬合工具箱cftool 的polynomial 多項(xiàng)式函數(shù)，對(duì)表2 中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到該地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)的故障率曲線如圖1所示。

通過將圖1所展示的車輛制動(dòng)系統(tǒng)故障月發(fā)生率曲線與基本的典型故障率曲線進(jìn)行對(duì)比后可以看出:該車輛制動(dòng)系統(tǒng)在開始使用之后，基本上保持了一個(gè)穩(wěn)定的故障率;在設(shè)備使用達(dá)到一年半之后，故障率明顯開始上升，設(shè)備開始進(jìn)入磨損期。而目前國內(nèi)定修間隔時(shí)間一般都為1年，這樣就明顯造成了過剩維修。結(jié)合車輛制動(dòng)系統(tǒng)各部件的功能及目前所發(fā)生的故障，可通過以下方式制定該制動(dòng)系統(tǒng)所應(yīng)采取的維修策略:

表2 某地鐵公司2年內(nèi)車輛制動(dòng)系統(tǒng)的故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 某地鐵開通運(yùn)營23 個(gè)月以來車輛制動(dòng)系統(tǒng)故障月發(fā)生率曲線圖

1)車輛上線運(yùn)行之后，在定期維修計(jì)劃開展之前，制動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)偶有故障發(fā)生，所以平時(shí)也需要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的維護(hù)。從車輛日常運(yùn)行的結(jié)果來看，這段時(shí)期內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)所發(fā)生的故障大多數(shù)都是偶發(fā)性故障，其中很多都能夠通過車載診斷系統(tǒng)反映出來。比如，經(jīng)常會(huì)報(bào)故障代碼的新風(fēng)閥和廢排閥故障、制動(dòng)風(fēng)管壓力不足等。所以，針對(duì)這些能夠通過車載診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的故障，應(yīng)該制定以狀態(tài)修為主的維修計(jì)劃。

2)對(duì)于車輛整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)而言，雖然其組成十分復(fù)雜，各個(gè)組成設(shè)備的故障規(guī)律也各有不同，但從以往的維修經(jīng)驗(yàn)來看，針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)制定定期的維修計(jì)劃對(duì)于保證系統(tǒng)良好工作狀態(tài)也是十分有效的。所以，根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)故障的月發(fā)生率統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可制定如下的車輛維修計(jì)劃:在車輛運(yùn)營達(dá)到17～18 個(gè)月的時(shí)候可選擇定期維修方式，對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較深入的維修工作，以改善整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。這相對(duì)國內(nèi)地鐵普遍采用的年檢周期來說，延長了維修周期，提高了維修效率。

3.2 根據(jù)故障模式的故障危害度大小對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類

由于車輛制動(dòng)系統(tǒng)的組成復(fù)雜，不同設(shè)備的故障機(jī)理及故障危害程度也不相同，所以，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)組成設(shè)備要采取具有針對(duì)性的檢修策略?，F(xiàn)通過FMECA(故障模式、影響分析以及危害度分析)方法來確定系統(tǒng)檢修的重點(diǎn)設(shè)備。

3.2.1 設(shè)備故障危害度定量計(jì)算

FMECA 法對(duì)設(shè)備故障危害度的定量計(jì)算方法如下:

1)故障模式比率αj:若某產(chǎn)品的故障模式有j種(j=1，2，…，n)，每種故障模式出現(xiàn)的故障次數(shù)為mj，則故障模式比率如式1所示。

由式(1)可知，∑αj=1，各種 αj可以從故障率數(shù)據(jù)或相應(yīng)的試驗(yàn)和運(yùn)用數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來。

2)故障影響概率βj:βj表示系統(tǒng)某個(gè)故障模式發(fā)生時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)確定的故障危害度等級(jí)最終影響的條件概率。由于影響βj的因素很多，所以目前的計(jì)算通常是按表3 的規(guī)定進(jìn)行定量估計(jì)。

表3 βj的選擇范圍

3)故障模式危害度和系統(tǒng)故障危害度計(jì)算:

式中:

cm(j)——系統(tǒng)的某一種故障模式在工作時(shí)間t內(nèi)發(fā)生第j 類故障的危害度;

λp——該系統(tǒng)的基本故障率，一般計(jì)算時(shí)取其平均值。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，就能得出制動(dòng)系統(tǒng)不同故障模式及不同故障模式發(fā)生故障時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的危害度。具體的計(jì)算結(jié)果如表 4所示［3］。

表4 故障模式危害度計(jì)算

3.2.2 對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)組成設(shè)備進(jìn)行分類并制定設(shè)備級(jí)的維修策略

從表4 中能看出，漏風(fēng)和滑行的故障對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)功能正常實(shí)現(xiàn)的危害度最大，所以在進(jìn)行檢修的過程中應(yīng)把涉及到這2 種故障的設(shè)備作為重點(diǎn)的檢修項(xiàng)目。表5 就是根據(jù)危害度計(jì)算的結(jié)果對(duì)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)備組成進(jìn)行了相應(yīng)的分類。

按照對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)各組成設(shè)備的分類來制定與之相應(yīng)的維修策略:

1)第一類設(shè)備:這一類設(shè)備對(duì)于車輛安全運(yùn)行具有關(guān)鍵作用。所以，這類設(shè)備就是檢修工作的重點(diǎn)，要定期對(duì)其進(jìn)行維修，而且檢修頻次相應(yīng)要高于其他類設(shè)備。除了要在日常檢修中對(duì)其進(jìn)行具有針對(duì)性的功能檢查及設(shè)備故障恢復(fù)，還要在定期維修中，比如年檢時(shí)對(duì)其進(jìn)行比較全面的狀態(tài)更新。

2)第二類設(shè)備:這一類設(shè)備發(fā)生故障之后可能會(huì)影響車輛的安全運(yùn)行。此類設(shè)備的故障頻率并不很高，一般都為偶發(fā)性故障;而且這類設(shè)備設(shè)計(jì)制造的集成性及可靠性都相對(duì)較高，比如各種閥類，頻繁的拆卸檢修可能會(huì)因?yàn)檫^度修而降低其使用性能。所以，第二類設(shè)備的檢修頻次可以適當(dāng)降低一些，不需要在各個(gè)級(jí)別的維修中都進(jìn)行檢修作業(yè);不過，可以對(duì)能夠表明其工作狀態(tài)的一些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，也就是重點(diǎn)采用狀態(tài)修的維修策略。

3)第三類設(shè)備:這一類設(shè)備故障并不會(huì)對(duì)車輛安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，而且設(shè)備故障的頻率也很低。所以，針對(duì)第三類設(shè)備采用事后維修的策略是十分合適的，也不會(huì)影響車輛的正常運(yùn)營。不過為了避免意外的出現(xiàn)，可以在平時(shí)定期維修工作中，對(duì)其進(jìn)行一定程度的狀態(tài)檢測。

表5 制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵組成設(shè)備分類

4 結(jié)語

本文通過對(duì)地鐵列車使用過程中故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到了地鐵車輛的設(shè)備故障率曲線，并以此為基礎(chǔ)初步定性地選擇了系統(tǒng)所應(yīng)采用的維修策略。在此基礎(chǔ)上，又采用FMECA 方法，對(duì)設(shè)備的故障作進(jìn)一步分類，并且計(jì)算出了不同故障模式的危害度;根據(jù)故障模式危害度的大小，又進(jìn)一步對(duì)設(shè)備組成進(jìn)行了分類，對(duì)不同類型的零部件制定了更加詳細(xì)的維修策略。通過分析結(jié)果與地鐵車輛的實(shí)際運(yùn)營情況比較能得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)車輛運(yùn)營單位應(yīng)在設(shè)備供應(yīng)商所給意見的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備具體使用情況，合理地制定并及時(shí)地調(diào)整設(shè)備維修策略。目前，車輛運(yùn)營單位主要依據(jù)設(shè)備供應(yīng)商給出的意見進(jìn)行設(shè)備維修策略的制定，一般情況下此維修意見都比較保守，以此為基礎(chǔ)所制定的維修策略也就會(huì)造成過剩維修。比如，本文所分析的制動(dòng)系統(tǒng)一年檢的維修周期可以放寬到17～18 個(gè)月，這樣就能夠明顯地降低車輛維修頻次和維修成本。

2)地鐵車輛在日常運(yùn)營過程中，制動(dòng)系統(tǒng)的故障主要是漏風(fēng)和滑行，這與本文分析結(jié)果相吻合，說明故障模式危害度計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。從本文制動(dòng)系統(tǒng)維修策略的制定過程中可以看出，本文提出的維修選擇方法并沒有特定系統(tǒng)的限制，故具有通用性，從事車輛維修工作的技術(shù)人員可以應(yīng)用此方法來確定地鐵車輛檢修工作的重點(diǎn)。

3)目前的車輛維修策略制定還是建立在以往維修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，但由于設(shè)備生產(chǎn)廠商技術(shù)的不斷更新及現(xiàn)代高新科技的應(yīng)用，地鐵車輛采用的各種設(shè)備也在不斷地復(fù)雜化。僅僅采用目前的維修策略并不能最大限度地實(shí)現(xiàn)高效率、低成本地完成車輛維修任務(wù)。所以，伴隨著設(shè)備集成度的提高，更加合理、全面的設(shè)備維修理論也是以后探索的主要方面。

［1］何宗華，汪松滋，何其光.城市軌道交通車輛運(yùn)行與維修［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］楊景輝，康建設(shè).機(jī)械設(shè)備故障規(guī)律與維修策略研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007(16):4143.

［3］吳波，丁毓峰，黎明發(fā).機(jī)械系統(tǒng)可靠性維修及決策模型［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.