城市軌道交通車(chē)輛的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

王新田 劉金安 崔世明

(長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，高級(jí)工程師)

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。隨著科技的發(fā)展，電子科技的應(yīng)用使得城市軌道交通車(chē)輛的功能更加強(qiáng)大而復(fù)雜。但系統(tǒng)越復(fù)雜，就可能導(dǎo)致可靠性和安全性的下降。在越來(lái)越多的海外和國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛招標(biāo)項(xiàng)目中，對(duì)軌道客車(chē)車(chē)輛的可靠性指標(biāo)作了量化規(guī)定，并明確要求在車(chē)輛交付時(shí)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證測(cè)試?？煽啃则?yàn)證測(cè)試的結(jié)果將直接影響車(chē)輛的驗(yàn)收，如果因不合格拒收則會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 可靠性指標(biāo)介紹

隨著我國(guó)軌道交通車(chē)輛市場(chǎng)的快速國(guó)際化發(fā)展。軌道交通客車(chē)車(chē)輛的可靠性也成了一項(xiàng)非常重要的考量指標(biāo)。一般來(lái)講，車(chē)輛合同中規(guī)定了平均故障間隔距離(dMBF)或平均故障間隔時(shí)間(tMBF)的具體數(shù)值，或者是規(guī)定了百萬(wàn)車(chē)公里故障數(shù)的量化要求。在合同中也會(huì)定義故障的類別。故障一般分為三類，針對(duì)這三類故障在合同中分別規(guī)定了對(duì)指標(biāo)的要求，例如:

1)救援故障——列車(chē)嚴(yán)重?fù)p壞，需要另外一列車(chē)或牽引車(chē)來(lái)救援，拖回到車(chē)輛段;

2)退出服務(wù)運(yùn)營(yíng)故障——列車(chē)部分主要功能喪失，需要立即疏散乘客，列車(chē)空車(chē)返回車(chē)輛段，或?qū)⒊丝瓦\(yùn)送至終點(diǎn)后返回車(chē)輛段;

3)運(yùn)行晚點(diǎn)故障——列車(chē)因故障在線路上停車(chē)時(shí)間大于5 min，對(duì)商業(yè)運(yùn)行造成了一定影響。

故障率λ 是一個(gè)給定項(xiàng)目的責(zé)任故障數(shù)目n與其總運(yùn)行公里數(shù)ΣD 或總運(yùn)行時(shí)間ΣT 的比率，即λ =n/ΣD 或 λ =n/ΣT;若以 dMBF或 tMBF來(lái)表示，則有dMBF=1/λ 或 tMBF=l/λ。

提高軌道交通客車(chē)車(chē)輛的可靠性已成為軌道交通客車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)的重要任務(wù)和研究課題。為了滿足客戶的要求，并較好地解決可靠性問(wèn)題，除了運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì)外，加強(qiáng)軌道客車(chē)車(chē)輛及其零部件的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及測(cè)試也是一個(gè)很重要的方面。

2 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的分類

根據(jù)試驗(yàn)的目的不同，可靠性試驗(yàn)分為工程試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)。工程試驗(yàn)的目的是暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)等方面的缺陷、薄弱環(huán)節(jié)和故障，以幫助改進(jìn)設(shè)計(jì);統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證產(chǎn)品是否達(dá)到了規(guī)定的可靠性或壽命要求。可靠性鑒定試驗(yàn)(RQT)用于設(shè)計(jì)定型階段;可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)(RAT)用于批量生產(chǎn)?？煽啃澡b定試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了規(guī)定的可靠性定量要求，是否存在設(shè)計(jì)缺陷;可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)的目的是針對(duì)正式批量產(chǎn)品的可靠性是否達(dá)到了規(guī)定的要求，也就是說(shuō)，在規(guī)定條件下檢驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性特征值是否達(dá)到規(guī)定值。

車(chē)輛可靠性鑒定試驗(yàn)，通常是指對(duì)首列車(chē)按照規(guī)定操作進(jìn)行跑合5 000 km 或10 000 km 的可靠性試驗(yàn);可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)是指在車(chē)輛交付給用戶后需按照規(guī)定條件，在正常操作下持續(xù)最少6 個(gè)月的不間斷運(yùn)行，用于確定交付車(chē)輛的可靠性是否滿足要求。

3 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)要求

軌道交通客車(chē)車(chē)輛電子設(shè)備的可靠性特性曲線呈指數(shù)分布;機(jī)械部件可靠性特性曲線呈正態(tài)分布。歷史數(shù)據(jù)表明，電氣設(shè)備的故障占車(chē)輛故障的大部分，在使用壽命周期內(nèi)軌道客車(chē)車(chē)輛可靠性特性曲線基本符合指數(shù)分布。因此，所有的試驗(yàn)方案都是建立在車(chē)輛故障服從指數(shù)分布的假設(shè)上。

3.1 試驗(yàn)前具備的條件

為了保證可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的順利完成，在開(kāi)始試驗(yàn)之前，需對(duì)軌道交通客車(chē)車(chē)輛進(jìn)行可靠性分析工作，收集足夠的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)。這些可靠性分析工作主要包括可靠性預(yù)計(jì)和FMECA (故障模式、影響及危害性分析)。通過(guò)FMECA，設(shè)計(jì)人員針對(duì)易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)所提供的預(yù)防措施和改進(jìn)措施，將有助于提高設(shè)備的可靠性以及在后續(xù)試驗(yàn)中對(duì)故障的分析處理。

3.2 故障分類

如果合同無(wú)特殊規(guī)定，可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的故障仍按上述救援故障、退出服務(wù)運(yùn)營(yíng)故障和運(yùn)行晚點(diǎn)故障來(lái)分類。但是，故障是否參與計(jì)算，是否歸類為車(chē)輛責(zé)任故障還需要進(jìn)行分析和判斷，如圖1所示?？煽啃则?yàn)證試驗(yàn)期間出現(xiàn)的故障可分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障，其中，關(guān)聯(lián)故障進(jìn)一步分為責(zé)任故障和非責(zé)任故障。對(duì)圖1 中各種故障的界定，在可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)之前應(yīng)與用戶達(dá)成共識(shí)。

3.3 接受驗(yàn)證試驗(yàn)的車(chē)輛狀態(tài)

需驗(yàn)收試驗(yàn)的車(chē)輛應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)試檢驗(yàn)和功能測(cè)試，在設(shè)備安裝完整、各項(xiàng)功能正常后才能開(kāi)始進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。在車(chē)輛可靠性驗(yàn)證期間，用戶或操作人員必須嚴(yán)格按照制造商提供的操作與維修手冊(cè)對(duì)軌道客車(chē)車(chē)輛進(jìn)行操作和維護(hù)。

圖1 故障界定流程

3.4 可靠性驗(yàn)證測(cè)試的計(jì)劃和程序

進(jìn)行可靠性試驗(yàn)前，需要明確試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)車(chē)輛、具體的試驗(yàn)操作方案、問(wèn)題記錄的方式和內(nèi)容，以及故障判據(jù)和試驗(yàn)的前提條件。

在進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn)前需要制定試驗(yàn)大綱。試驗(yàn)大綱主要包括:試驗(yàn)的線路條件(電壓級(jí)別)、車(chē)輛條件、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的故障判據(jù)、規(guī)定功能的操作方案等。例如，需要模擬用戶現(xiàn)場(chǎng)的正常使用——到站停車(chē)、開(kāi)關(guān)門(mén)等，以及車(chē)輛檢修次數(shù)和程度。同時(shí)，在試驗(yàn)大綱中也需要明確試驗(yàn)合格與否的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一般萬(wàn)公里運(yùn)行允許的重大故障或影響安全的故障數(shù)為0。如果發(fā)生重大故障，則需要繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后需要提供試驗(yàn)分析報(bào)告，以明確是否可以滿足預(yù)期的可靠性指標(biāo)。

在可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)前需要制定一份計(jì)劃，軌道交通客車(chē)項(xiàng)目多數(shù)采用序貫結(jié)尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案。在試驗(yàn)之前，制造方應(yīng)與用戶充分溝通，確定生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)和使用方風(fēng)險(xiǎn)的合理比例;可以按照合同要求的置信度進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)在方案中也要確定試驗(yàn)線路、環(huán)境條件、負(fù)載條件、試驗(yàn)方案、測(cè)試程序、保障條件與協(xié)調(diào)工作等。一般驗(yàn)收試驗(yàn)都是在用戶的使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，所以，車(chē)輛的使用條件都是按照規(guī)定進(jìn)行的，車(chē)輛各項(xiàng)功能的使用也是按照車(chē)輛操作手冊(cè)執(zhí)行的。其側(cè)重點(diǎn)是明確執(zhí)行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)、故障判據(jù)和試驗(yàn)結(jié)束的接收依據(jù)。

可靠性驗(yàn)證測(cè)試計(jì)劃主要包括以下內(nèi)容:

1)接受試驗(yàn)的軌道交通客車(chē)車(chē)輛的批次、數(shù)量;

2)試驗(yàn)條件及測(cè)試時(shí)間與周期設(shè)計(jì);

3)可靠性考核指標(biāo);

4)故障判別細(xì)則和故障審核組織架構(gòu);

5)分包商的管理包括備品備件的準(zhǔn)備;

6)試驗(yàn)合格與否的判別依據(jù)，遇到拒收判別時(shí)所要求采取的措施及重新試驗(yàn)的規(guī)定;

7)工具工裝和輔助材料的準(zhǔn)備。

試驗(yàn)中以下故障不參與計(jì)算，不包含在可靠性驗(yàn)證范圍之列:

1)超過(guò)壽命期的易損易耗件;

2)由于先前發(fā)生的故障而引起的關(guān)聯(lián)或相同故障;

3)列車(chē)修復(fù)前相同故障的重復(fù)出現(xiàn);

4)非車(chē)輛原因?qū)е碌呐鲎病⑹鹿驶蚴侨藶楣室馄茐?

5)操作或維修人員的疏忽或不遵守操作規(guī)程;

6)操作和維修作業(yè)不按廠商提供的操作和維修手冊(cè)要求進(jìn)行;

7)由于公眾(包括乘客)行為或疏漏導(dǎo)致的故障;

8)因非合同設(shè)備導(dǎo)致的故障。

3.5 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及測(cè)試的實(shí)施

軌道客車(chē)車(chē)輛的可靠性驗(yàn)證測(cè)試試驗(yàn)一般應(yīng)結(jié)合試運(yùn)營(yíng)或運(yùn)營(yíng)服務(wù)來(lái)進(jìn)行。為了保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，須成立由用戶、制造方、相關(guān)供應(yīng)商、操作人員等組成的可靠性驗(yàn)證及測(cè)試試驗(yàn)小組，負(fù)責(zé)可靠性驗(yàn)證及測(cè)試試驗(yàn)的實(shí)施。該小組的主要工作包括:定期評(píng)審試驗(yàn)數(shù)據(jù)，審批故障分析及糾正措施，具體試驗(yàn)測(cè)試程序的臨時(shí)修改，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的結(jié)果判決等。

3.6 建立故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)

為了確保對(duì)試驗(yàn)期間發(fā)生的故障進(jìn)行閉環(huán)管理并具有可追溯性，在可靠性驗(yàn)證測(cè)試期間和車(chē)輛、設(shè)備磨合期間迅速展開(kāi)故障調(diào)查，跟蹤、記錄所發(fā)生的故障，及時(shí)進(jìn)行故障評(píng)估，并制定糾正措施，最好建立故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)(FRACAS)。通過(guò)FRACAS 的運(yùn)行，收集所有故障數(shù)據(jù)，記錄和保存全部活動(dòng)過(guò)程中形成的文件，分析故障原因，并制定和實(shí)施有效的糾正措施，以防止故障再現(xiàn)，確?？煽啃则?yàn)證目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 列車(chē)可靠性的驗(yàn)收測(cè)試

一般來(lái)講，列車(chē)故障率具有如圖2所示可預(yù)判的浴盆曲線的特性。由圖2 可明顯地看出:隨著行車(chē)公里數(shù)的不斷增加，故障發(fā)生的頻率則不斷減少，車(chē)輛的可靠性也在不斷提高。一般而言，行車(chē)公里在5 000 km 內(nèi)，車(chē)輛電氣和機(jī)械部件有磨合過(guò)程，車(chē)輛發(fā)生故障的頻率很高，所以用戶通常要求在車(chē)輛驗(yàn)收前進(jìn)行5 000 km 的試運(yùn)行。行車(chē)公里從5 000 km至50 000 km，故障發(fā)生的頻率大幅下降;從50 000 km 至175 000 km，故障發(fā)生的頻率穩(wěn)步下降;17 5000 km 以后，故障發(fā)生的頻率趨于穩(wěn)定，即車(chē)輛的可靠性達(dá)到一個(gè)基本穩(wěn)定的階段。從上可以看出，車(chē)輛前期階段和后期階段的測(cè)試，會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。

圖2 列車(chē)故障率呈現(xiàn)的浴盆曲線

5 軌道客車(chē)可靠性驗(yàn)收測(cè)試案例

5.1 可靠性要求

某海外軌道客車(chē)車(chē)輛項(xiàng)目合同規(guī)定的可靠性指標(biāo)以每百萬(wàn)公里發(fā)生的故障數(shù)不超過(guò)1.82 次進(jìn)行評(píng)估?？煽啃则?yàn)證以第1 批車(chē)輛為測(cè)試對(duì)象，發(fā)生故障的總數(shù)為驗(yàn)證期內(nèi)被測(cè)車(chē)輛累計(jì)故障的總和?，F(xiàn)以第1 批10 列車(chē)為例，說(shuō)明軌道客車(chē)車(chē)輛可靠性驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程。

5.2 可靠性驗(yàn)證測(cè)試程序

該批車(chē)輛可靠性驗(yàn)證測(cè)試程序如圖3所示。

5.3 可靠性測(cè)試

在商業(yè)運(yùn)營(yíng)前的服務(wù)期內(nèi)將對(duì)整批車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的可靠性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從笫1 列車(chē)開(kāi)始測(cè)試，到最后1 列車(chē)最終驗(yàn)收為止。在可靠性驗(yàn)證期間將會(huì)詳細(xì)地記錄每一個(gè)故障信息，列車(chē)編號(hào)，故障的詳細(xì)描述，故障分析報(bào)告及其它有關(guān)的資料(例如相應(yīng)的列車(chē)管理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)、門(mén)控器數(shù)據(jù)等)。

5.4 試驗(yàn)方案和計(jì)算方式

在此項(xiàng)目試驗(yàn)開(kāi)始之前應(yīng)編制好可靠性驗(yàn)證計(jì)劃，在計(jì)劃中確定采取序貫統(tǒng)計(jì)結(jié)尾的試驗(yàn)方案。

圖3 軌道車(chē)輛可靠性驗(yàn)證測(cè)試程序

一般情況下，軌道客車(chē)運(yùn)行5 個(gè)月時(shí)間以內(nèi)發(fā)生的故障屬于早期故障。在正常運(yùn)營(yíng)的條件下，車(chē)輛運(yùn)行至少半年之后，才開(kāi)始進(jìn)行可靠性驗(yàn)證測(cè)試。驗(yàn)證期大約持續(xù)1～2年左右，具體視合同規(guī)定或業(yè)主要求而定。本項(xiàng)目要求12 個(gè)月的驗(yàn)證期。驗(yàn)證期結(jié)束后的測(cè)試結(jié)果是驗(yàn)證期內(nèi)受測(cè)試車(chē)總運(yùn)行里程數(shù)與總故障次數(shù)的比值λ，可用式(1)計(jì)算:

式中:

F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N——驗(yàn)證期間被測(cè)試車(chē)輛發(fā)生的故障次數(shù);

d1，d2，…，dn——每輛車(chē)執(zhí)行運(yùn)營(yíng)任務(wù)過(guò)程中的總運(yùn)行里程數(shù)。

5.5 接收和拒收標(biāo)準(zhǔn)

在項(xiàng)目合同中已經(jīng)規(guī)定了可靠性指標(biāo)要求:運(yùn)營(yíng)百萬(wàn)公里晚點(diǎn)大于2 min 的故障≤1.82 次。所以在試驗(yàn)計(jì)劃中確定采取序貫統(tǒng)計(jì)結(jié)尾的試驗(yàn)方案，并確定了生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)和使用方風(fēng)險(xiǎn)分別為10%。根據(jù)相關(guān)計(jì)算確定可靠性驗(yàn)證接收和拒收的標(biāo)準(zhǔn)如下:

1)接收標(biāo)準(zhǔn):測(cè)試結(jié)束，百萬(wàn)公里責(zé)任晚點(diǎn)大于 2 min 的故障數(shù)≤1.82 次;

2)拒收標(biāo)準(zhǔn):測(cè)試結(jié)束，百萬(wàn)公里責(zé)任晚點(diǎn)大于2 min 的故障數(shù)＞2 次。

當(dāng)驗(yàn)證期結(jié)束就可中止可靠性驗(yàn)證測(cè)試。如果達(dá)到可接收標(biāo)準(zhǔn)則接收測(cè)試結(jié)果，否則得出拒收結(jié)果。當(dāng)驗(yàn)證期雖未到，但發(fā)生的責(zé)任故障數(shù)＞1.82個(gè)，已達(dá)到了拒收的標(biāo)準(zhǔn)，則在制造方和業(yè)主雙方同意的情況下，可以中止可靠性驗(yàn)證測(cè)試，或是延長(zhǎng)驗(yàn)證期，繼續(xù)可靠性驗(yàn)證測(cè)試，持續(xù)到一個(gè)驗(yàn)證期循環(huán)。

根據(jù)可靠性測(cè)試故障統(tǒng)計(jì)，在驗(yàn)證測(cè)試期結(jié)束時(shí)，按照式(1)計(jì)算，就可以得出驗(yàn)證期的可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)，該指標(biāo)決定了驗(yàn)收結(jié)果是接收還是拒收。

6 結(jié)語(yǔ)

可靠性驗(yàn)證及測(cè)試是軌道客車(chē)可靠性評(píng)價(jià)和使可靠性增長(zhǎng)的一個(gè)重要手段，也是可靠性工程中的重要環(huán)節(jié)。借助可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，可以檢驗(yàn)考核主要設(shè)備的可靠性水水平，也可以指導(dǎo)軌道客車(chē)各系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。因此，在軌道客車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)階段就重視并控制產(chǎn)品的可靠性，從軌道客車(chē)車(chē)輛的全壽命周期成本的角度考慮，將會(huì)產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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