城市軌道交通車輛使用壽命延長可行性探討

鄭 俊

（廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建廈門 361000）

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城市軌道交通車輛使用壽命延長可行性探討

鄭 俊

（廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建廈門 361000）

摘 要：簡述研究城市軌道交通車輛使用壽命的必要性，對國內(nèi)外一些地鐵公司延長車輛使用壽命的方法和效果進(jìn)行描述，并結(jié)合目前國內(nèi)地鐵公司車輛狀況，針對車體、轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)以及故障頻發(fā)的部件提出評估方法和思路，為車輛延長使用壽命的課題研究拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車輛；使用壽命；評估中圖分類號：U266.2

1　城市軌道交通車輛壽命延長的課題提出及必要性

目前，我國城市軌道交通已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，已有 20 多座城市軌道交通線路陸續(xù)開通運(yùn)營，而北京、上海、廣州、天津等特大城市的軌道交通運(yùn)營距今都有了一定的時(shí)間。隨著運(yùn)營時(shí)間和里程的增長，車輛正逐步接近 30 年的設(shè)計(jì)壽命，基于運(yùn)營經(jīng)濟(jì)成本的考慮，能否適當(dāng)延長車輛壽命成為運(yùn)營單位的重大課題。由于車輛是一個(gè)龐大的機(jī)電系統(tǒng)，涉及的專業(yè)廣泛，整體系統(tǒng)壽命的研究工作非常復(fù)雜，筆者僅從自身經(jīng)驗(yàn)在此課題上拋磚引玉。

延長地鐵車輛的使用壽命，對運(yùn)營單位不僅可以緩解新車采購替換期的運(yùn)營供車壓力，而且能減少運(yùn)營單位的投資成本，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。目前，在先進(jìn)國家已建立起基于故障診斷技術(shù)的壽命預(yù)測評估方法，根據(jù)設(shè)備的老化、故障規(guī)律及影響和決定因素，通過對各種檢測方法（離線或在線）取得各種信息，采用科學(xué)分析方法全面綜合分析，掌握設(shè)備的當(dāng)前狀況和壽命預(yù)期，得出設(shè)備檢修和更換的最佳時(shí)機(jī)，在避免發(fā)生重大事故和節(jié)約檢修成本方面具有實(shí)用價(jià)值。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

有關(guān)車輛延長使用的研究課題，已成為國內(nèi)外各成熟地鐵公司共同關(guān)心的項(xiàng)目。據(jù)不完全了解，俄羅斯已對碳鋼車體壽命延長可行性開展了研究分析并有效實(shí)施，北京地鐵對耐候鋼車體車輛實(shí)施延期服役，香港地鐵針對不銹鋼車體車輛半壽命期深入開展了列車壽命延長的研究，并獲得成功應(yīng)用。

2.1俄羅斯地鐵

俄羅斯幾個(gè)城市地鐵運(yùn)營的是E、EM、81系列的電動(dòng)列車，這幾種系列車的使用壽命已經(jīng)到了設(shè)計(jì)規(guī)定，鑒于一下不可能更新全部車輛，地鐵公司方面委托俄羅斯科學(xué)計(jì)算中心進(jìn)行壽命延長方面的評估和計(jì)算。計(jì)算中心在 2003 年對 155 輛車進(jìn)行研究和評估，根據(jù)《地鐵車輛使用壽命延長的規(guī)定》、《蘇聯(lián) 1520mm 軌距地鐵新造和改造車輛機(jī)械部分的計(jì)算與設(shè)計(jì)規(guī)范》等要求，通過直觀檢查、儀器檢測、探傷等方式對車輛進(jìn)行評估，并且根據(jù)評估結(jié)果，制定有關(guān)車輛維修的工藝文件，并在后續(xù)維修過程中加強(qiáng)管理，從而達(dá)到延長車輛使用壽命的目的，效果顯著。

2.2香港地鐵

香港地鐵最早運(yùn)營的線路是觀塘線，于 1979 年通車。觀塘線有兩款列車，第 1 代是英國制造的都城嘉慕電動(dòng)列車，共 17 列（原本有 19 列，后因改造為迪士尼線而減少 2 列）；第 2 代是韓國 Rotem 及日本三菱電機(jī)聯(lián)合制造的電動(dòng)列車，共 13 列。在港鐵車輛運(yùn)營的歷史上，曾 2 次通過相關(guān)的技術(shù)手段或改造、評估方式來實(shí)現(xiàn)車輛壽命延長。

第 1 次是在 1998 年。港鐵于當(dāng)年8月起將所有英國制造的列車實(shí)施全面翻新，同時(shí)開展了列車延期使用工程研究。列車的翻新工程是由澳大利亞生產(chǎn)商 United Group（A.Goninan）承擔(dān)負(fù)責(zé)，工程包括修改車頭組件、翻新內(nèi)裝及其他部件，還增設(shè)了自動(dòng)資訊顯示系統(tǒng)、列車狀態(tài)診斷系統(tǒng)（Train Information System，TIS）、電子語音播報(bào)系統(tǒng)（DVA）、氣動(dòng)門改為電動(dòng)門的車門改造。所有工程于 2001 年8月完成。

第 2 次是在 2012 年。截止 2012 年12月，第 1 代列車已有 33 年車齡，第2代列車也開始接近 30 年車齡。雖然第 1 代列車于 1998 年8月至 2001 年8月期間全面翻新并已延長壽命運(yùn)用 10 至 15 年，但還要減少列車設(shè)備老化不可避免帶來的列車運(yùn)用中噪聲加劇及列車故障比較頻密等問題，之后，港鐵又計(jì)劃使用此系列車至少 50 年，因此，港鐵在研究早期列車延長到 40 年運(yùn)用后再延長 10 年，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.3北京地鐵

北京地鐵 1號線使用的是長春客車廠生產(chǎn)的 DK1 型地鐵電動(dòng)客車（1967 年生產(chǎn)，共 2 輛）和 DK2 型地鐵電動(dòng)客車（1969 年生產(chǎn)，共 80 輛）。截止運(yùn)營到 2008年，已運(yùn)營了 38 年，期間北京地鐵公司也做了相應(yīng)技術(shù)評估和改造工作。為滿足 2008 年北京奧運(yùn)會(huì)運(yùn)輸能力需求，必須配有足夠數(shù)量的列車上線運(yùn)行，由于新采購的列車沒能完全到位，一些超期服役的列車需要承擔(dān)一定的運(yùn)營任務(wù)，北京地鐵公司組織了多次專家評審會(huì)，對超期服役的列車是否滿足運(yùn)用要求進(jìn)行評估，并根據(jù)評估結(jié)果制定相應(yīng)的加強(qiáng)維修規(guī)程，從而延長車輛使用壽命。

3　車輛壽命延長評估建議

車輛的壽命評估主要是針對車體、轉(zhuǎn)向架、電氣部件等車輛上價(jià)值高、對安全運(yùn)營影響較大以及故障比較頻密的部件。通過對車輛部件開展系統(tǒng)、科學(xué)的壽命評估工作，可較完整地了解車輛各部件當(dāng)前狀態(tài)，并進(jìn)一步制定相應(yīng)的維修計(jì)劃，包括狀態(tài)評估、故障修復(fù)、整件更新等工作，最終實(shí)現(xiàn)延長車輛整體壽命，節(jié)省生產(chǎn)維護(hù)成本，避免部件剩余價(jià)值浪費(fèi)的目標(biāo)。

3.1車體

目前，地鐵車輛車體材料主要有不銹鋼和鋁合金2 種材料，依據(jù)國內(nèi)幾大車輛廠車體設(shè)計(jì)和選配理念，且基于車體的整體承載特性，設(shè)計(jì)壽命在理論上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過車輛其他部件，但由于車輛運(yùn)營工況的差異，在長時(shí)間運(yùn)營后，需定期開展相關(guān)的技術(shù)分析和判斷，尤其是對車底的關(guān)鍵受力部位和焊縫處需定期探傷。

3.2轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架的壽命評估主要是以機(jī)械結(jié)構(gòu)為對象，結(jié)合運(yùn)營期部件的運(yùn)行狀態(tài)，以及通過評估探傷和檢測發(fā)現(xiàn)的故障，利用合適有效的評估方法對其進(jìn)行宏觀和微觀上的整體狀態(tài)評估。轉(zhuǎn)向架是車輛牽引與制動(dòng)的基礎(chǔ)，其狀態(tài)決定了車輛運(yùn)行質(zhì)量，為此，基于安全性和舒適性考慮，針對構(gòu)架裂紋等關(guān)系壽命評估的故障，應(yīng)在設(shè)計(jì)壽命期定期或不定期進(jìn)行檢測，并詳盡記錄其狀態(tài)，繼而在轉(zhuǎn)向架到達(dá)30年設(shè)計(jì)壽命時(shí)，根據(jù)運(yùn)營故障情況，研判部件的安全剩余壽命。相關(guān)部件的評估工作建議引入專業(yè)的評估機(jī)構(gòu)，做出系統(tǒng)而科學(xué)的評估。

3.3牽引控制系統(tǒng)

牽引控制系統(tǒng)主要包括牽引逆變器、牽引電機(jī)等核心裝置。牽引逆變器其壽命評估方式需綜合考慮其實(shí)際運(yùn)營情況、設(shè)計(jì)壽命、故障趨勢等方面，針對各子部件進(jìn)行評估分析，確定可繼續(xù)使用的部件壽命和需更新的部件。

在評估牽引電機(jī)壽命過程中，建議取樣幾臺(tái)牽引電機(jī)進(jìn)行相間電阻、匝間電阻、耐壓等試驗(yàn)，評估牽引電機(jī)定子絕緣層的絕緣性能，視情況對電機(jī)進(jìn)行真空浸漆或絕緣升級維護(hù)改造，并滿足標(biāo)準(zhǔn) IEC 60349-2-2010《電力牽引 鐵路與道路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第2部分：電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》要求。由于整個(gè)過程需要采用測試設(shè)備和操作經(jīng)驗(yàn)豐富的人員，且升級改造工藝流程較為復(fù)雜，建議通過專業(yè)的第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行評估，并由電機(jī)維修廠家維修升級，同時(shí)，建議對選樣的牽引電機(jī)殼體、轉(zhuǎn)子軸、安裝座等進(jìn)行無損探傷，并目視檢查銹蝕情況，掌握電機(jī)的材料狀態(tài)。

3.4電纜評估

電纜的性能指標(biāo)主要是電性能和機(jī)械性能，其中：電性能包含導(dǎo)體的直流電阻和交流阻抗、絕緣層的絕緣電阻、介質(zhì)損耗和其中的電場分布及電場強(qiáng)度、電纜的電容、電感、載流量、金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓和電流；機(jī)械性能包含機(jī)械強(qiáng)度、伸長率、絕緣護(hù)層材料的機(jī)械性能、阻燃性能等。還可參照GB/T3512-2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》對絕緣層做熱老化試驗(yàn)，測試其硬度變化與性能變化，最終得到電纜絕緣層的剩余壽命理論值。

實(shí)際運(yùn)營中，由于外界環(huán)境干擾、絕緣老化、磨損、熱熔、彎折等因素，其絕緣層的機(jī)械性能和絕緣性下降，導(dǎo)致線纜會(huì)出現(xiàn)接地、短路、閃絡(luò)等故障，而此類故障的發(fā)生可能導(dǎo)致車輛的電氣控制和受流接地裝置出現(xiàn)故障，極大地影響車輛的安全運(yùn)營。為此，電纜的壽命主要是考慮其絕緣層的狀態(tài)，試驗(yàn)評估其剩余壽命。

4　經(jīng)濟(jì)性分析及建議

通過評估和加強(qiáng)檢修的方式延長車輛的使用壽命，直接節(jié)省了新車的采購費(fèi)用。車輛的壽命延期，從經(jīng)濟(jì)層面分析，主要需綜合考慮大修費(fèi)用、日常檢修差異費(fèi)用、其間架修的差異費(fèi)用等方面。以車輛延長使用10年為例，首先是考慮暫緩了新車的采購，節(jié)省了新車采購費(fèi)用；其次是考慮車輛壽命延期，大修所花費(fèi)的費(fèi)用；再次是考慮延壽車輛與采購新車狀態(tài)不同，其日常年檢及年檢以下修程的維修費(fèi)用也不同；最后是考慮延壽車輛輕修（架修）與新車輕修（架修）的費(fèi)用差異。另外，由于故障更換或升級改造等因素，部分部件已在半壽命或接近全壽命時(shí)做了換新或改造，因此，在整車達(dá)到設(shè)計(jì)壽命 30 年時(shí)，該類部件的設(shè)計(jì)壽命仍未有達(dá)到，在評估其狀態(tài)后可繼續(xù)使用，這也將為車輛壽命延長節(jié)省費(fèi)用，并合理地使用了部件的剩余價(jià)值。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)及資料顯示，延長車輛壽命的研究有助于公司效益的提升和軌道交通車輛行業(yè)的發(fā)展。對于運(yùn)營方而言，在延長車輛使用壽命方面，需要關(guān)注以下幾個(gè)重點(diǎn)工作。

（1）收集和比較車輛設(shè)計(jì)和實(shí)際壽命、維修成本和可靠性水平等相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)；重點(diǎn)研究車輛關(guān)鍵部件和系統(tǒng)基于翻新車輛時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素；識(shí)別翻新或替換車輛的關(guān)鍵因素以及各種條件下哪種更接近設(shè)計(jì)壽命。

（2）判斷并確定翻新車輛的最佳時(shí)機(jī)，從與車輛翻新相關(guān)的維修和改造的整個(gè)生命周期予以考慮，制定延長車輛壽命的決策要素和標(biāo)準(zhǔn)。

（3）探討當(dāng)車輛使用壽命超過其設(shè)計(jì)壽命時(shí)，延長車輛使用年限的風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)會(huì)。

5　結(jié)束語

本文對延長車輛使用壽命研究的必要性、現(xiàn)狀、評估建議及經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了初步介紹和描述，并對地鐵公司對于這一課題的提前準(zhǔn)備工作提出相關(guān)要求，尤其是目前地鐵公司運(yùn)營到 20 年時(shí)，車輛進(jìn)行二次大修之際，車輛壽命的評估工作顯得更為重要和緊迫。對于地鐵公司而言，在保證運(yùn)營安全前提下，延長車輛使用壽命，以節(jié)省投資成本，是可持續(xù)性發(fā)展的重要方向。

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責(zé)任編輯 冒一平

Discussion on Feasibility of Extending Service Life of Transit Vehicles

Zheng Jun

Abstract:The paper makes a brief introduction on the necessity of study of urban rail transit vehicle service life, describes the effect of some domestic and foreign metro company extending their vehicle service life by using the method. By taking into consideration of the current situation of metro vehicle of some domestic companies, focusing on the car body, bogie, traction system and the components of frequent failures withevaluation methods and ideas, it provides references for the study of extending vehicles service life.

Keywords:urban rail transit, vehicle, service life, evaluation

作者簡介：鄭?。?982—），男，工程師

收稿日期2015-09-06