地鐵車(chē)輛以可靠性為中心的維修實(shí)施方法研究

摘要：以可靠性為中心的維修（RCM）是一種閉環(huán)的持續(xù)改進(jìn)過(guò)程，通過(guò)分析對(duì)產(chǎn)品的安全、使用和壽命周期成本有顯著影響的功能故障，可顯著改善產(chǎn)品的使用效能和成本。文章通過(guò)研究有關(guān)軌道交通行業(yè)的RCM標(biāo)準(zhǔn)，提出地鐵車(chē)輛RCM的實(shí)施流程與分析要點(diǎn)，用于支持地鐵車(chē)輛預(yù)防性維修策略的生成與更新。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；可靠性；維修實(shí)施方法；RCM；軌道交通 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U279 文章編號(hào)：1009-2374（2017）03-0100-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.044

1 概述

以可靠性為中心的維修（RCM）也稱(chēng)以可靠性為中心的維修分析（RCMA），其定義為按照以最少的資源消耗，保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過(guò)程或方法。在國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)，特別是地鐵車(chē)輛上，尚未全面推廣和應(yīng)用RCM，預(yù)防性維修策略還停留在主要依靠設(shè)計(jì)與維修人員的工程經(jīng)驗(yàn)確定的階段，這種做法導(dǎo)致地鐵車(chē)輛預(yù)防性維修工作頻次高、時(shí)間長(zhǎng)、效果不明顯、車(chē)輛利用率較低和維修成本高昂等問(wèn)題。為支持RCM在地鐵車(chē)輛上的應(yīng)用，本文對(duì)RCM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的實(shí)施流程與要求進(jìn)行了分析與解讀，結(jié)合地鐵車(chē)輛研制特點(diǎn)，提出一種貫穿地鐵車(chē)輛全壽命周期的RCM實(shí)施方法，并給出受電弓的實(shí)施案例。

2 以可靠性為中心的維修RCM

2.1 RCM起源與發(fā)展

19世紀(jì)60年代，以美國(guó)聯(lián)合航空為首的航空公司擔(dān)心繼續(xù)使用基于時(shí)間的預(yù)防性維修策略將導(dǎo)致新投入運(yùn)營(yíng)的噴氣客機(jī)使用成本過(guò)高，并提出了以可靠性為中心的維修RCM的原型MSG-3。采用此方法后，在維修成本保持不變的前提下，更多的預(yù)防性維修工作被分配給更有可能導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題的系統(tǒng)和設(shè)備，飛機(jī)的可靠性和可用性顯著提高，由此MSG-3被全球眾多航空公司認(rèn)可并

應(yīng)用。

19世紀(jì)70年代末，美國(guó)國(guó)防部在MSG-3的基礎(chǔ)上發(fā)布了《以可靠性為中心的維修RCM》，奠定了RCM預(yù)防性維修策略確定方法的核心地位，并成為基于狀態(tài)的維修CBM、產(chǎn)品健康管理PHM等產(chǎn)品設(shè)計(jì)與維修策略制定的基本方法之一。

2.2 RCM分析流程

2009年，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了RCM的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60300-3-11，將RCM的實(shí)施流程分為發(fā)起與計(jì)劃、功能故障分析、任務(wù)選擇、實(shí)施和持續(xù)改進(jìn)五個(gè)環(huán)節(jié)并形成一個(gè)閉環(huán)，如圖1所示：

這五個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)了鐵路行業(yè)RAMS標(biāo)準(zhǔn)EN 50126中定義的從產(chǎn)品概念開(kāi)始到使用與維護(hù)的十三個(gè)壽命周期階段，可作為軌道交通行業(yè)開(kāi)展RCM的應(yīng)用指南。

在開(kāi)始RCM分析前的發(fā)起與計(jì)劃環(huán)節(jié)，主要解決建立分析目標(biāo)、識(shí)別分析對(duì)象（含對(duì)分析對(duì)象排序），獲得分析約束（主要是指產(chǎn)品的設(shè)計(jì)邊界）、確定分析時(shí)機(jī)、統(tǒng)一分析方法、準(zhǔn)備分析資源（可用的數(shù)據(jù)與工具等），并形成分析計(jì)劃等相關(guān)事宜。這一環(huán)節(jié)的輸出主要是分析計(jì)劃。

在功能故障分析環(huán)節(jié)，主要是基于歷史經(jīng)驗(yàn)和可獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行功能故障模式影響及危害性分析FMECA，并隨著研制進(jìn)度的推進(jìn)，建立產(chǎn)品功能與硬件特征、功能故障與硬件故障的映射關(guān)系，主要輸出是FMECA報(bào)告。

在任務(wù)選擇環(huán)節(jié)，根據(jù)分析對(duì)象的使用方案和FMECA結(jié)果，確定分析對(duì)象的功能故障后果，開(kāi)展邏輯決斷，根據(jù)分析對(duì)象的硬件特征、故障特征和歷史維修數(shù)據(jù)選取合適的預(yù)防性維修工作項(xiàng)目，初定維修間隔期。這一環(huán)節(jié)的輸出主要是維修任務(wù)。

在實(shí)施環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)分析對(duì)象的全部維修工作項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)描述，說(shuō)明實(shí)施步驟和維修資源等。為RAMS和LCC分析提供輸入，優(yōu)化維修間隔期，形成維修大綱，并利用故障報(bào)告、分析、控制和糾正措施系統(tǒng)FRACAS準(zhǔn)備產(chǎn)品壽命探索。這一環(huán)節(jié)的輸出主要是維修大綱。

在持續(xù)改進(jìn)環(huán)節(jié)，利用FRACAS系統(tǒng)記錄產(chǎn)品在使用過(guò)程中的故障信息，通過(guò)對(duì)使用時(shí)間、故障時(shí)機(jī)和維修時(shí)間等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)施壽命探索，更新產(chǎn)品故障率、首次故障時(shí)間維修和時(shí)間等RAMS定量參數(shù)，支持對(duì)產(chǎn)品使用過(guò)程的安全、運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的監(jiān)控，評(píng)價(jià)維修大綱的有效性并利用更新的RAMS參數(shù)更新與優(yōu)化維修大綱。

2.3 RCM分析要點(diǎn)

在IEC 60300-3-11中，RCM實(shí)施的技術(shù)過(guò)程從功能故障分析開(kāi)始，以邏輯決斷的形式分析對(duì)產(chǎn)品安全、使用和壽命周期成本有顯著影響的功能故障，特別是有高發(fā)概率和有嚴(yán)重后果的功能故障模式，然后進(jìn)行預(yù)防性維修工作項(xiàng)目選擇與分析，最終匯總梳理形成產(chǎn)品的預(yù)防性維修大綱。整個(gè)流程的分析要點(diǎn)包括3大環(huán)節(jié)10大要點(diǎn)，且與產(chǎn)品壽命周期RAMS工作高度相關(guān)，特別是功能故障分析、任務(wù)選擇和持續(xù)改進(jìn)的實(shí)施需要大量RAMS分析成果的支持。

2.3.1 功能故障分析。功能故障分析要求以產(chǎn)品功能為輸入，對(duì)產(chǎn)品的功能故障模式、故障原因和故障影響進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，其實(shí)施過(guò)程可以概括為依次回答以下問(wèn)題：（1）產(chǎn)品的功能性能標(biāo)準(zhǔn)是什么？（2）產(chǎn)品功能的故障模式有哪些？（3）產(chǎn)品功能故障的原因是什么？（4）產(chǎn)品功能故障的影響是什么？

確定產(chǎn)品的功能性能標(biāo)準(zhǔn)要求按照產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)逐層對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行識(shí)別、分析與分類(lèi)，建立功能與性能的關(guān)聯(lián)要求，如受電弓的受流功能對(duì)應(yīng)的性能要求之一為承受的直流電壓波動(dòng)范圍為1500V×（1±10%）。

產(chǎn)品功能的故障模式一般包括功能完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)、功能降級(jí)、功能時(shí)斷時(shí)續(xù)和出現(xiàn)非預(yù)期功能四種情況，將上述四種模式與產(chǎn)品功能和性能要求進(jìn)行耦合，可以分別定義產(chǎn)品各項(xiàng)功能的故障模式。在定義好產(chǎn)品的功能故障模式后，還需根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)狀態(tài)判斷該故障模式對(duì)于使用和操作人員而言，是否可以通過(guò)設(shè)置的傳感器、指示器或目視等感覺(jué)直接發(fā)現(xiàn)，以支持邏輯決斷的推進(jìn)。

產(chǎn)品功能故障的原因一般是為實(shí)現(xiàn)該功能所需的低層次產(chǎn)品發(fā)生功能故障或硬件故障，其中功能故障的定義與分析如前所述，硬件故障模式一般包括如斷裂、變形、短路、開(kāi)路等，在產(chǎn)品的最底層，其硬件故障模式的故障原因一般包括產(chǎn)品特性隨時(shí)間變化、設(shè)計(jì)缺陷、人為因素和自然環(huán)境影響等。

產(chǎn)品功能故障的影響一般是指對(duì)受產(chǎn)品功能輸出影響的后續(xù)和頂層產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的影響，即當(dāng)下層產(chǎn)品發(fā)生某種功能故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)和頂層產(chǎn)品的什么功能出現(xiàn)異常。

2.3.2 任務(wù)選擇與實(shí)施。任務(wù)選擇與實(shí)施是以功能故障模式分析結(jié)果為輸入，以邏輯決斷為方法，最終確定預(yù)防性維修工作項(xiàng)目類(lèi)型和維修間隔期，整理形成預(yù)防性維修大綱的過(guò)程。其實(shí)施過(guò)程是在回答前述4個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上依次回答以下3個(gè)問(wèn)題：（1）產(chǎn)品功能故障的后果是什么？（2）功能故障的預(yù)防措施有什么？（3）找不到合適的預(yù)防措施怎么辦？

分析產(chǎn)品功能故障的后果又是回答以下3個(gè)問(wèn)題的過(guò)程：（1）功能故障的影響對(duì)于正常執(zhí)行操作的使用人員是明顯的嗎？（2）功能故障導(dǎo)致的損失或二次損傷可能對(duì)使用安全或環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響嗎？（3）隱蔽的功能故障與另一個(gè)故障或事件組合導(dǎo)致的損失或二次損傷可能對(duì)使用安全或環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響嗎？

回答以上問(wèn)題的過(guò)程也就是確定故障后果的第一層次邏輯決斷過(guò)程，如圖2所示。

在確定了故障后果后，需要根據(jù)第二層次邏輯決斷確定預(yù)防性維修的工作項(xiàng)目和維修間隔期。

IEC 60300-3-11定義了狀態(tài)監(jiān)控、定期拆修、定期報(bào)廢、故障檢查、無(wú)預(yù)防性維修和其他活動(dòng)六種邏輯決斷結(jié)果，前4項(xiàng)維修工作項(xiàng)目的確定需考慮表1所示的可行性和有效性分析。

預(yù)防性維修工作項(xiàng)目維修間隔期的確定是在項(xiàng)目整體目標(biāo)，如產(chǎn)品可靠性、可用性和壽命周期費(fèi)用LCC等因素間的權(quán)衡：維修間隔期短，產(chǎn)品可靠性高，但可用性和壽命周期費(fèi)用可能無(wú)法滿(mǎn)足要求；維修間隔期長(zhǎng)，產(chǎn)品壽命周期費(fèi)用目標(biāo)易于實(shí)現(xiàn)，但可靠性和可用性難以保證。此外，維修間隔期的確定還受產(chǎn)品類(lèi)型、故障機(jī)理和工作項(xiàng)目等因素的影響，如機(jī)械產(chǎn)品和液壓產(chǎn)品不同故障模式下的故障分布規(guī)律不同，狀態(tài)監(jiān)控修維修間隔期需要利用產(chǎn)品故障的P-F（從潛在故障到功能故障）曲線確定等?？傮w而言，維修間隔期的確定，是一個(gè)持續(xù)迭代改進(jìn)的過(guò)程，如圖3所示：

確定維修間隔期的目標(biāo)是通過(guò)預(yù)防性維修使產(chǎn)品可靠性水平保持在可接收范圍內(nèi)，因此在產(chǎn)品故障率處于穩(wěn)定趨勢(shì)水平下，維修間隔期是產(chǎn)品相關(guān)故障的故障率和可靠性定量要求的函數(shù)。以故障率服從指數(shù)分布的產(chǎn)品為例，其維修間隔期為：

T=-lnR/λ （1）

式中：T為維修間隔期；R為產(chǎn)品可靠度；λ為產(chǎn)品的故障率。

在利用式（1）得到維修間隔期基線值的基礎(chǔ)上，考慮故障的隨機(jī)性，可適當(dāng)減小T的大小，縮短維修間隔，但仍需以圖3所示壽命周期費(fèi)用分析的目標(biāo)為約束。維修間隔期的確定與更新是伴隨著產(chǎn)品使用與維修持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程。

在確定維修間隔期的同時(shí)，結(jié)合產(chǎn)品的維修性工作，如維修性建模、維修任務(wù)分析等工作，確定維修任務(wù)細(xì)節(jié)。對(duì)于經(jīng)RCM和LCC分析沒(méi)有合理的預(yù)防性維修工作項(xiàng)目和間隔期的，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)變更與迭代。

由于產(chǎn)品各個(gè)組成的預(yù)防性維修工作項(xiàng)目和維修間隔期不盡相同，將不同的維修間隔期統(tǒng)一，在此可參考地鐵車(chē)輛常用的修程規(guī)劃安排不同的維修工作項(xiàng)目，并形成維修大綱。

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)控和定期報(bào)廢類(lèi)的預(yù)防性維修工作項(xiàng)目，為在產(chǎn)品的可靠性和壽命周期費(fèi)用間取得合理的平衡，還需在產(chǎn)品研制階段和使用階段分別通過(guò)加速壽命試驗(yàn)和定期檢查探索產(chǎn)品的合理使用壽命。

2.3.3 持續(xù)改進(jìn)。在產(chǎn)品使用與維護(hù)階段，需要對(duì)產(chǎn)品的預(yù)防性維修大綱進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，包括伴隨產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化對(duì)預(yù)防性維修的工作項(xiàng)目和維修間隔期進(jìn)行調(diào)整。在此過(guò)程中，需要建立FRACAS系統(tǒng)，監(jiān)控產(chǎn)品的使用與維修情況，開(kāi)展RAMS評(píng)估等工作，從而利用產(chǎn)品的實(shí)際使用和故障數(shù)據(jù)對(duì)故障率、故障分布規(guī)律和使用壽命進(jìn)行修正與確認(rèn)，進(jìn)而支持維修大綱的調(diào)整。

3 受電弓RCM案例應(yīng)用

對(duì)某型地鐵車(chē)輛受電弓開(kāi)展RCM分析，其目的是更新預(yù)防性維修策略，保持其規(guī)定的可靠性水平。

RCM的實(shí)施過(guò)程包括圖1定義的所有工作，其成功實(shí)施依賴(lài)于自頂向下的組織與管理：由RAMS管理人員提供工作范圍和目標(biāo)；設(shè)計(jì)師提供受電弓功能性能和可靠性分析；售后人員確?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集與分析。

通過(guò)填寫(xiě)邏輯決斷表的形式完成受電弓的RCM分析，節(jié)選部分結(jié)果如表2所示：

在RCM邏輯決斷表的基礎(chǔ)上，通過(guò)以產(chǎn)品和維修間隔期為維度整理分析結(jié)果，形成按修程分類(lèi)的受電弓維修大綱。

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵車(chē)輛RCM分析可以在保持其可靠性、可用性和安全性，降低壽命周期費(fèi)用上取得良好的成效，其成功實(shí)施嚴(yán)重依賴(lài)于三個(gè)關(guān)鍵因素：（1）分工明確的RCM實(shí)施團(tuán)隊(duì)；（2）重點(diǎn)突出的RCM實(shí)施流程；（3）準(zhǔn)備充分的RCM分析輸入。

RCM團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃是將RCM的實(shí)施擴(kuò)展到整個(gè)地鐵車(chē)輛，并研究其與RAMS工作的協(xié)同。

參考文獻(xiàn)

[1] BS EN 50126-1：1999 Railway applications ——

The specification and demonstration of Reliability，

Availability， Maintainability and Safety （RAMS）——

Part 1： Basic requirements and generic process.

[2] BS EN 60300-3-3：2004 Dependability Managenment——

Part 3-3： Application Guide – Life Cycle Costing[S].

作者簡(jiǎn)介：李瑞龍（1984- ），男，山東青島人，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司工程師，研究方向：軌道車(chē)輛質(zhì)量控制。

（責(zé)任編輯：王 波）