基于RAMS的城市軌道交通車輛設(shè)計安全研究

梁 琦，陳興華

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081；2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

基于RAMS的城市軌道交通車輛設(shè)計安全研究

梁 琦1，陳興華2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081；2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

RAMS作為設(shè)計理念運(yùn)用到工程技術(shù)中，從而創(chuàng)建出一種既可靠又安全的管理模式。RAMS管理可以為軌道交通提供安全保障，提高運(yùn)行效率，該管理模式在國外已得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好成效。因此引入RAMS管理是確保城市軌道交通車輛安全發(fā)展的必然趨勢。以RAMS介紹為基礎(chǔ)，論述其可靠性、可用性、維修性、安全性，并通過工程實例論證了RAMS管理對地鐵車輛工程的重要性。

城市軌道交通車輛；RAMS；可靠性；可用性；維修性；安全性

可靠性(reliability)、可用性(availability)、維修性(maintainability)和安全性(safety)的相互關(guān)聯(lián)組成RAMS管理，其理念是在保證外部資源的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定條件和時間內(nèi)可以完成規(guī)定功能，同時在故障狀態(tài)下允許通過正常的程序或手段進(jìn)行維修以保持和恢復(fù)原功能，并且在失效時不會引起人員、環(huán)境、設(shè)備和財產(chǎn)的損傷。

目前，以歐美地區(qū)為代表的發(fā)達(dá)國家均在城市軌道交通方面普遍采用RAMS工程這一先進(jìn)技術(shù)，并已經(jīng)達(dá)到相對成熟階段。如法國、英國、美國、德國等國家建立了較為完整的RAMS工程法律法規(guī)，并廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的技術(shù)平臺，且RAMS工程的系統(tǒng)化發(fā)展顯著提高了軌道交通產(chǎn)品的各項指標(biāo)[1]。

1 城市軌道交通車輛RAMS工程

1.1 RAMS研究目的

由于軌道交通運(yùn)輸方式的特殊性，城市軌道交通車輛的RAMS工程與軌道交通的整體系統(tǒng)密切相關(guān)。地鐵車輛集合機(jī)械部件、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備于一體，同時地鐵車輛外界工作環(huán)境條件多變且較為嚴(yán)酷，造成其故障模式種類較多，故障概率分布形式各異且復(fù)雜，所以在RAMS標(biāo)準(zhǔn)原理設(shè)計可實現(xiàn)的前提下，要嚴(yán)格要求車輛整體的耐久性指標(biāo)，進(jìn)而在設(shè)計環(huán)節(jié)控制各分部子系統(tǒng)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益，從而保障軌道交通的運(yùn)輸安全、服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)輸能力，以降低全壽命周期成本(LCC)[2-4]。

1.2 RAMS與故障分析

故障問題存在于地鐵車輛的設(shè)計、制造和運(yùn)用維修中，貫穿地鐵車輛全壽命周期，是RAMS解決的核心問題[5]。從地鐵車輛方案論證開始，需要參考同類型產(chǎn)品的故障問題統(tǒng)計資料，在現(xiàn)有設(shè)計水平和制造工藝水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出RAMS定性、定量指標(biāo)；利用RAMS分析技術(shù)，對地鐵車輛的故障及其后果、發(fā)生原因及發(fā)生概率進(jìn)行計算分析，通過發(fā)現(xiàn)故障位置，采取相應(yīng)措施對系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)；優(yōu)化制造工藝，防止產(chǎn)生制造缺陷，通過可靠性試驗驗證設(shè)計方案，對暴露的故障問題進(jìn)行工藝改進(jìn)及再驗證；在運(yùn)用維修階段，記錄地鐵車輛的故障發(fā)生情況，有目的地進(jìn)行分析，修改相應(yīng)的維修規(guī)程，并將故障信息記錄反饋給設(shè)計單位，進(jìn)行再次優(yōu)化。目前常用的故障分析方法如圖1所示。

圖1 常用故障分析方法

地鐵列車的故障模式在實踐應(yīng)用中不是固定不變的。故障模式是進(jìn)行RAMS分析的基礎(chǔ)，故障模式影響及危害度分析和故障樹分析也是依據(jù)故障模式進(jìn)行的。整車由上萬種零部件組成，各零部件的設(shè)計、制造、材料、使用和存儲不盡相同，同時生產(chǎn)廠家及生產(chǎn)批次的差異造成了故障模式的不定性。因此在進(jìn)行項目綜合性系統(tǒng)需求分析時，根據(jù)RAMS設(shè)計評價和故障模式影響分析的結(jié)果，對設(shè)備器材的選型、外購的控制及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行設(shè)計失效模式和影響分析(DFMEA)，對設(shè)計工序的過程質(zhì)量進(jìn)行過程失效模式和后果分析(PFMEA)，將設(shè)計過程中分解的分部子系統(tǒng)劃分到相應(yīng)的故障后果嚴(yán)重等級，確定重要次序。

2 城市軌道交通車輛RAMS構(gòu)成[6-7]

2.1 可靠性(R)[8]

地鐵車輛按照可靠性形成過程可以劃分為固

有可靠性和運(yùn)用可靠性。固有可靠性存在于地鐵車輛各部件系統(tǒng)設(shè)計和制造過程中；運(yùn)用可靠性是在使用條件下，保證固有可靠性的發(fā)揮程度。可靠性的穩(wěn)定性關(guān)乎地鐵車輛的全面質(zhì)量和耐久性。

2.1.1 可靠性設(shè)計分析

可靠性設(shè)計是完成可靠性工程的重要組成部分，地鐵列車的可靠性在很大程度上依賴于設(shè)計的準(zhǔn)確性?？煽啃苑峙涫菍⒄嚳煽啃灾笜?biāo)逐步分解、分配到各組件、零部件的演繹分解過程。首先要整理各單元之間的邏輯關(guān)系建立系統(tǒng)可靠性模型；其次預(yù)計系統(tǒng)各產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，依據(jù)零部件的可靠性指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分配；再次根據(jù)FMECA和FTA分析系統(tǒng)找出薄弱環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施；最后根據(jù)分析結(jié)論進(jìn)行可靠性設(shè)計?？煽啃猿Ｓ媚Ｐ腿绫?所示。

常用可靠性預(yù)計方法有性能參數(shù)法、故障率預(yù)計法、相似系統(tǒng)法、專家評分法、極限法、元件計數(shù)法和應(yīng)力分析法等，從方案論證、初步設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計，每種方法都有其相應(yīng)的適用階段。常用可靠性分配方法有比例組合法、評分分配法、重要及復(fù)雜程度分配法、拉格朗日分配法和工程綜合法等，主要依據(jù)系統(tǒng)或單元的重要性合理分配可靠性指標(biāo)。

表1 幾種常用模型

可靠性預(yù)計和分配是建立在模型可靠的基礎(chǔ)上，為保證地鐵車輛各系統(tǒng)可靠性預(yù)計和分配的正確性和精確性，首先要明確系統(tǒng)的故障來源，合理簡化系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)資料或相似產(chǎn)品選取有效數(shù)據(jù)，依據(jù)可靠性預(yù)計和分配方法反復(fù)迭代、論證，同時優(yōu)化可靠性模型。通過結(jié)果的相對比較，找出系統(tǒng)故障的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，貫徹執(zhí)行有效的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。

2.1.2 可靠性計算

(1)可靠度。將可靠性量化形成可靠度，即系統(tǒng)在額定條件和時間內(nèi)，完成額定功能的概率?？煽慷仁菚r間函數(shù)，用R(t)表示可靠度函數(shù)，其表達(dá)公式為：

(1)

式中：T為車輛壽命；R(t)為產(chǎn)品在額定時間t內(nèi)無障礙工作概率。并且根據(jù)可靠度與時間的關(guān)系可知：

(2)

(2)故障(失效)概率和概率密度。故障(失效)概率F表示在額定條件和額定時間內(nèi)發(fā)生故障的概率，其概率數(shù)值與可靠度互補(bǔ)，即：

(3)

故障(失效)概率密度f(t)表示單位時間內(nèi)故障(失效)概率函數(shù)編號,即F(t)對時間的導(dǎo)數(shù):

(4)

故障(失效)概率可以估算為：

(5)

式中:r(t)為t時刻時失效系統(tǒng)數(shù)量；N為實驗的系統(tǒng)總數(shù)。

(3)故障率(失效率)。故障率(失效率)記作λ(t)，表示在某時刻t尚未失效的系統(tǒng)，在t時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生的概率，由此可得故障率計算推導(dǎo)公式：

(6)

對式(6)積分，可得函數(shù)：

(7)

由此可知系統(tǒng)的失效率越小，可靠度越大。其估算公式為：

(8)

式中：Ns(t)為t時刻未發(fā)生故障的系統(tǒng)數(shù)；Δr(t)為(t,t+Δt)時間間隔內(nèi)的系統(tǒng)故障數(shù)；Δt為所取時間間隔。

(4)壽命。根據(jù)不可維修系統(tǒng)和可維修系統(tǒng)的分類，將系統(tǒng)平均壽命分為平均修復(fù)時間(MTTF)和平均故障間隔時間(MTBF)，其反映了系統(tǒng)可靠性的時間指標(biāo)。對于n個不可維修系統(tǒng)在相同條件下測得全部壽命時間數(shù)據(jù)t1,t2,…,tn,則其平均壽命為：

(9)

對于一個可修復(fù)系統(tǒng),在每次修復(fù)故障后又進(jìn)行工作，n次工作時間分別為t1,t2,…,tn,則其平均壽命為：

(10)

平均故障間隔時間與故障率的關(guān)系為：

(11)

2.2 可用性(A)

車輛系統(tǒng)的可用性是可以通過平均可用時間(MUT)、平均不可用時間(MDT)和可用度進(jìn)行度量的，系統(tǒng)的各種狀態(tài)也可以用可用性的特征量來表示，如圖2所示。在實際工程中，由于問題的關(guān)注點不同，可用性分析參數(shù)指標(biāo)也不同。通常有通過系統(tǒng)內(nèi)在可用度屬性反映的固有可用度(Ai)；通過材料質(zhì)量、制造工藝水平、系統(tǒng)運(yùn)用和綜合維修技術(shù)反映系統(tǒng)硬件水準(zhǔn)的達(dá)到可用度(Aa)；反映系統(tǒng)工作總時間的使用可用度(Au)。其表達(dá)式分別為：

(12)

(13)

(14)

圖2 系統(tǒng)壽命周期時間分配關(guān)系

2.3 維修性(M)

維修性是指實施故障系統(tǒng)維修工作的難易程度，通常分為預(yù)防性維修(PM)和修復(fù)性維修(CM)。預(yù)防性維修是防止故障發(fā)生的一種手段，可以保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行及可用狀態(tài)；可靠性是決定修復(fù)性維修工作量的因素，維修活動雖然不能完全預(yù)計，但可以通過MTTR進(jìn)行量化。描述維修性的定量指標(biāo)有維修度、修復(fù)率、平均修復(fù)時間等，用于細(xì)化地鐵車輛各系統(tǒng)的維修指標(biāo)。維修度表示t時刻時已修復(fù)的系統(tǒng)數(shù)量在開始時需要修復(fù)數(shù)量的比例；修復(fù)率是通過單位時間內(nèi)修復(fù)發(fā)生故障系統(tǒng)的比例來度量維修性，指t時刻后單位時間內(nèi)未修復(fù)系統(tǒng)完成修復(fù)的概率；平均修復(fù)時間則是排除系統(tǒng)故障所需實際時間的平均值，其中去除管理和后勤等原因所延誤的時間。

2.4 安全性(S)

地鐵車輛安全性研究的目的是保證乘客的人身安全。地鐵車輛的安全性是通過對車輛系統(tǒng)各部件的危險性進(jìn)行定性和定量分析，以尋求最低事故率從而抵御損害風(fēng)險。地鐵車輛安全性能的提高是當(dāng)前軌道交通發(fā)展的需要，城市交通運(yùn)輸行業(yè)競爭非常激烈，要想滿足市場需求就必須要滿足安全、快捷、舒適和高效低能的標(biāo)準(zhǔn)。與可靠性指標(biāo)相仿，安全性指標(biāo)是指系統(tǒng)會發(fā)生危險性的故障或事故，采用平均故障率和平均故障間隔時間MTBF表示，且通過危險源經(jīng)驗分析法、故障樹分析(FTA)、故障模式影響分析(FMEA)及風(fēng)險評估等方法識別危險源，確定系統(tǒng)的安全性等級，提高系統(tǒng)的安全完整性。只有當(dāng)安全性和RAM被有效執(zhí)行后，才能滿足系統(tǒng)的RAMS技術(shù)要求。

3 城市軌道交通車輛RAMS管理

根據(jù)我國城市軌道交通車輛發(fā)展現(xiàn)狀，越來越多的生產(chǎn)廠家涉足軌道交通領(lǐng)域，產(chǎn)品種類不斷增多，造成地鐵車輛各系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展參差不齊。在不斷學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時，需將各行業(yè)納入地鐵車輛RAMS體系，遵循RAMS管理，從而提高整體競爭力。RAMS是系統(tǒng)的內(nèi)在屬性，貫穿于整個系統(tǒng)的生命周期。為了獲得優(yōu)質(zhì)的體驗，對RAMS進(jìn)行管理是非常重要的。

RAMS管理[9-10]是基于各管理層的職能手段，以系統(tǒng)整體為大局，對人力、財力、物力等資源進(jìn)行優(yōu)化配置，從而達(dá)到控制全過程活動的目的。RAMS管理的內(nèi)容包括：RAMS管理組織機(jī)構(gòu)對基層單位的RAMS工作進(jìn)行指導(dǎo)、監(jiān)督，制定相應(yīng)的RAMS計劃，組織RAMS評審并由其進(jìn)行認(rèn)證和監(jiān)督檢查，同時開展RAMS教育培訓(xùn)工作，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，收集行業(yè)信息。

為了得到可靠的列車系統(tǒng)，需要通過適當(dāng)?shù)氖侄螌τ绊懴到y(tǒng)RAMS的列車自身因素、運(yùn)用條件和維修條件等各種因素(如圖3所示)，在列車系統(tǒng)全壽命周期中的每個階段進(jìn)行鑒定評估，控制風(fēng)險影響源頭，如編制計劃、設(shè)計分析和試驗、實際驗證、事實確認(rèn)等，以便優(yōu)化整個系統(tǒng)性能。因此在軌道交通車輛設(shè)計和實施階段需要進(jìn)行的RAMS任務(wù)有：設(shè)計和制造可靠性分析、安全性分析、維修分析、基于維修性的可用性分析、壽命周期費(fèi)用評估、可靠性和維修性試驗等RAM管理方案。

圖3 軌道交通車輛RAMS各因素之間相互關(guān)系

運(yùn)用RAMS管理模式進(jìn)行安全設(shè)計的目的在于提出消除安全隱患的措施，降低潛在風(fēng)險。首先要明確基于RAMS的安全性管理是針對人、物和環(huán)境，設(shè)計過程中不僅要考慮系統(tǒng)本身性能，還要考慮人為因素造成的誤差；其次，根據(jù)可靠性分配結(jié)果，確定產(chǎn)品的安全等級，制定相應(yīng)的控制管理措施；再次，根據(jù)系統(tǒng)受使用環(huán)境的影響程度，優(yōu)化安全功能分配；最后，只有安全計劃和RAM共同作用時，才能保證系統(tǒng)的安全完整性，保證軌道交通車輛RAMS技術(shù)達(dá)到預(yù)期要求。

4 實例應(yīng)用

4.1 應(yīng)用背景

某市新建地鐵項目，引進(jìn)20列6輛編組某型地鐵車輛。假設(shè)每列車每天運(yùn)行10.4 h，平均旅行速度為35 km/h，年運(yùn)行約12萬km。要求根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)組成，建立列車的可靠性框架圖，如圖4所示，將整車可靠性指標(biāo)分配到車輛各子系統(tǒng)中，作為子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。經(jīng)過可靠性分析和可靠性指標(biāo)分配的范圍、原則、方法和分配結(jié)果，使設(shè)計人員明確可靠性設(shè)計要求，對關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高整車的可靠度。

圖4 列車可靠性框架圖

4.2 可靠性目標(biāo)及分析

根據(jù)招標(biāo)合同要求，可靠性目標(biāo)為MTBF=150 h，平均無運(yùn)營故障間隔里程(MDBFS)=12.5萬km。依據(jù)車輛結(jié)構(gòu)組成，將整車分為18個子系統(tǒng)，分配原則為：①遵循整車的可靠度大于整車的可靠度指標(biāo)；②對于復(fù)雜度高、技術(shù)不成熟、環(huán)境條件惡劣、需要長期工作的部件，分配較低的可靠性指標(biāo)；③對于重要度高的部件，分配較高的可靠性指標(biāo)；④依據(jù)工程經(jīng)驗，留有10%可靠性分配余量。

采用等分配法和專家評分分配法進(jìn)行各子系統(tǒng)在方案論證階段的初步分配，將結(jié)構(gòu)組成非常相似的新設(shè)計產(chǎn)品與老產(chǎn)品進(jìn)行比例組合法分配，同時參考同類型車輛運(yùn)行中故障發(fā)生頻率，考

慮類似產(chǎn)品所受影響因素造成差異的情況下，再利用其所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，輔以其他方法進(jìn)行調(diào)整形成初始可靠性預(yù)計方案，然后結(jié)合產(chǎn)品的運(yùn)行比、設(shè)計方案、工藝水平、元器件和原材料水平、產(chǎn)品現(xiàn)狀、供應(yīng)商能力、可靠性分配值及預(yù)留分配余量進(jìn)行調(diào)整，采用串聯(lián)系統(tǒng)模型和可靠性工程綜合分配法進(jìn)行λ和MTBF的反復(fù)試算、迭代，形成可用的產(chǎn)品可靠性分配方案。

列車整車故障率為：

(15)

4.3 可靠性分配結(jié)果

通過上述可靠性分配方法和計算方法，根據(jù)整車可靠性目標(biāo)，列車各子系統(tǒng)基本可靠性目標(biāo)和運(yùn)營故障可靠性目標(biāo)分配值如表2所示。

表2 列車各子系統(tǒng)基本可靠性指標(biāo)和運(yùn)營故障可靠性指標(biāo)分配表

注:MTBFS表示平均無運(yùn)營故障時間；MDBFS表示平均無運(yùn)營故障里程；N/A表示不適用

從上述初步得到的計算數(shù)據(jù)可以看出：首先，在設(shè)計階段進(jìn)行RAMS的可靠性分析是必要的，通過從整體到局部的分解，確定每個子系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)，以便于從設(shè)計階段開始對各子系統(tǒng)有目的地進(jìn)行管控，從而保證整車的安全可靠性；其次，通過對主要子系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性指標(biāo)進(jìn)行分析，運(yùn)營部門可以進(jìn)行針對性地檢修管理，提高了運(yùn)營效率。

5 結(jié)論

城市軌道交通已經(jīng)成為一種低碳環(huán)保的主流出行方式。有關(guān)可靠性、可用性、維修性和安全性等單方面研究已有很多，但是將其作為RAMS整體來研究的比較少；其次缺乏RAMS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性文件，用戶對購置地鐵車輛的可靠性、維修性指標(biāo)理解不夠明確；再次在地鐵車輛設(shè)計時，由于行業(yè)RAMS信息數(shù)據(jù)缺乏及RAMS專業(yè)人員的不足，造成RAMS指標(biāo)的分配與落實不徹底；最后對地鐵車輛制造過程中沒有進(jìn)行可靠性、維修性的監(jiān)督和驗收以及在車輛投入運(yùn)用后未進(jìn)行結(jié)論驗證[11-12]。因此，根據(jù)我國軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀[13]，地鐵車輛要以安全性、可靠性為前提，增加RAMS工程在軌道交通車輛的運(yùn)用與研究，縮短與國外發(fā)達(dá)國家RAMS管理的差距，提高軌道交通安全。

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LIANG Qi:Postgraduate; China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China.

Study of City Rail Transit Vehicles Safety Design Based on the RAMS

LIANGQi,CHENXinghua

RAMS is applied to the engineering technology as design concept, so as to create a reliable and safe management mode. RAMS can provide security for the rail transportation management and improve operational efficiency, this management mode has been widely used in abroad and shows a good result. So the introduction of RAMS management is to ensure that the inevitable developing trend of urban rail transit vehicle safety. In this paper, based on the RAMS, it discusses reliability, availability, maintainability and safety, and demonstrated by an engineering example that the importance of RAMS management of metro vehicle engineering.

urban rail transit vehicle; RAMS; reliability; availability; maintainability; safety

2095-3852(2017)04-0397-06

A

2017-02-16.

梁琦(1989-),男,河北石家莊人,中國鐵道科學(xué)研究院碩士研究生,主要研究方向為城市軌道交通車輛.

U279.5

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.005