軌道交通車輛全壽命周期檢修需求設(shè)計(jì)

王海濤,萬國(guó)強(qiáng),劉 余,徐志鋒

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266000;2.上?；鄢毯娇湛萍加邢薰?上海 200241)

0 引言

在軌道車輛市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，用戶除了關(guān)心采購價(jià)格外，更關(guān)心車輛全壽命周期檢修成本和車輛可用性。需要在車輛設(shè)計(jì)初期充分考慮用戶及市場(chǎng)對(duì)檢修的需求，從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)將檢修需求貫徹到車輛設(shè)計(jì)過程，避免檢修設(shè)計(jì)不合理的“初始設(shè)計(jì)缺陷”問題，減少車輛投入使用后改型成本。

軌道交通領(lǐng)域在國(guó)際化和競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈背景下，各車輛制造商均將全壽命維修成本和可靠性融入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來。瑞典國(guó)家鐵路公司(SJ)向瑞典ADtranz公司訂購X2000新時(shí)速高速擺式動(dòng)車組時(shí)，提出高可靠性要求外，還特別提出了列車的壽命周期成本和維修性要求[1]。德國(guó)斯圖加特公交集團(tuán)(SSB)基于維修成本的考慮，對(duì)供應(yīng)商提供的產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)品質(zhì)提出很高的要求[2]。奧地利聯(lián)邦鐵路機(jī)車車輛維修采用以可靠性為中心的維修(RCM)方法，對(duì)鐵道機(jī)車車輛維修提出盡可能高的可靠性、盡可能低的維修費(fèi)用[3]。

我國(guó)車輛制造商在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，一般只考慮滿足客戶提出的性能、技術(shù)指標(biāo)、保證列車的可靠性、安全性，盡量降低列車的造價(jià)，并沒有將車輛投入使用后是否便于維修、維修費(fèi)用是否合理作為設(shè)計(jì)目標(biāo)去一并考慮[1]。因此，如何將用戶需求轉(zhuǎn)化為檢修需求并貫徹至車輛設(shè)計(jì)，是與國(guó)際接軌、拓展海外市場(chǎng)、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的必要保證。

車輛制造商在車輛全壽命檢修需求設(shè)計(jì)過程中，需要解決幾個(gè)核心問題：首先，用戶對(duì)車輛的期望或需求是什么？如何將用戶對(duì)車輛需求轉(zhuǎn)化為車輛的檢修設(shè)計(jì)要求？其次，如何將設(shè)計(jì)要求傳遞至系統(tǒng)/子系統(tǒng)/部件？再次，如何確認(rèn)車輛設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)要求？當(dāng)設(shè)計(jì)不符合要求時(shí)，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)使之符合設(shè)計(jì)要求？最后，車輛投入運(yùn)營(yíng)后是否達(dá)到了用戶的期望？若不滿足用戶需求，如何改進(jìn)？

基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究[4-5]，對(duì)標(biāo)航空研究應(yīng)用[6-7]，結(jié)合軌道交通車輛研制特點(diǎn)，給出了檢修需求設(shè)計(jì)指標(biāo)體系及全壽命周期檢修需求設(shè)計(jì)方法。

1 車輛全壽命周期檢修需求指標(biāo)體系

檢修需求設(shè)計(jì)目的是將服務(wù)可靠性、維修成本、帶故障運(yùn)行、檢修間隔要求、維修性、工具/設(shè)備/工裝等相關(guān)的維修需求有效落實(shí)至軌道車輛設(shè)計(jì)過程中，在確保車輛運(yùn)行安全性基礎(chǔ)上，以最少的檢修時(shí)間、維修花費(fèi)及維修資源來維持車輛高可用性，實(shí)現(xiàn)“降費(fèi)增效”。為將用戶需求轉(zhuǎn)化為車輛檢修設(shè)計(jì)要求并約束車輛設(shè)計(jì)，從用戶車輛維修成本和服務(wù)可靠性需求角度出發(fā)，建立車輛檢修需求指標(biāo)體系，包括直接維修成本和服務(wù)可靠性。

參考WATOG國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[6]，定義軌道交通車輛直接維修成本(direct maintenance costs，DMC)如下：DMC是指在完成車輛或設(shè)備維修所需的工作中直接花費(fèi)的人工時(shí)和材料費(fèi)用，單位為：元/公里或元/萬公里。

車輛服務(wù)可靠性直接影響客戶滿意度，通過車輛在故障后引發(fā)的影響來定義服務(wù)可靠性指標(biāo)，通常用出庫中斷率、晚點(diǎn)率、任務(wù)中斷率各類故障發(fā)生率來衡量車輛服務(wù)可靠性，車輛服務(wù)可靠性指標(biāo)見表1。

表1 車輛服務(wù)可靠性指標(biāo)體系

車輛DMC和服務(wù)可靠性是反映車輛設(shè)計(jì)水平的綜合設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過直觀可度量的指標(biāo)體系，反映用戶最關(guān)注的車輛設(shè)計(jì)需求，可有效的約束車輛設(shè)計(jì)，車輛安全性、可靠性、維修性、可用性水平高低，車輛檢修規(guī)程，檢修工藝水平均會(huì)體現(xiàn)在DMC和服務(wù)可靠性上面。例如增加冗余或保護(hù)措施，可提升車輛安全性，但降低了車輛的基本可靠性，導(dǎo)致服務(wù)可靠性提升，DMC升高。改善車輛維修性水平(如可達(dá)性、模塊化、免維修設(shè)計(jì)等)，可有效的縮短維修人工時(shí)，降低DMC，提高車輛可用時(shí)間。服務(wù)可靠性和DMC又息息相關(guān)，可靠性提升可采用更長(zhǎng)的計(jì)劃維修間隔，并降低部件故障修頻次(平均故障時(shí)間，MTBF)可減少DMC，而直接維修成本可反向驅(qū)動(dòng)的可靠性要求(如：平均故障時(shí)間/無故障發(fā)現(xiàn)率，MTBF/NFF)。直接維修成本和服務(wù)可靠性是綜合性設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠有效的約束車輛設(shè)計(jì)。

2 檢修需求全壽命周期設(shè)計(jì)

2.1 檢修需求設(shè)計(jì)流程

檢修需求設(shè)計(jì)指標(biāo)體系建立后，需要建立車輛全壽命周期檢修需求設(shè)計(jì)流程(如圖1所示)。在車輛設(shè)計(jì)階段，需將檢修設(shè)計(jì)需求定量化并貫徹至車輛設(shè)計(jì)中，包括檢修需求目標(biāo)確定、分配、預(yù)計(jì)與控制，將各層級(jí)檢修需求及其定量指標(biāo)分配至系統(tǒng)/子系統(tǒng)/部件，并通過預(yù)計(jì)結(jié)果與分配至比較，判斷是否滿足分配指標(biāo)，當(dāng)不滿足要求時(shí)進(jìn)行車輛設(shè)計(jì)優(yōu)化。在車輛交付使用后，根據(jù)車輛運(yùn)維數(shù)據(jù)，監(jiān)控檢修需求指標(biāo)，持續(xù)改進(jìn)車輛設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全壽命周期檢修需求設(shè)計(jì)閉環(huán)管理。

2.2 檢修需求目標(biāo)確定

根據(jù)相似車型數(shù)據(jù)和新研制車型設(shè)計(jì)方案，結(jié)合市場(chǎng)和用戶要求建立檢修需求(直接維修成本和服務(wù)可靠性)目標(biāo)，提出車輛設(shè)計(jì)要求/準(zhǔn)則。

整車DMC目標(biāo)值確定，需要充分搜集競(jìng)爭(zhēng)車型數(shù)據(jù)，涉及：車輛組成、利用率、設(shè)計(jì)使用壽命、計(jì)劃維修成本數(shù)據(jù)、故障維修成本數(shù)據(jù)等；出于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)角度考慮，新開發(fā)車型全壽命周期DMC目標(biāo)值應(yīng)比競(jìng)爭(zhēng)車型低10%～15%左右。

車輛服務(wù)可靠性目標(biāo)值綜合考慮市場(chǎng)要求、中斷費(fèi)用成本、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)三個(gè)方面。數(shù)據(jù)收集，從市場(chǎng)需求角度給出一個(gè)大致的服務(wù)可靠性要求，但還要從費(fèi)用和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)方面來綜合考慮，來確定整車服務(wù)可靠性目標(biāo)。以任務(wù)中斷成本為考核指標(biāo)確定服務(wù)可靠性。已知競(jìng)爭(zhēng)車型任務(wù)可靠度為95%，任務(wù)中斷費(fèi)用見表2，來確定新研制車型任務(wù)可靠度。

表2 任務(wù)中斷成本對(duì)比結(jié)果

圖1 軌道交通車輛全壽命周期檢修需求管理流程

通過對(duì)比分析，可知新研車型任務(wù)可靠度必須高于96.61%(即：160 000×(1- 95%)≥236 000×(1-新車型任務(wù)可靠度))時(shí)在成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

2.3 檢修需求指標(biāo)分配

檢修需求指標(biāo)分配目的是將檢修需求目標(biāo)分解至系統(tǒng)或部件級(jí)別，此過程需要與供應(yīng)商確認(rèn)，并將檢修需求分配值和檢修需求設(shè)計(jì)要求/準(zhǔn)則、詳細(xì)的工作計(jì)劃納入供應(yīng)商采購技術(shù)合同。

目前，DMC以及服務(wù)可靠性相關(guān)的檢修需求指標(biāo)分配方法已經(jīng)比較成熟。文獻(xiàn)[7]給出了DMC分配方法。當(dāng)只有一種競(jìng)爭(zhēng)車型DMC成本已知時(shí)，可按照競(jìng)爭(zhēng)車型成比例地進(jìn)行分配：

(1)

其中：i指第i個(gè)系統(tǒng)，DMCi-新指新開發(fā)車型第i系統(tǒng)的直接維修成本分配值，DMCi-競(jìng)爭(zhēng)指競(jìng)爭(zhēng)車型第i系統(tǒng)的DMC成本值，DMC新指新開發(fā)車型整車DMC值，DMC競(jìng)爭(zhēng)指競(jìng)爭(zhēng)車型整車DMC值。

服務(wù)可靠性分配同樣采用比例分配法(同公式1)，同時(shí)需要遵循以下幾條原則：

1)對(duì)于復(fù)雜度高的子系統(tǒng)、設(shè)備等，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。因?yàn)橄到y(tǒng)越復(fù)雜，其組成單元就越多，要達(dá)到高可靠性就越困難，并且費(fèi)用越高。

2)對(duì)于技術(shù)上不成熟的系統(tǒng)，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。對(duì)于這種產(chǎn)品提出高可靠性要求會(huì)延長(zhǎng)研制時(shí)間，增加研制費(fèi)用。

3)對(duì)于在惡劣環(huán)境條件下工作的系統(tǒng)，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。因?yàn)閻毫拥沫h(huán)境會(huì)增加系統(tǒng)的故障率。

4)對(duì)于需要長(zhǎng)期工作的系統(tǒng)，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。因?yàn)楫a(chǎn)品的可靠度隨著工作時(shí)間的增加而降低。

5)對(duì)于重要度高的產(chǎn)品，應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。因?yàn)橹匾雀叩南到y(tǒng)故障會(huì)影響行車安全或秩序。

6)對(duì)于已有可靠性指標(biāo)的貨架產(chǎn)品或技術(shù)成熟的系統(tǒng)，不再參與可靠性分配。同時(shí)，在進(jìn)行可靠性分配時(shí)，要從總指標(biāo)中剔除這些單元的可靠性指標(biāo)值。

2.4 檢修需求預(yù)計(jì)與控制

檢修需求預(yù)計(jì)與控制，隨著車輛設(shè)計(jì)深入，檢修需求由下至上進(jìn)行預(yù)計(jì)，從部件、系統(tǒng)向整車級(jí)別匯總，并與各層級(jí)分配指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)不符合分配要求的項(xiàng)點(diǎn)，給出設(shè)計(jì)更改措施，直至滿足整車的檢修需求目標(biāo)。

針對(duì)維修任務(wù)的預(yù)計(jì)是所有預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)，DMC維修任務(wù)預(yù)計(jì)采用如下方法計(jì)算：

DMC=F·Q·(H+M)

(2)

服務(wù)可靠性檢修需求指標(biāo)主要是任務(wù)中斷率，預(yù)計(jì)模型如下：

MIRC=QTYC×λC×F任務(wù)中斷×D運(yùn)行

(3)

其中：QTYC為車輛上某部件數(shù)量；λC為部件失效率；F任務(wù)中斷為任務(wù)中斷系數(shù)，表示部件可能引起車輛任務(wù)中斷的LRU的故障模式占部件故障模式的比例；D運(yùn)行為任務(wù)運(yùn)行載客階段平均運(yùn)行里程。

將分配指標(biāo)與預(yù)計(jì)值對(duì)比分析，當(dāng)預(yù)計(jì)值不滿足分配要求時(shí)，執(zhí)行根因分析，判斷是否設(shè)計(jì)更改，設(shè)計(jì)更改后需重新指標(biāo)預(yù)計(jì)。檢修需求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)途徑如圖2所示。

圖2 檢修需求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)途徑

2.5 檢修需求監(jiān)控與反饋

檢修需求監(jiān)控與反饋，指車輛投入使用后，搜集用戶運(yùn)維數(shù)據(jù)和高級(jí)修數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)檢修需求(直接維修成本和服務(wù)可靠性)，并與檢修需求擔(dān)保值對(duì)比，若不符合檢修需求擔(dān)保要求，則進(jìn)行根因分析[8]，改進(jìn)修程、工藝、車輛設(shè)計(jì)，并為用戶提供擔(dān)保與索賠服務(wù)，并總結(jié)既往經(jīng)驗(yàn)，在新車型研制過程中規(guī)避既往問題，形成閉環(huán)控制。以牽引電機(jī)SS傳感器出庫可靠性低為例，當(dāng)運(yùn)用過程中統(tǒng)計(jì)其任務(wù)可靠度超過分配指標(biāo)時(shí)，執(zhí)行根因分析，給出設(shè)計(jì)更改措施，如圖3所示。

圖3 牽引電機(jī)根因分析

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證全壽命周期檢修需求設(shè)計(jì)，開展了針對(duì)檢修需求指標(biāo)DMC的軌道交通車輛全壽命周期檢修需求設(shè)計(jì)。以新型軌道交通車輛CRH380A系列動(dòng)車組空調(diào)機(jī)組為例，空調(diào)機(jī)組DCM分配指標(biāo)為2 000元/萬公里，維修任務(wù)輸入數(shù)據(jù)來自以可靠性為中心的維修(RCM)的分析結(jié)果[9]。

依據(jù)DMC預(yù)計(jì)模型，獲得矩陣F、Q、H、M。

其中，頻次陣F為1行13列矩陣。

數(shù)量陣Q為13行13列矩陣，人工成本陣H為13行1列矩陣，材料成本陣M為13行1列矩陣。

將空調(diào)系統(tǒng)所有維修任務(wù)DMC匯總，計(jì)算結(jié)果為2 696.31元/萬公里。不符合分配要求(超出分配指標(biāo)2000元/萬公里，35%)，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。通過審查DMC成本構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)“空調(diào)機(jī)組檢查及清潔”成本為1 066.67元，占比最高為40%，開展根因分析。通過根因分析發(fā)現(xiàn)，該任務(wù)排水作業(yè)時(shí)，排水堵與車輛結(jié)構(gòu)干涉(如圖4所示)，需要拆卸底板后才能拆下排水堵，導(dǎo)致維修時(shí)間過長(zhǎng)，建議進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

依據(jù)圖2給出設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)途徑給出設(shè)計(jì)更改措施：通過提高可達(dá)性來降低排水作業(yè)時(shí)間，既有車輛增加結(jié)構(gòu)開口，新造車輛重新布置排水堵位置，解決可達(dá)性差問題。

圖4 空調(diào)排水堵與結(jié)構(gòu)干涉

經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)，該維修任務(wù)人工時(shí)由2小時(shí)降低至0.5小時(shí)，DMC由1 066.67降低至266.67元/萬公里，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)用過程預(yù)防性維修成本降低至1 896.31元/萬公里，滿足分配指標(biāo)要求，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化解決了維修性差“初始設(shè)計(jì)缺陷”問題，降低了車輛大批量投入使用后的車輛改型成本。

4 結(jié)束語

在軌道交通車輛設(shè)計(jì)早期，通過構(gòu)建合理的檢修需求指標(biāo)體系，將直接維修成本和服務(wù)可靠性納入車輛設(shè)計(jì)要求，隨著車輛設(shè)計(jì)深入，通過檢修需求預(yù)計(jì)與控制可發(fā)現(xiàn)車輛設(shè)計(jì)缺陷，避免了車輛交付后因改型造成的成本浪費(fèi)，提高了車輛設(shè)計(jì)水平。在車輛使用階段通過檢修需求監(jiān)控與反饋，持續(xù)改進(jìn)車輛設(shè)計(jì)，提升了車輛維修性、可用性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)全壽命周期檢修需求管理，對(duì)提高車輛市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和用戶滿意度具有重要意義。