城市軌道交通車輛檢修模式探討

藺 高，蔣 欣，王大奎

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

城市軌道（簡稱城軌）交通作為主要的城市交通制式，車輛的安全性、可靠性是乘客安心出行的必要條件。城軌車輛的使用年限一般是30 年，在此期間，為保證車輛的安全運營，需要對車輛進行合理、科學的檢查和維護，尤其是與安全相關的重要系統(tǒng)。為此，車輛生產商和地鐵運營商多年來一直探索科學合理的城軌車輛檢修模式，相關標準對此也有所規(guī)定。城軌車輛作為復雜的機電一體系統(tǒng)，子系統(tǒng)供應商眾多，運營環(huán)境迥異，給城軌車輛檢修模式的完善帶來了很多困難，但科技的進步，推動城軌車輛檢修模式不斷優(yōu)化，基于此，對城軌車輛檢修模式的現(xiàn)狀、優(yōu)化方式以及未來發(fā)展方向進行探討。

1 城軌車輛檢修現(xiàn)狀

1.1 相關標準要求

1.1.1 GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》

GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》由中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布，適用于最高運行速度不超過100 km/h、采用常規(guī)電機驅動列車的鋼輪鋼軌地鐵新建工程的設計。規(guī)范第27 章“車輛基地”中提出，車輛段建設和布置應滿足車輛檢修要求，車輛檢修宜采用日常維修和定期維修相結合的檢修制度，其中第27.2.3 章節(jié)規(guī)定新造地鐵工程的車輛檢修修程和檢修周期滿足表1 要求。

表1 車輛檢修修程和檢修周期（GB 50157—2013）

1.1.2 建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》

建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》由中華人民共和國建設部發(fā)布，適用于城市軌道交通的高運量、大運量、中運量、鋼輪鋼軌系統(tǒng)的新建工程項目。市域軌道交通、有軌電車、跨座式單軌等輪軌系統(tǒng)，既有線的改造、擴建工程可參照執(zhí)行。標準第8 章“車輛基地及配套工程”中提出，車輛基地應包含車輛段、綜合維修中心等設施，滿足車輛日常維修、定修和架修業(yè)務。其中第68 條規(guī)定車輛段的規(guī)模和設施應符合表2 要求。

表2 車輛檢修周期（建標104—2008）

1.2 城軌車輛修制現(xiàn)狀

1.2.1 北京地鐵

北京地鐵車輛主要由北京地鐵運營公司負責車輛的日常維護和檢修，車輛檢修周期按運營公司企業(yè)內部標準DB 11995—2013 執(zhí)行。車輛檢修范圍的制定以車輛運行安全性和可靠性為前提，重點對列車走行部件進行計劃性維修。檢修周期依據車輛運營公里數劃分，車輛用橡膠件按照運行75 萬公里更換，車輛經過3 次架修后進行返廠大修，大修后車輛達到新造標準，表3為北京地鐵運營公司執(zhí)行的車輛檢修周期。

表3 北京地鐵運營公司車輛檢修周期

1.2.2 京港地鐵

北京京港地鐵有限公司（以下簡稱京港地鐵）負責北京地鐵4 號、14 號、16 號線車輛的運營和維保，車輛修程制定基于港鐵車輛檢修模式，并根據北京地鐵車輛和運營需求進行針對性的維修。A、B 檢為車輛的日常維護和保養(yǎng)，維修任務在不同B 級檢修中均衡實施，C 檢為車輛架車檢修，車輛主要設備下車分解檢修，同時根據部件的維修周期，每個C 級檢修內容也不盡相同，軸箱軸承、橡膠部件的更換在C2 和C3 進行。表4 為京港地鐵執(zhí)行的車輛檢修周期。

表4 京港地鐵車輛維修周期

1.2.3 國內其他地鐵

上海、廣州、南京、成都、天津等地鐵公司車輛維護和檢修基本按照GB 50157—2013 標準執(zhí)行。各地鐵公司由于車輛配屬和運營組織的不同，日常維修周期各有差異，車輛的定期維修基本采用架大修模式，根據車輛制式和配置情況編制相應的修程。車輛經過架大修后基本滿足車輛新造時的技術指標。表5 是廣州地鐵車輛檢修周期表。

表5 廣州地鐵車輛檢修周期

1.2.4 CRH6F 型動車組

CRH6F 型城際動車組最高運行速度160 km/h，適用于城市群或城市之間市域交通運營。CRH6F 型城際動車組的修程由中國鐵路總公司組織編制，各動車組承修單位實施。車輛制式和運行條件與城市軌道交通類似，日常維修包括預防性維修和更正性維修，高級修為抬車關鍵部件分解檢修。表6 是鐵路總公司發(fā)布的CRH6F 型城際動車組修程建議稿。

表6 CRH6F 型動車組檢修周期（建議稿）

1.2.5 香港地鐵

香港地鐵（簡稱“港鐵”）為全球軌道行業(yè)最成功的地鐵運營商之一，具有豐富的車輛運維經驗。港鐵修程的制定采用以可靠性為中心的維修（RCM）理念，根據故障模式及影響分析（FMEA）將維修分為部件定期更新/注油潤滑、定期清潔、定期狀態(tài)檢查/測量/功能檢查三種類型，針對每個類別進行失效原因分析，制定相應的維修優(yōu)化方法。港鐵在車輛檢修時采用均衡修和計劃修相結合的檢修模式，車輛的日常維修（如A、B 檢）充分利用列車運行停運窗口時間，分散在幾個時段及不同場合進行。而高級修程采用計劃預防性模式，二線維修負責車輛的維修和調試，三線維修負責部件分解檢修和測試。表7 是港鐵車輛檢修周期表。

表7 港鐵車輛檢修周期（80 km/h 速度級列車）

1.2.6 圣保羅地鐵

巴西是目前最大的發(fā)展中國家之一，其中圣保羅作為南美第二大城市，城市軌道交通發(fā)展迅速。圣保羅地鐵面向全球車輛制造商采購，車輛制式多樣，但維修方式基本相同。地鐵運營商采用招標委托第三方檢修維護和檢修，車輛維修方借用業(yè)主場地、設備進行維護和檢修，保證合同要求的車輛可靠性指標和車輛上線率。車輛的修程由業(yè)主根據車輛制造商推薦和實際運營經驗確定，由車輛維修方實施。車輛檢修采用與國內相同的計劃預防修模式，檢修周期按照運營里程劃分（年運行約15 萬公里）。檢修過程中重點關注車輛走行部、高壓供電系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等關鍵系統(tǒng)的維修，其中制動系統(tǒng)全部委托克諾爾巴西公司返廠維修。表8 是圣保羅地鐵12 號線車輛檢修周期表，其中RF級檢修與國內架修類似，關鍵部件進行分解檢修和更換，RG 級檢修相當于國內大修，進行更大范圍的翻新和改造。

表8 圣保羅12 號線車輛檢修周期

2 檢修模式優(yōu)化

2.1 當前檢修模式存在的問題

當前檢修模式存在著2 個較為突出的問題：①產品欠修。相同車輛的檢修內容和檢修周期一樣，但由于運營環(huán)境的不同，造成產品失效機理不完全相同，相同的維修規(guī)程在不同線路上并不完全適用，存在部分裝置沒有得到良好的維護，在運營過程中故障頻發(fā)，影響車輛的可用性和客戶使用的舒適性；②產品過修，這是當前檢修模式下更為常見的現(xiàn)象，尤其是很多本身成本較高的產品，更換時發(fā)現(xiàn)其狀態(tài)良好，未有任何失效征兆。這些過修活動不一定能改善產品的可靠性，還會造成大量的人力、物力的浪費，增加產品全壽命周期費用。近年來，不同的地鐵運營方和主機廠已經基于數據積累和維護經驗在不斷調整檢修范圍和檢修時間間隔，但軌道車輛是一個復雜的大系統(tǒng)，部件眾多，應用條件復雜，需要有科學合理的方式輔助檢修模式的優(yōu)化。

2.2 城軌檢修優(yōu)化方法

以可靠性為中心的維修（RCM）是優(yōu)化城軌車輛檢修模式的分析方法之一。RCM 源于19 世紀60 年代，美國聯(lián)邦航空局（ATA）成立了“維修指導小組（MSG）”，專門對飛機的維修工作進行研究，經研究證明定期大修對飛機并不適用，從而發(fā)展起來了RCM 方法。經統(tǒng)計，復雜系統(tǒng)的部件失效規(guī)律可以分為以下6 種（圖1）：

圖1 6 種失效規(guī)律

圖1 中6 種失效規(guī)律可分為兩類，a，b，c 三種部件失效率會隨著使用時間的延長呈上升趨勢；d，e，f 三種部件的失效率不會隨著使用時間的延長而明顯上升。前者多見于有疲勞磨損失效模式的部件，定期拆修和定期更換能夠有效降低產品失效率、提高可靠性；后者多見于電子產品部件，沒有明顯的疲勞耗損階段，定期更換不一定對可靠性的提升有效。RCM 正是通過對各部件故障規(guī)律的摸索確定最佳的檢修模式。

RCM 分析分為定性分析和定量分析，定性分析就是根據故障模式的特點判定其適用的維修方式，而定量分析就是在定性分析的基礎上，為每項維修工作確定適當的維修間隔。開展RCM 過程中可借助數理統(tǒng)計工具，優(yōu)化維修規(guī)程。

2.3 工程應用案例

以城軌車輛齒輪箱故障數據為例，對維修方式和維修間隔期的確定進行說明。

某列車24 個齒輪箱輸出軸軸承自投入運營后的首次失效時間統(tǒng)計如下，截至統(tǒng)計日期，總計發(fā)生了7 個失效，各軸承失效時的里程數見表9（該例僅用于說明方法，不代表真實情況）。

對表9 中的數據進行威布爾分布（Weibull）擬合（威布爾分布也稱為萬用分布，其形狀參數不同失效率曲線也不同），得到該分布的形狀參數β 為2.156，尺度參數θ 為4 143 671 km，由此可知該軸承當前主要的失效機理為耗損型失效，針對該模式應介入適當的預防維修，減少未來一段時間內失效率持續(xù)上升的情況。

表9 軸承首次失效前里程

軸承失效率和可靠度隨時間的變化如圖2、圖3 所示。

圖2 軸承失效率隨時間變化曲線

圖3 軸承可靠度隨時間變化曲線

由圖2 可知，齒輪箱軸承的失效率隨運行里程的增加逐漸增大，符合形狀參數β 大于1 的特點。此外，經計算，可以得到該齒輪箱軸承的MTTF（Mean Time to Failure，平均失效前時間）為3 312 365 km，計算過程如下：

式中 θ——Weibull 分布的尺度參數

β——Weibull 分布的形狀參數

Γ()——gamma 函數

假設該齒輪箱軸承的最低容許失效率為0.2FPMK，其預防維修的上限值為1 812 000 km，即車輛運行里程數小于1 812 000 km 時就需要對齒輪箱軸承進行統(tǒng)一更換，以滿足要求的最低失效率。計算過程如下：

式中 Tpm——預防維修上限值，km

λ——最低允許失效率

通過上述示例可知，RCM 分析是進行檢修模式優(yōu)化的有效方法之一，實際優(yōu)化時還需要充分考慮運維成本需求，與現(xiàn)有檢修間隔期統(tǒng)籌規(guī)劃，最終確定科學合理的檢修模式。

3 城軌檢修發(fā)展模式

（1）維修模式向均衡修轉變。均衡修是根據車輛維修任務的類型和特點，將檢修任務均衡為不同的檢修時期和場合，對維修任務進行分散和統(tǒng)一管理，集中優(yōu)勢資源，提升產品檢修質量，同時提升上線率。港鐵在B 級檢修已采用均衡修模式。

（2）計劃修向狀態(tài)修轉變。利用傳感器技術、物聯(lián)網技術、移動通信技術等，通過車載和軌旁設備對車輛關鍵系統(tǒng)部件進行實時監(jiān)控和數據傳輸，實現(xiàn)故障預警，從計劃修向狀態(tài)修轉變。香港地鐵目前采用的軸溫檢測裝置RFID、熱軸檢測裝置HABD、車輛振動檢測裝置FBG、受電弓、閘瓦監(jiān)視裝置都是通過在線檢測方式進行故障提前預警，以提高車輛運行可靠性。

（3）傳統(tǒng)維修向智能化維修轉變。利用云計算、大數據技術建立全生命周期數據庫，通過傳感器技術對車輛狀態(tài)進行感知，實現(xiàn)車輛運行狀態(tài)自主分析，對運營故障進行遠程診斷、修復和旁路作業(yè)。上海地鐵從2016 年開始研究智能運維系統(tǒng)，檢測相關尺寸和使用狀態(tài)，轉向架、受電弓、車門電機等系統(tǒng)在線監(jiān)測繼電器的吸合次數，使用軌旁檢測設備檢查車輛狀態(tài)，從而由傳統(tǒng)的車間現(xiàn)場檢修向辦公室遠程檢修轉變。

4 結束語

隨著城市軌道交通的發(fā)展，車輛運營維護和保養(yǎng)工作受到越來越多的關注。通過科學的分析方法，明確各系統(tǒng)合適的維修方式，利用新技術收集必要的數據，在此基礎上提出經濟有效的城軌車輛檢修模式，既能保證列車的可靠性和投運率，同時也節(jié)省資源，提高工作效率。