基于GO-FLOW 方法的轉(zhuǎn)轍機(jī)部件預(yù)防性維修策略研究

廖理明，王 鑫，林金強(qiáng)，江 磊，王小敏

（1. 成都軌道交通集團(tuán)有限公司，成都 610058；2. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

作為軌道交通道岔轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備，轉(zhuǎn)轍機(jī)能否安全、可靠地運行直接影響列車運行效率和行車安全[1]。轉(zhuǎn)轍機(jī)部件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且因安裝在室外，易受各種因素影響，設(shè)備故障率較高。因此，制定切實可行的維修策略，保證轉(zhuǎn)轍機(jī)的安全可靠尤為重要。

近年來，針對鐵路信號設(shè)備特點，基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷方法已取得一些成果[2-4]。劉大偉等人[5]提出建立鐵路智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備故障提前預(yù)警，支持設(shè)備“故障修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變；伏玉明等人[6]提出采用模糊綜合評判法來評估轉(zhuǎn)轍機(jī)的健康狀況，綜合考慮各種不確定影響因素，但并未進(jìn)一步研究確定維修策略；王寧等人[7]采用隱半馬爾可夫模型對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)識別和故障預(yù)測，需要積累大量歷史數(shù)據(jù)，且僅適用于結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備；有學(xué)者提出健康管理技術(shù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測設(shè)備部件壽命，實現(xiàn)部件預(yù)防性維護(hù)[8-9]。這些方法僅對設(shè)備各個部件進(jìn)行狀態(tài)檢測和預(yù)測，未考慮部件間復(fù)雜相關(guān)性。

目前，鐵路轉(zhuǎn)轍機(jī)部件的預(yù)防性維修采用較為粗放的固定維修間隔，由此帶來的過度維修一方面造成維修資源浪費，同時還可能因潛在人為失誤造成設(shè)備故障，引發(fā)安全事故。本文提出一種基于GOFLOW 方法的轉(zhuǎn)轍機(jī)部件預(yù)防修策略，以轉(zhuǎn)轍機(jī)整體可靠性為核心，對其部件可靠性變化進(jìn)行定量分析，依據(jù)部件可靠度變化規(guī)律，確定合理的轉(zhuǎn)轍機(jī)部件維修間隔。

1 GO-FLOW 方法的原理介紹和分析步驟

20 世紀(jì)80年代，日本學(xué)者Takeshi Matsuoka 和Michiyuki Kobayashi 在GO 方法[10]的基礎(chǔ)上提出GOFLOW 方法[11-12]。GO-FLOW 方法是一種設(shè)備可靠性分析方法，采用圖形演繹方式，根據(jù)設(shè)備內(nèi)部信號流分析計算設(shè)備的失效概率。

1.1 GO-FLOW 方法的特點

（1）GO-FLOW 方法以成功為導(dǎo)向構(gòu)建設(shè)備模型，主要用于分析狀態(tài)隨時間變化或具有復(fù)雜運行時序的系統(tǒng)的失效概率。

（2）GO-FLOW 方法通過分析設(shè)備組成結(jié)構(gòu)和工作原理，選擇相應(yīng)的操作符，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖轉(zhuǎn)換為GO-FLOW 模型圖，基于操作符計算規(guī)則，進(jìn)行設(shè)備可靠度的定量計算和定性分析，實現(xiàn)設(shè)備可靠性評價。

（3）GO-FLOW 定義了14 種操作符，構(gòu)建的模型圖與所研究設(shè)備的物理部件一一對應(yīng)，可清晰地反映設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)，便于對照設(shè)備構(gòu)造進(jìn)行模型核查。

1.2 GO-FLOW 方法的分析流程

GO-FLOW 模型主要包含3 類要素：信號流、時間點和操作符。GO-FLOW 方法的分析流程劃分為GO-FLOW 圖構(gòu)建和GO-FLOW 程序運算2個階段，如圖1 所示。

圖1 GO-FLOW 方法的分析流程

2 基于GO-FLOW 方法的轉(zhuǎn)轍機(jī)建模與可靠性分析

以S700K 型轉(zhuǎn)轍機(jī)為研究對象，系統(tǒng)主要由三相電動機(jī)、齒輪組、摩擦連接器、滾珠絲桿、保持連接器、動作桿、檢測桿、鎖閉塊和鎖舌及速動開關(guān)組9個部件組成[9]，工作流程如圖2 所示；部件間聯(lián)系緊密，任何部件發(fā)生故障均會造成轉(zhuǎn)轍機(jī)無法正常工作。

圖2 S700K 轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作流程

以轉(zhuǎn)轍機(jī)正常工作為成功導(dǎo)向準(zhǔn)則，根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作流程建立GO-FLOW 模型，信號流方向與轉(zhuǎn)轍機(jī)工作流程一致，部件的可靠度用信號流強(qiáng)度表示。信號流強(qiáng)度越高，表明部件的可靠性越好，反之亦然。

2.1 GO-FLOW 操作符選擇和運算規(guī)則

GO-FLOW 定義了14 種操作符，轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)使用其中的3 種類型操作符，如圖3 所示?；谵D(zhuǎn)轍機(jī)的組成結(jié)構(gòu)與工作原理，選擇操作符21（兩狀態(tài)部件）代替轉(zhuǎn)轍機(jī)的9個部件，選擇操作符25（信號發(fā)生器）作為輸入信號和輸入時間點；鑒于部件在使用中可靠度會發(fā)生變化，選擇操作符35（隨時間失效的工作部件），模擬部件可靠性變化。

圖3 選用的3 種類型GO-FLOW 操作符

以S(t)、K、R(t)分別表示t時刻操作符的輸入信號強(qiáng)度、正常工作概率和輸出信號強(qiáng)度，則操作符的運算規(guī)則如下：

（1）兩狀態(tài)部件類型21 操作符的輸出信號強(qiáng)度為：

（2）信號發(fā)生器部件類型25 操作符的輸出信號強(qiáng)度為：

（3）對于隨時間失效部件類型35，K表示部件的失效率，其輸入信號t是時變單元，由于失效率隨時間累加不斷變大，所以輸出信號強(qiáng)度會不斷減小，其輸出信號強(qiáng)度為：

2.2 基于GO-FLOW 操作符的部件等效模塊設(shè)計示例

如圖4 所示，操作符A 為轉(zhuǎn)轍機(jī)電動機(jī)部件的等效模塊，操作符中水平線上方表示符號類型，下方為對應(yīng)編號，左邊輸入連接上一模塊的輸出，右邊A 表示當(dāng)前模塊的輸出RA；符號25 表示電動機(jī)部件已工作時間tA1，符號21 表示電動機(jī)部件能夠正常工作的概率KA2，符號35 表示部件的失效概率KA3。按式（1） ～ （3），該模塊的輸出信號強(qiáng)度為：

圖4 轉(zhuǎn)轍機(jī)電動機(jī)部件的GO-FLOW 等效模塊

2.3 基于GO-FLOW 方法的轉(zhuǎn)轍機(jī)建模

采用A、B、C、D、E、F、G、H 和I 分表代表轉(zhuǎn)轍機(jī)的9個部件，編號S1 表示輸入設(shè)備，S 為輸入信號強(qiáng)度，R 為轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出信號強(qiáng)度，構(gòu)建如圖5 所示的GO-FLOW 模型。由式（4）可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)轍機(jī)t 時刻的輸出信號強(qiáng)度為：

其中，S(t)表 示輸入信號，Ki2表示部件的正常工作概率；Ki3表示部件隨時間變化的失效概率；ti1表示部件的已工作時間。

圖5 基于GO-FLOW 的轉(zhuǎn)轍機(jī)模型

3 轉(zhuǎn)轍機(jī)部件預(yù)防性維修策略

根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)的使用步驟，定義3個時間點：時間點t=0為準(zhǔn)備態(tài)，即轉(zhuǎn)轍機(jī)還未投入使用；時間點t=1為初始態(tài)，即轉(zhuǎn)轍機(jī)正式投入使用中；時間點t=τ為部件維修態(tài)，即轉(zhuǎn)轍機(jī)處于不可靠狀態(tài)，極可能發(fā)生故障。

定義設(shè)備整體的可靠度下降 σ時，處于維修狀態(tài)，則由式（5）可推導(dǎo)得出：

其中，R(1) 是設(shè)備剛投入使用時的可靠度；ti1為部件已工作的時間；Ki3表示部件隨時間變化的失效概率；t為待求的部件現(xiàn)階段工作時間。

當(dāng)部件工作一段時間后，其正常工作的概率會降低，假設(shè)每個子模塊的輸入信號強(qiáng)度均為1（完全可靠），則由式（4）可以推導(dǎo)得到模塊可靠度變化為：

3.1 部件維修間隔的計算流程

按時間點的劃分，當(dāng)t=1時表示轉(zhuǎn)轍機(jī)正式投入使用，故令開始時間t=1。轉(zhuǎn)轍機(jī)正式使用后部件維修建立過程如圖6 所示，主要步驟如下。

圖6 部件維修間隔的計算流程

（ 2） 按 式（ 5） 計 算 部 件 的R(t)， 如R(1)–R(t)<σ，則更新時間t；否則按式（6）計算部件的工作時間t，并更新部件i的使用時間判斷如果大于8年，則結(jié)束流程，否則轉(zhuǎn)步驟（3）；

（3）按式（7）計算每個部件此時的可靠度變化率，找出變化率較大的部件 ?i，該部件即為維修部件；記錄時間點和該部件的（如部件A，時間點1，記為維修后令該部件的若多個部件的變化率相近，允許同時維修多個部件，維修后將多個部件的工作時間均設(shè)為0。判斷是否出現(xiàn)i∈{A,B,···,I}，即所有的部件同時維修，如果是，則轉(zhuǎn)步驟（4），否則更新i和j并轉(zhuǎn)步驟 （2）；

（4）當(dāng)所有部件都完成維修后，系統(tǒng)恢復(fù)到初始使用狀態(tài)，此時不再執(zhí)行流程，維修的部件和時間間隔按∈(A,B,···,I),j∈(1,2,···,n))中存儲的數(shù)據(jù)執(zhí)行，流程結(jié)束。

3.2 轉(zhuǎn)轍機(jī)部件維修的時間間隔計算

假設(shè)轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸入信號強(qiáng)度恒為1（完全可靠），設(shè)置閾值 σ=0.1（即設(shè)備可靠度下降10%，處于不安全狀態(tài)，該值可視不同情形設(shè)置）；參考相關(guān)文獻(xiàn)[13]，結(jié)合實際統(tǒng)計設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)模型的參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)轍機(jī)模型參數(shù)

采用Matlab 軟件完成計算，利用表1 中的數(shù)據(jù)，按3.1 小節(jié)中給出的相關(guān)算法計算轉(zhuǎn)轍機(jī)投入使用后部件可靠度的變化和維修時間間隔，轉(zhuǎn)轍機(jī)部件可靠度的變化見表2。

表2 轉(zhuǎn)轍機(jī)部件可靠度的變化

表2 中，第1 列為轉(zhuǎn)轍機(jī)服役時間，表中帶“*”號的數(shù)據(jù)項表示轉(zhuǎn)轍機(jī)在某一服役時間段需要維修的部件。假設(shè)一個部件在維修后，其正常工作概率可恢復(fù)到初始態(tài)，即該部件已工作時間恢復(fù)為0。以第2 行部件A 的可靠度變化量“*2.06”為例，表示部件A 再繼續(xù)工作3750 h（由9760-6010 得到）后，其可靠度下降2.06%；同理，第2 行部件C 的可靠度變化量為0.64，表明部件C 在工作9760 h 后，其可靠度下降0.64%；在第2 行中，部件A 和部件B 的可靠度變化較大且相近，成為導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生故障的主要因素，需對其進(jìn)行維修。表2 中的最后1 行，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作20710 h 后，除了部件G 和I，其它部件的可靠度變化率相近，表明應(yīng)對轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行全面維修，將所有部件恢復(fù)至剛投入使用時的狀態(tài)。轉(zhuǎn)轍機(jī)的整體可靠度及其部件維修間隔見表3。

表3 轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備整體可靠度和部件維修間隔

表3 中，第1 列為轉(zhuǎn)轍機(jī)的維修時間，括號內(nèi)的時間是前后2 次維修之間的時間間隔；第2 列是設(shè)備整體可靠度；第3 列是某一時刻需要維修的部件。當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作時間超過20710 h 時，由于所有部件均恢復(fù)到初始狀態(tài)，后期的維修策略將依據(jù)表3 循環(huán)執(zhí)行。

由此可見，轉(zhuǎn)轍機(jī)的維修時間間隔依次為：6010 h，3750 h，2300 h，······，2500 h；維修時間間隔是一個變化量，且每次維修部件均不同，較好地解決了轉(zhuǎn)轍機(jī)以往預(yù)防性維修中固定維修時間間隔所造成的“過維修”問題，可節(jié)約維修資源。采取上述分析方法，可知電動機(jī)和齒輪組維修相對頻繁，通過實際故障統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)和齒輪組故障率較高，從另一個方面也驗證了本文方法的可行性。

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)轍機(jī)在使用過程中其可靠性會不斷下降，目前固定部件維修時間間隔的預(yù)防性維修方案在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面都不太合理。本文根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作流程，建立基于GO-FLOW 方法的系統(tǒng)可靠性分析模型，對轉(zhuǎn)轍機(jī)部件的可靠度進(jìn)行定量分析；以轉(zhuǎn)轍機(jī)整體可靠性為約束，分析識別可靠度顯著降低的部件，據(jù)此制定維修時間間隔變化的轉(zhuǎn)轍機(jī)部件預(yù)防性維修方案，以實施針對性維修，更好地平衡維修的經(jīng)濟(jì)性和安全性。