基于多維故障演變規(guī)律研究動(dòng)車組關(guān)鍵系統(tǒng)修程修制優(yōu)化

田光榮， 付政波， 于衛(wèi)東， 陳振虹， 陸航， 肖齊， 李方烜

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 機(jī)輛部，北京 100844；3. 中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣州動(dòng)車段，廣東 廣州 510088）

1 概述

通過(guò)不斷自主創(chuàng)新，我國(guó)逐步形成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、適合我國(guó)運(yùn)輸需求的高速動(dòng)車組運(yùn)用和維修基本模式，并建立了較為科學(xué)完善的動(dòng)車組成套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)具有大運(yùn)量、高速度、高密度等特點(diǎn)，截至2019年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)3.5 萬(wàn)km，動(dòng)車組保有量超過(guò)3 500 標(biāo)準(zhǔn)組，單日開行動(dòng)車組最多超過(guò)6 000 列次。全路動(dòng)車組保有量和年均走行里程年度變化趨勢(shì)示意見圖1。如何保證不同技術(shù)平臺(tái)、不同速度等級(jí)、不同運(yùn)用環(huán)境的動(dòng)車組在服役周期內(nèi)的安全狀態(tài)成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。

基于我國(guó)動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)10年來(lái)產(chǎn)生的行車設(shè)備類故障數(shù)據(jù)，從時(shí)間、里程、高級(jí)修周期等不同維度研究動(dòng)車組及關(guān)鍵系統(tǒng)的故障演變規(guī)律，在揭示動(dòng)車組服役性能演變的基礎(chǔ)上，為動(dòng)車組修程修制優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 動(dòng)車組保有量及年均走行里程年度變化趨勢(shì)示意圖

2 我國(guó)動(dòng)車組修程修制現(xiàn)狀

合理的運(yùn)用和維修策略是保障動(dòng)車組運(yùn)行安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括維修標(biāo)準(zhǔn)、方式、周期、內(nèi)容等。動(dòng)車組關(guān)鍵系統(tǒng)或部件的狀態(tài)直接決定著動(dòng)車組的運(yùn)行安全性和乘坐舒適性。因此，通過(guò)設(shè)置科學(xué)的修程修制，既能有效從系統(tǒng)或部件的健康狀態(tài)層面保障動(dòng)車組運(yùn)行安全，又能為降低運(yùn)維成本提供支撐。對(duì)于修程修制的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循正向設(shè)計(jì)原則，從設(shè)計(jì)研發(fā)階段開始，依據(jù)相關(guān)維修思想和理論，并以可靠性為中心，按照全生命周期費(fèi)用最優(yōu)的原則展開。通常采用仿真或試驗(yàn)等方法獲取部件的壽命，但實(shí)踐分析表明：不論系統(tǒng)還是部件，其服役性能的演變較為復(fù)雜，受多種影響因素的復(fù)合作用，運(yùn)用環(huán)境或執(zhí)行程序的差異均會(huì)導(dǎo)致其偏離“理論值”。因此，如何充分利用服役期內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)修正或指導(dǎo)系統(tǒng)或部件的修程修制設(shè)置十分關(guān)鍵。

目前，我國(guó)動(dòng)車組主要實(shí)行計(jì)劃性預(yù)防修檢修體制［1］，該體制針對(duì)動(dòng)車組結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)、運(yùn)用維修需求，以現(xiàn)代維修理論為指導(dǎo)，按照計(jì)劃預(yù)防修為主的原則，制定了動(dòng)車組一至五級(jí)修程，采用“以走行公里為主，時(shí)間周期為輔”的檢修模式［2-8］。運(yùn)用實(shí)踐表明：該體制在保障運(yùn)用動(dòng)車組的技術(shù)狀態(tài)良好方面發(fā)揮了積極作用，但也存在部分部件過(guò)度維修及總維修成本偏高等不足，總體上偏于謹(jǐn)慎，存在一定優(yōu)化空間［2，5］。傳統(tǒng)計(jì)劃性預(yù)防修制度已不能很好滿足我國(guó)高速鐵路高質(zhì)量發(fā)展需求。此外，鑒于前期對(duì)動(dòng)車組相關(guān)系統(tǒng)或部件實(shí)際性能演變規(guī)律的認(rèn)知及運(yùn)用維修經(jīng)驗(yàn)的積累和提取均處于不斷累積過(guò)程中，因此有必要、也有條件在充分挖掘動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)及性能演變規(guī)律基礎(chǔ)上，通過(guò)多維度分析研究，全面揭示動(dòng)車組系統(tǒng)或部件服役周期內(nèi)性能變化趨勢(shì)，通過(guò)關(guān)聯(lián)修程設(shè)置，為逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性預(yù)防修向數(shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修轉(zhuǎn)變提供參考。為此，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）機(jī)輛部在組織推進(jìn)動(dòng)車組修程修制改革的指導(dǎo)意見中也明確了檢修周期、檢修標(biāo)準(zhǔn)和檢修范圍等優(yōu)化方向［9］。

3 動(dòng)車組修程修制優(yōu)化探索

3.1 多維度故障演變規(guī)律分析

受限于結(jié)構(gòu)本身的可靠性問題，動(dòng)車組系統(tǒng)或部件在服役期內(nèi)隨著運(yùn)用時(shí)間或里程的增加，會(huì)產(chǎn)生性能劣化，影響行車安全。動(dòng)車組的維修目的是使系統(tǒng)或部件恢復(fù)其初始的設(shè)計(jì)功能或狀態(tài)，其關(guān)鍵在于何時(shí)修、修什么，要做到精確施控就必須科學(xué)掌握系統(tǒng)或部件在全生命周期內(nèi)的服役性能演變規(guī)律，同時(shí)梳理出不同故障的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其影響范疇，在全面揭示故障演變規(guī)律的基礎(chǔ)上提出合理的維修決策［2，7，9-16］。因此，在分析故障演變規(guī)律時(shí)需綜合考慮不同維度，如運(yùn)行時(shí)間、走行里程、技術(shù)平臺(tái)、檢修周期、運(yùn)用環(huán)境等。截至2019年底，保有動(dòng)車組中累計(jì)走行里程大于300 萬(wàn)km 的占比約37%，其中600 萬(wàn)km 以上的占比超過(guò)10%。且較大范圍內(nèi)的樣本動(dòng)車組經(jīng)歷了四級(jí)修及以上高級(jí)修程，因此主要關(guān)聯(lián)分析高級(jí)修程維度。分析的樣本源為我國(guó)高速鐵路2008—2019年的動(dòng)車組行車設(shè)備類故障數(shù)據(jù)。為了便于樣本聚類分析，同時(shí)在一定程度上兼顧技術(shù)平臺(tái)和速度級(jí)的影響，通過(guò)速度級(jí)和高級(jí)修程的不同設(shè)置自定義了4個(gè)類別（見表1，其中A＜B、L＜H）。

表1 自定義類別劃分

根據(jù)上述方法，收集定責(zé)為車輛責(zé)任的動(dòng)車組事故樣本和故障樣本。為了避免樣本的隨機(jī)誤差及聚類分析高級(jí)修程，統(tǒng)計(jì)時(shí)排除尚未進(jìn)行下一高級(jí)修程的故障樣本（為了便于在同一個(gè)走行里程條件下比較，將三級(jí)修里程A萬(wàn)km的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)換算到B萬(wàn)km）。

動(dòng)車組故障率演變趨勢(shì)示意見圖2，可以看出，故障率演變趨勢(shì)總體上屬于收斂，且從2012年左右開始呈下降趨勢(shì)，并趨于穩(wěn)定，整體安全態(tài)勢(shì)可控。這主要得益于運(yùn)用、檢修水平和經(jīng)驗(yàn)的提高，使得運(yùn)維質(zhì)量穩(wěn)步提升，同時(shí)國(guó)鐵集團(tuán)組織鐵路局集團(tuán)公司和主機(jī)企業(yè)開展了針對(duì)性的源頭質(zhì)量整治工作，綜合各種措施使得我國(guó)動(dòng)車組整體安全態(tài)勢(shì)趨于穩(wěn)定和健康。動(dòng)車組故障率演變過(guò)程中，在2010年出現(xiàn)峰值，主要原因在于當(dāng)年部分車型在部分高鐵線路的較大規(guī)模開行，其行車設(shè)備故障約占當(dāng)年全路設(shè)備故障的60%以上。目前的動(dòng)車組故障率相比于其高點(diǎn)的下降幅度最高達(dá)90%。通過(guò)整治，消除了一批影響行車安全和運(yùn)輸秩序的隱患問題，裝備技術(shù)水平得到顯著提升。進(jìn)一步分析事故原因可知，配件質(zhì)量問題在源頭設(shè)計(jì)、配件質(zhì)量、作業(yè)質(zhì)量及處理程序等4類主導(dǎo)因素中占比最大（超過(guò)50%），主要是傳感器問題。隨著源頭質(zhì)量整治等專項(xiàng)工作的開展，其影響趨勢(shì)也逐步下降并收斂。

圖2 動(dòng)車組故障率演變趨勢(shì)示意圖

動(dòng)車組關(guān)鍵系統(tǒng)車輛責(zé)任故障占比情況見圖3，可以看出，故障較多發(fā)于網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控、轉(zhuǎn)向架及其輔助、主供電、供風(fēng)制動(dòng)系統(tǒng)，且此類故障發(fā)生后，在運(yùn)用環(huán)節(jié)往往較難進(jìn)行有效處置，從而導(dǎo)致限速、換車等情況。因此，需進(jìn)一步優(yōu)化和完善故障應(yīng)急處置方案，提高故障處理效率，特別是某些慣性故障問題，更需優(yōu)化。

圖3 動(dòng)車組關(guān)鍵系統(tǒng)車輛責(zé)任故障占比情況

此外，不同自定義類別之間因技術(shù)特性、檢修周期、速度等級(jí)和使用環(huán)境等因素的差異會(huì)引起整體服役性能的不同。因此可在制定對(duì)應(yīng)運(yùn)用和維修策略時(shí)將其充分納入為影響因子。以車輪鏇修為例，可參照如下示意策略執(zhí)行：

式中：α修正系數(shù)可依據(jù)運(yùn)行速度等級(jí)、運(yùn)行線路（反映使用環(huán)境）、歷史檢修數(shù)據(jù)等因素動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2 動(dòng)車組故障與高級(jí)修程關(guān)聯(lián)分析

從時(shí)間（里程）、技術(shù)類別等維度分析了整體和關(guān)鍵系統(tǒng)的故障演變規(guī)律，可知總體上故障演變趨勢(shì)趨于收斂，安全態(tài)勢(shì)可控。針對(duì)自定義平臺(tái)或某關(guān)鍵系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)至高級(jí)修程，以期為優(yōu)化修程修制提供數(shù)據(jù)支撐。以圖3中故障占比較大的關(guān)鍵系統(tǒng)之一為例（以“Z 系統(tǒng)”代稱），其故障率隨檢修周期變化趨勢(shì)見圖4（圖中兩標(biāo)記點(diǎn)間的連線不代表故障率的實(shí)際變化軌跡）。

圖4 “Z系統(tǒng)”故障率隨檢修周期變化趨勢(shì)

（1）從總體上看，故障率呈下降趨勢(shì)，合理的修程設(shè)置降低了故障的發(fā)生概率，但總體下降趨勢(shì)趨緩，初步分析其反映出了系統(tǒng)或部件本身的疲勞可靠性問題；

（2）總體上，高級(jí)修間隔周期為A萬(wàn)km的動(dòng)車組，其故障率整體明顯低于高級(jí)修間隔周期為B萬(wàn)km 的動(dòng)車組，即在更短周期內(nèi)施修可以更好地恢復(fù)系統(tǒng)或部件狀態(tài)，降低故障率；此外，短高級(jí)檢修周期的動(dòng)車組，其在不同檢修周期內(nèi)故障率的變化幅度明顯小于長(zhǎng)檢修周期動(dòng)車組，原因主要在于技術(shù)平臺(tái)的差異。

目前，“Z 系統(tǒng)”的維修主要依靠日常檢查、定期檢測(cè)、定期維修和定期更換等預(yù)防性維修策略，檢修周期的長(zhǎng)短則取決于設(shè)計(jì)、工藝、材料、環(huán)境及維修措施等。除典型耗損型產(chǎn)品外，很多產(chǎn)品的壽命曲線不一定遵從“浴盆曲線”，故需以實(shí)際運(yùn)維需求為導(dǎo)向，從設(shè)計(jì)階段開始充分兼顧維修周期的合理性，以理論設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用不同高級(jí)修周期內(nèi)故障變化趨勢(shì)進(jìn)行修正，再考慮“因地制宜”問題，即同一車型在不同使用環(huán)境下需根據(jù)設(shè)計(jì)周期，通過(guò)實(shí)際周期的修正系數(shù)和環(huán)境修正系數(shù)調(diào)整為不同的可執(zhí)行策略。

3.3 動(dòng)車組高級(jí)修程優(yōu)化探討

從時(shí)間維度看，10年來(lái)全路動(dòng)車組事故率和故障率隨年度變化趨勢(shì)的相關(guān)系數(shù)為0.59，其中因事故的絕對(duì)數(shù)量相比故障數(shù)更少，故其波動(dòng)性較大，但二者的總體變化趨勢(shì)基本一致，即2010年開始整體呈下降趨勢(shì)，并趨于收斂。從高級(jí)修周期維度看，事故率和故障率的相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.82，即總體上以固定修程（即走行公里）為綱，事故率和故障率具有更好的相關(guān)性。同理得到前述4個(gè)自定義類別動(dòng)車組在不同統(tǒng)計(jì)維度條件下事故率和故障率的關(guān)聯(lián)性（見圖5）。可知自定義類別3動(dòng)車組按照時(shí)間維度和高級(jí)修維度分別統(tǒng)計(jì)時(shí)二者關(guān)聯(lián)系數(shù)相差最大，從側(cè)面反映出該平臺(tái)動(dòng)車組高級(jí)修對(duì)于故障事故的轉(zhuǎn)化關(guān)系影響最大。同時(shí)，自定義類別2 動(dòng)車組事故和故障關(guān)聯(lián)系數(shù)在2 個(gè)統(tǒng)計(jì)維度條件下均相對(duì)較高，因此可在后續(xù)修程修制優(yōu)化過(guò)程中予以重點(diǎn)關(guān)注，通過(guò)優(yōu)化設(shè)置降低故障率，進(jìn)而避免或減少事故的發(fā)生，提高安全保障裕度。

對(duì)于“Z 系統(tǒng)”，其事故率和故障率與高級(jí)修程的相關(guān)性見圖6，二者的相關(guān)系數(shù)為0.47，且故障率隨高級(jí)修周期延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)的同時(shí)，事故率在120 萬(wàn)～240 萬(wàn)km 區(qū)間有增大趨勢(shì)，初步分析認(rèn)為事故率的上升主要是一些偶發(fā)性因素所導(dǎo)致，而非該系統(tǒng)的慣性故障所引起。

圖5 不同類別動(dòng)車組事故率和故障率關(guān)聯(lián)系數(shù)比較

圖6 “Z系統(tǒng)”事故率和故障率與高級(jí)修程的相關(guān)性

相關(guān)自定義為：故障事故轉(zhuǎn)化率=事故數(shù)/故障數(shù)，目的是從統(tǒng)計(jì)意義上分析二者的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從具體的故障演變及轉(zhuǎn)化概率研究修程修制優(yōu)化的可行性。不同速度等級(jí)和高級(jí)修周期的動(dòng)車組故障率及故障事故轉(zhuǎn)化率對(duì)比見表2，其中以高級(jí)修周期A的相關(guān)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算得到高級(jí)修周期B條件下對(duì)應(yīng)指標(biāo)與其的倍數(shù)關(guān)系。

表2 不同速度等級(jí)和高級(jí)修周期的動(dòng)車組故障率及故障事故轉(zhuǎn)化率對(duì)比

由表2可知，同速度等級(jí)條件下，更長(zhǎng)高級(jí)修周期（B）的動(dòng)車組平均故障率為較短周期（A）動(dòng)車組的約3.0 倍，一定程度上符合可靠性演變規(guī)律；同速度等級(jí)條件下，更長(zhǎng)高級(jí)修周期（B）的動(dòng)車組故障事故轉(zhuǎn)化率為較短周期（A）動(dòng)車組的0.7～0.9 倍，基本相當(dāng)，即高級(jí)修程延長(zhǎng)并不一定導(dǎo)致更高的故障事故轉(zhuǎn)化率。換言之，較短周期動(dòng)車組的高級(jí)修周期延長(zhǎng)具備一定的安全裕度。

同理分析同一檢修周期下不同速度等級(jí)動(dòng)車組故障和事故相關(guān)指標(biāo)對(duì)比情況（見表3）。

表3 同一檢修周期下不同速度等級(jí)動(dòng)車組故障和事故相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

由表3可知，在同等高級(jí)修程周期條件下，不同速度等級(jí)動(dòng)車組的故障率大致相當(dāng)，但故障事故轉(zhuǎn)化率有較大差異，速度等級(jí)越高轉(zhuǎn)化率越大。因此對(duì)于高速度級(jí)（H）動(dòng)車組，結(jié)合故障演變規(guī)律，可考慮從較大走行里程時(shí)高級(jí)修的內(nèi)容優(yōu)化方面入手解決降低故障事故轉(zhuǎn)化率，包括優(yōu)化檢修里程或每個(gè)高級(jí)修程中對(duì)應(yīng)的檢修內(nèi)容。

4 結(jié)論與建議

（1）在現(xiàn)行計(jì)劃預(yù)防修制度存在一定不足的情況下，基于不同維度分析得到的動(dòng)車組關(guān)鍵系統(tǒng)故障演變規(guī)律，進(jìn)一步關(guān)聯(lián)至高級(jí)修程，可為修程修制的優(yōu)化提供指導(dǎo)意義；

（2）高級(jí)修周期延長(zhǎng)并不一定導(dǎo)致更高的故障事故轉(zhuǎn)化率，動(dòng)車組較短高級(jí)修周期延長(zhǎng)具備一定的安全裕度；

（3）對(duì)于更高速度等級(jí)動(dòng)車組，其故障事故轉(zhuǎn)化率更高，即在故障率大致不變的條件下導(dǎo)致更高的事故率的幾率更大，需關(guān)注較大走行里程后高級(jí)修間隔及檢修內(nèi)容的設(shè)定；

（4）對(duì)于平均故障事故轉(zhuǎn)化率較高的動(dòng)車組相關(guān)系統(tǒng)，其修程可根據(jù)技術(shù)特性及運(yùn)用實(shí)際進(jìn)行完善，特別是在經(jīng)過(guò)多次高級(jí)修后要重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)需加強(qiáng)車載和地面安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備以進(jìn)一步保障安全性。

此外，為了更全面地分析故障演變規(guī)律及轉(zhuǎn)化關(guān)系，一方面建議強(qiáng)化動(dòng)車組行車設(shè)備故障和檢修故障描述的規(guī)范性，以此形成更結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源；另一方面，建議優(yōu)化和完善動(dòng)車組車載和軌邊檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以提供更為豐富的狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能對(duì)故障診斷提供更為精確的輸入，有利于提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和后續(xù)故障預(yù)測(cè)工作的開展。