基于失效風(fēng)險評估的動車組高級修周期延長可行性分析及驗證方法*

錢小磊

(北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094)

德、法、日等開行高鐵列車較早的國家基于動車組實際運(yùn)行和檢修經(jīng)驗的積累，持續(xù)開展修程修制優(yōu)化研究，在檢修周期延長、檢修方式優(yōu)化等方面取得顯著成效。如日本新干線動車組于2002年4月起將原架修、大修周期分別由45萬km、90萬km延長至60萬km和120萬km，DB鐵路公司將ICE3型動車組IS100、IS600、IS700級檢修初期的周期間隔4 000 km、120萬km、240萬km分別延長至8 000 km、165萬km和330萬km，可用性得到大幅提升。

對比分析國內(nèi)外動車組運(yùn)用維修指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，我國高速列車年均走行里程、可靠性指標(biāo)明顯比國外高，但檢修率與國外相比偏高，具有優(yōu)化空間。因此，通過開展動車組檢修周期延長研究提高效率效益是非常必要的。

1 檢修內(nèi)容分析

動車組一般分為車體、轉(zhuǎn)向架、制動、牽引、輔助、網(wǎng)絡(luò)、給排水、空調(diào)通風(fēng)、內(nèi)裝設(shè)備等若干系統(tǒng)，每一系統(tǒng)又由不同部件組成，如轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)包括構(gòu)架、輪對、軸箱軸承、空氣彈簧、減振器、制動夾鉗裝置等部件，部件以下又可細(xì)分為組件，組件進(jìn)一步細(xì)分為零件等。按照現(xiàn)行動車組高級檢修規(guī)程[1]，以CR400AF動車組為例，共可分為150類大部件。從部件檢修方式上，一般分為：目視檢查、清潔、潤滑、尺寸測量、功能檢查、性能測試、修理或更換、分解檢修、組裝測試等。動車組三級修主要檢修內(nèi)容為轉(zhuǎn)向架分解檢查、更換易損易耗件、對其他系統(tǒng)部件進(jìn)行狀態(tài)檢查和功能測試，在該修程下，絕大多數(shù)部件未到更換周期。四級修主要是針對動車組重要系統(tǒng)的分解檢修，與三級修相比部件更換及分解檢修的范圍和數(shù)量明顯增加，需根據(jù)部件故障特點(diǎn)和壽命統(tǒng)計結(jié)果，對檢修周期延長是否可行進(jìn)行重點(diǎn)分析。五級修是對全車進(jìn)行的分解檢修和更大范圍的部件更新，以CR400AF動車組為例，需重點(diǎn)評估原五級修需更換的油冷卻器、牽引變流器控制單元和功率模塊、制動控制裝置、空調(diào)壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件，能否滿足修程延長后的更換周期要求。

由此可見，三級修周期延長主要需分析的是轉(zhuǎn)向架分解檢修部件和其他狀態(tài)檢查、功能性能測試的部件，四、五級修需增加對到期更換部件的分析。

2 失效風(fēng)險評估

2.1 失效模式及影響分析

在失效模式及影響分析(FMEA)中，分析層次的約定十分重要，因為隨著分析的深入，低一層次定義的失效影響可能是其高一層次的失效模式，低一層次的失效模式也可能是高一層次的失效原因等。對于動車組整車的FMEA，將分析層次約定在前面所述的部件級，從分解程度、精確度和工作量上均是較為合適的。

按照IEC 60300-3-11《可靠性管理-應(yīng)用指南-以可靠性為中心的維護(hù)》[2]，列出失效模式時，需注意只列舉“合理且可能”發(fā)生的情況。這其中包括：

(1)在規(guī)定運(yùn)行環(huán)境下已知發(fā)生的或正在由現(xiàn)有預(yù)防性維護(hù)程序所防止的失效模式。

(2)發(fā)生概率很低但后果非常嚴(yán)重的失效模式。

(3)可能導(dǎo)致失效的其他事件，如操作錯誤、設(shè)計缺陷、制造缺陷和環(huán)境影響等。

對動車組FMEA而言，重點(diǎn)應(yīng)統(tǒng)計分析前兩類失效模式，第3類中的操作錯誤和環(huán)境影響無關(guān)設(shè)備本身可靠性，設(shè)計缺陷導(dǎo)致的批次質(zhì)量問題一般通過源頭整治和設(shè)計更改進(jìn)行解決，而生產(chǎn)制造過程中的個別質(zhì)量缺陷往往不能完全避免。具體地，第一類失效模式包括動車組(或具體部件)在上線運(yùn)行、日常入庫檢修、專項檢修、高級檢修過程中出現(xiàn)的或潛在發(fā)生的失效情況，第二類失效模式如轉(zhuǎn)向架構(gòu)架局部裂紋，發(fā)生概率極低，一旦發(fā)生且未能及時檢測，在疲勞載荷作用下可能導(dǎo)致斷裂威脅動車組運(yùn)行安全等。

部件失效模式造成的影響一般分為局部影響和最終影響，局部影響也可理解為對上一級產(chǎn)品造成的影響。從對動車組整車產(chǎn)生影響的角度，部件失效造成的最終影響可主要分為影響安全、影響秩序和影響舒適度3大類。其中：

(1)影響安全：部件失效對動車組本身及其設(shè)備(包括其他同軌道運(yùn)行動車組)造成嚴(yán)重?fù)p傷或危及乘員生命或身體健康的情況。

(2)影響秩序：部件失效后需停車處理或?qū)е滦熊囇诱`的情形。

(3)影響舒適度：部件失效后導(dǎo)致客服功能喪失或引起乘坐體驗不舒適。

2.2 失效風(fēng)險評估

風(fēng)險分析較常用的方法是通過失效模式、影響及危害性分析(FMECA)計算風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN來定量評估[3-4]，RPN為失效嚴(yán)酷度S、失效發(fā)生頻度O、可探測度D三者的乘積，其中S、O、D均采用等級值。每種失效模式的RPN值計算出來后進(jìn)行排序，RPN越高，優(yōu)先級越高，越需要優(yōu)先制定預(yù)防和避免失效的措施。對于分析動車組各部件高級修周期延長后可能出現(xiàn)的失效風(fēng)險，評估延長可行性和提前制定試驗驗證跟蹤措施，RPN方法中的失效嚴(yán)酷度、失效發(fā)生頻度、可探測度同樣適用，可作為檢修周期延長可行性分析依據(jù)的3個主要方面。

2.2.1失效嚴(yán)酷度S：按照前面所述動車組部件失效分別對運(yùn)行安全、秩序和舒適度造成最終影響，相應(yīng)的失效嚴(yán)酷度可依次分為嚴(yán)重(Ⅲ)、一般(Ⅱ)和輕微(Ⅰ)3種級別。

2.2.2失效發(fā)生頻度O：針對動車組產(chǎn)品本身技術(shù)成熟、可靠性高、故障率低的特點(diǎn)，失效頻度可分為“極低”(Ⅰ)、“較低”(Ⅱ)和“較高”(Ⅲ)3種等級。根據(jù)動車組百萬公里故障率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，“極低”、“較低”、“較高”可分別按百萬公里故障率<0.1、0.1～0.5、>0.5 3個區(qū)間進(jìn)行劃分。

(1)數(shù)據(jù)來源

對分析動車組部件檢修周期延長的可行性而言，失效頻度的來源主要有：

①部件壽命試驗的數(shù)據(jù)，包括設(shè)計階段的壽命試驗和運(yùn)用后的剩余壽命試驗，均具有很高參考價值；

②現(xiàn)場運(yùn)用、檢修的失效數(shù)據(jù)，來源包括車載和地面檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢修故障處理記錄等；

③同類或相似產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)，如CR400AF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架參考CRH380A、CR400BF齒輪箱參考CRH380B等，二者結(jié)構(gòu)相近、器件選型相同或相近，后者積累了大量的運(yùn)用檢修數(shù)據(jù)，可作為寶貴的失效數(shù)據(jù)庫。

(2)變化趨勢

動車組檢修周期延長分為里程周期延長和時間周期延長，為此，應(yīng)針對不同部件的失效頻度隨動車組運(yùn)行里程和時間發(fā)展變化的不同規(guī)律特點(diǎn)，分類進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析部件在更換周期內(nèi)的失效頻度與里程、時間的相關(guān)性，評估檢修周期延長后失效頻度的增長變化情況。

動車組部件大體可分為結(jié)構(gòu)類、機(jī)械磨耗類、電氣板卡類、開關(guān)動作類、橡膠類等若干類別，其中結(jié)構(gòu)類、機(jī)械磨耗類、開關(guān)動作類部件的失效頻度主要與運(yùn)行里程相關(guān)，電氣板卡類、橡膠類部件的失效頻度主要與時間相關(guān)，另有一些部件如起傳力和緩沖振動沖擊作用的橡膠節(jié)點(diǎn)，其失效頻度與里程和時間均相關(guān)。以軸箱軸承為例，該部件屬走行部軸承類，主要失效模式有潤滑脂泄漏、溫升異常、滾子/滾道面剝離、保持架斷裂、電蝕等，失效頻度與運(yùn)行里程相關(guān)，檢修周期延長后，可能會引起潤滑脂性能下降和潤滑脂泄漏、滾子/滾道面剝離等失效增多或失效可能性增大。

(3)可探測度D：可探測度一般指部件在發(fā)生失效前或造成嚴(yán)重失效后果前被提前識別并避免失效的可能性。對動車組部件高級修周期延長而言，除包括采用車載和地面手段進(jìn)行的狀態(tài)檢測監(jiān)測，還可引申為動車組日常檢查、運(yùn)用維護(hù)和檢修中所采取預(yù)防性措施的有效性，如一級修對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵焊縫目視檢查、定期空心軸探傷、通過功能測試檢測制動部件的完好情況等?？商綔y度的等級方面，由于動車組大多數(shù)部件實行預(yù)防性維修，可根據(jù)運(yùn)用中是否采取了狀態(tài)檢測監(jiān)測手段或一二級修內(nèi)容是否覆蓋，將檢修周期延長階段的失效可探測度分為較高(Ⅰ)、一般(Ⅱ)和較低(Ⅲ)3種等級。

3 周期延長可行性分析

按照上述方法和參數(shù)定義計算或評估出失效嚴(yán)酷度S、失效發(fā)生頻度O、可探測度D后，評估每個部件、每種失效模式在檢修周期延長階段面臨的失效風(fēng)險和風(fēng)險可接受程度，進(jìn)而判斷延長的可行性。其中，專門針對檢修周期延長后失效頻度增長變化趨勢的評估，也應(yīng)作為計算風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN的重要參數(shù)，變化趨勢用T表示，可分為增加和不變2種等級。計算結(jié)果可稱之為修正的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)或失效風(fēng)險度，公式為：

RPN=S×O×T×D

基于失效風(fēng)險評估的動車組檢修周期延長可行性分析流程圖如圖1。

圖1 動車組檢修周期延長可行性分析流程圖

以CR400AF動車組三級修里程周期延長(時間周期不變)為例，對各部件進(jìn)行周期延長可行性分析，如表1所示。

表1 CR400AF動車組三級修里程周期延長可行性分析表

其中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架出現(xiàn)局部裂紋后，特殊情況下裂紋逐漸擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷裂，影響動車組運(yùn)行安全，失效嚴(yán)酷度S為嚴(yán)重級；通過對5列三級修CR400AF動車組和采用同樣主體結(jié)構(gòu)的CRH380A、CRH2A平臺動車組構(gòu)架共計1 800余次的四、五級檢修，構(gòu)架關(guān)鍵焊縫均未檢測出缺陷，失效頻度O屬于幾乎不可能發(fā)生的極低級；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架屬于全壽命件，且線路長期跟蹤測試結(jié)果表明構(gòu)架關(guān)鍵部位動應(yīng)力隨里程變化趨勢不明顯，因此構(gòu)架失效頻度可視為隨三級修里程周期延長不發(fā)生變化；此外，現(xiàn)行二級修有對關(guān)鍵焊縫進(jìn)行目視檢查的規(guī)定，可及時發(fā)現(xiàn)異常并處理，可探測度屬于較高級。綜上，在CR400AF三級修里程周期延長階段，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架局部裂紋的失效風(fēng)險屬于極低水平，可以忽略，構(gòu)架裂紋狀態(tài)檢查三級修里程周期延長可行。

與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裂紋不同，軸箱軸承剝離和抗蛇行減振器性能衰減雖然失效嚴(yán)酷度S也屬于嚴(yán)重級，但與之結(jié)構(gòu)相似的CRH380A平臺動車組檢修數(shù)據(jù)表明，此兩類失效模式均在運(yùn)用或高級修時個別發(fā)生過(比例很低)，因此失效頻度等級比構(gòu)架裂紋高，為低級；加之軸箱軸承剝離和抗蛇行減振器性能衰減均隨檢修里程周期延長有增長的趨勢，因而此兩類失效模式的失效風(fēng)險度明顯較轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裂紋偏高。盡管軸箱軸承剝離和抗蛇行減振器性能衰減兩類失效模式實際存在一定的發(fā)生頻度，但整體處于很低水平(如120萬km高級修抗蛇行減振器阻尼性能衰減約占比0.8%)，加之在運(yùn)用過程中軸箱軸承剝離和抗蛇行減振器性能衰減可分別通過軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)和動車組失穩(wěn)檢測裝置進(jìn)行檢測監(jiān)測，此兩類失效模式在動車組三級修周期延長階段的失效風(fēng)險屬于可接受程度。

按照上述方法分析其他部件、其他失效模式在高級修周期延長階段面臨的失效風(fēng)險和風(fēng)險可接受程度，只有當(dāng)所有失效風(fēng)險均為可忽略或可接受，不存在不可接受的情況，動車組整車高級修周期延長才具備可行性。

4 驗證跟蹤方案

總體上，對于失效風(fēng)險度評估值較高的部件，盡管從理論分析或數(shù)據(jù)旁證等方面認(rèn)為檢修周期延長具備可行性，仍需利用一定的試驗手段進(jìn)行延長驗證。驗證一般分為地面驗證和實車驗證，地面驗證指通過臺架試驗?zāi)M實際運(yùn)行狀態(tài)，獲取延長階段可能出現(xiàn)的故障信息，統(tǒng)計延長后的故障變化規(guī)律，如對于CR400AF動車組三級修里程周期延長，抽選運(yùn)行一定公里數(shù)的軸箱軸承進(jìn)行剩余壽命試驗；實車驗證指結(jié)合試驗動車組檢修周期延長，從現(xiàn)車獲取運(yùn)用和檢修故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計可靠性規(guī)律，評估延長的最終可行性。為安全起見，應(yīng)在理論分析、臺架試驗等線下可行性論證全部通過后，再啟動實車驗證。

以CR400AF動車組三級修里程周期延長為例，經(jīng)過對檢修項目進(jìn)行全面失效風(fēng)險評估，部分項目的具體跟蹤方案如表2所示。

表2 CR400AF動車組三級修里程周期延長實車驗證跟蹤方案(部分)

5 結(jié) 論

借鑒以可靠性為中心的維護(hù)理論在決策、失效模式及影響分析、風(fēng)險評估等方面的方法和既有動車組修程修制優(yōu)化實踐經(jīng)驗，在確保動車組安全和運(yùn)行秩序前提下，通過對部件檢修內(nèi)容、檢修方式進(jìn)行梳理劃分，開展失效模式及影響分析，對每種失效模式評估失效嚴(yán)酷度、失效發(fā)生頻度和可探測度，以及針對檢修周期延長增加延長后失效頻度增長變化趨勢的分析，最終評估動車組各部件在檢修周期延長階段面臨的失效風(fēng)險和風(fēng)險可接受程度，進(jìn)而論證檢修周期延長可行性。對于失效風(fēng)險度評估值較高的部件，結(jié)合運(yùn)行檢測監(jiān)測手段、一二級修和高級修作業(yè)內(nèi)容制定驗證跟蹤方案。