基于失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的動(dòng)車組高級(jí)修周期延長(zhǎng)可行性分析及驗(yàn)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(guó)家基于動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行和檢修經(jīng)驗(yàn)的積累，持續(xù)開展修程修制優(yōu)化研究，在檢修周期延長(zhǎng)、檢修方式優(yōu)化等方面取得顯著成效。如日本新干線動(dòng)車組于2002年4月起將原架修、大修周期分別由45萬(wàn)km、90萬(wàn)km延長(zhǎng)至60萬(wàn)km和120萬(wàn)km，DB鐵路公司將ICE3型動(dòng)車組IS100、IS600、IS700級(jí)檢修初期的周期間隔4 000 km、120萬(wàn)km、240萬(wàn)km分別延長(zhǎng)至8 000 km、165萬(wàn)km和330萬(wàn)km，可用性得到大幅提升。

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

1 檢修內(nèi)容分析

動(dòng)車組一般分為車體、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)、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(duì)、軸箱軸承、空氣彈簧、減振器、制動(dòng)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(dòng)車組高級(jí)檢修規(guī)程[1]，以CR400AF動(dòng)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(rùn)滑、尺寸測(cè)量、功能檢查、性能測(cè)試、修理或更換、分解檢修、組裝測(cè)試等。動(dòng)車組三級(jí)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(duì)其他系統(tǒng)部件進(jìn)行狀態(tài)檢查和功能測(cè)試，在該修程下，絕大多數(shù)部件未到更換周期。四級(jí)修主要是針對(duì)動(dòng)車組重要系統(tǒng)的分解檢修，與三級(jí)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(jì)結(jié)果，對(duì)檢修周期延長(zhǎng)是否可行進(jìn)行重點(diǎn)分析。五級(jí)修是對(duì)全車進(jìn)行的分解檢修和更大范圍的部件更新，以CR400AF動(dòng)車組為例，需重點(diǎn)評(píng)估原五級(jí)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(dòng)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(zhǎng)后的更換周期要求。

由此可見，三級(jí)修周期延長(zhǎng)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(cè)試的部件，四、五級(jí)修需增加對(duì)到期更換部件的分析。

2 失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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?yàn)殡S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(duì)于動(dòng)車組整車的FMEA，將分析層次約定在前面所述的部件級(jí)，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(shí)，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(cuò)誤、設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷和環(huán)境影響等。

對(duì)動(dòng)車組FMEA而言，重點(diǎn)應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析前兩類失效模式，第3類中的操作錯(cuò)誤和環(huán)境影響無(wú)關(guān)設(shè)備本身可靠性，設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的批次質(zhì)量問(wèn)題一般通過(guò)源頭整治和設(shè)計(jì)更改進(jìn)行解決，而生產(chǎn)制造過(guò)程中的個(gè)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(dòng)車組(或具體部件)在上線運(yùn)行、日常入庫(kù)檢修、專項(xiàng)檢修、高級(jí)檢修過(guò)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(shí)檢測(cè)，在疲勞載荷作用下可能導(dǎo)致斷裂威脅動(dòng)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(duì)上一級(jí)產(chǎn)品造成的影響。從對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)車組本身及其設(shè)備(包括其他同軌道運(yùn)行動(dòng)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(yàn)不舒適。

2.2 失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)分析較常用的方法是通過(guò)失效模式、影響及危害性分析(FMECA)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN來(lái)定量評(píng)估[3-4]，RPN為失效嚴(yán)酷度S、失效發(fā)生頻度O、可探測(cè)度D三者的乘積，其中S、O、D均采用等級(jí)值。每種失效模式的RPN值計(jì)算出來(lái)后進(jìn)行排序，RPN越高，優(yōu)先級(jí)越高，越需要優(yōu)先制定預(yù)防和避免失效的措施。對(duì)于分析動(dòng)車組各部件高級(jí)修周期延長(zhǎng)后可能出現(xiàn)的失效風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估延長(zhǎng)可行性和提前制定試驗(yàn)驗(yàn)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(cè)度同樣適用，可作為檢修周期延長(zhǎng)可行性分析依據(jù)的3個(gè)主要方面。

2.2.1失效嚴(yán)酷度S：按照前面所述動(dòng)車組部件失效分別對(duì)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(jí)別。

2.2.2失效發(fā)生頻度O：針對(duì)動(dòng)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(jí)。根據(jù)動(dòng)車組百萬(wàn)公里故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，“極低”、“較低”、“較高”可分別按百萬(wàn)公里故障率<0.1、0.1～0.5、>0.5 3個(gè)區(qū)間進(jìn)行劃分。

(1)數(shù)據(jù)來(lái)源

對(duì)分析動(dòng)車組部件檢修周期延長(zhǎng)的可行性而言，失效頻度的來(lái)源主要有：

①部件壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)階段的壽命試驗(yàn)和運(yùn)用后的剩余壽命試驗(yàn)，均具有很高參考價(jià)值；

②現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用、檢修的失效數(shù)據(jù)，來(lái)源包括車載和地面檢測(cè)監(jiān)測(cè)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(kù)。

(2)變化趨勢(shì)

動(dòng)車組檢修周期延長(zhǎng)分為里程周期延長(zhǎng)和時(shí)間周期延長(zhǎng)，為此，應(yīng)針對(duì)不同部件的失效頻度隨動(dòng)車組運(yùn)行里程和時(shí)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(shí)間的相關(guān)性，評(píng)估檢修周期延長(zhǎng)后失效頻度的增長(zhǎng)變化情況。

動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)間相關(guān)，另有一些部件如起傳力和緩沖振動(dòng)沖擊作用的橡膠節(jié)點(diǎn)，其失效頻度與里程和時(shí)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(rùn)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(zhǎng)后，可能會(huì)引起潤(rùn)滑脂性能下降和潤(rùn)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(cè)度D：可探測(cè)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(shí)別并避免失效的可能性。對(duì)動(dòng)車組部件高級(jí)修周期延長(zhǎng)而言，除包括采用車載和地面手段進(jìn)行的狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)，還可引申為動(dòng)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(jí)修對(duì)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(guò)功能測(cè)試檢測(cè)制動(dòng)部件的完好情況等?？商綔y(cè)度的等級(jí)方面，由于動(dòng)車組大多數(shù)部件實(shí)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(cè)監(jiān)測(cè)手段或一二級(jí)修內(nèi)容是否覆蓋，將檢修周期延長(zhǎng)階段的失效可探測(cè)度分為較高(Ⅰ)、一般(Ⅱ)和較低(Ⅲ)3種等級(jí)。

3 周期延長(zhǎng)可行性分析

按照上述方法和參數(shù)定義計(jì)算或評(píng)估出失效嚴(yán)酷度S、失效發(fā)生頻度O、可探測(cè)度D后，評(píng)估每個(gè)部件、每種失效模式在檢修周期延長(zhǎng)階段面臨的失效風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)可接受程度，進(jìn)而判斷延長(zhǎng)的可行性。其中，專門針對(duì)檢修周期延長(zhǎng)后失效頻度增長(zhǎng)變化趨勢(shì)的評(píng)估，也應(yīng)作為計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN的重要參數(shù)，變化趨勢(shì)用T表示，可分為增加和不變2種等級(jí)。計(jì)算結(jié)果可稱之為修正的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)或失效風(fēng)險(xiǎn)度，公式為：

RPN=S×O×T×D

基于失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的動(dòng)車組檢修周期延長(zhǎng)可行性分析流程圖如圖1。

圖1 動(dòng)車組檢修周期延長(zhǎng)可行性分析流程圖

以CR400AF動(dòng)車組三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)(時(shí)間周期不變)為例，對(duì)各部件進(jìn)行周期延長(zhǎng)可行性分析，如表1所示。

表1 CR400AF動(dòng)車組三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)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(dòng)車組運(yùn)行安全，失效嚴(yán)酷度S為嚴(yán)重級(jí)；通過(guò)對(duì)5列三級(jí)修CR400AF動(dòng)車組和采用同樣主體結(jié)構(gòu)的CRH380A、CRH2A平臺(tái)動(dòng)車組構(gòu)架共計(jì)1 800余次的四、五級(jí)檢修，構(gòu)架關(guān)鍵焊縫均未檢測(cè)出缺陷，失效頻度O屬于幾乎不可能發(fā)生的極低級(jí)；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架屬于全壽命件，且線路長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試結(jié)果表明構(gòu)架關(guān)鍵部位動(dòng)應(yīng)力隨里程變化趨勢(shì)不明顯，因此構(gòu)架失效頻度可視為隨三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)不發(fā)生變化；此外，現(xiàn)行二級(jí)修有對(duì)關(guān)鍵焊縫進(jìn)行目視檢查的規(guī)定，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并處理，可探測(cè)度屬于較高級(jí)。綜上，在CR400AF三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)階段，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架局部裂紋的失效風(fēng)險(xiǎn)屬于極低水平，可以忽略，構(gòu)架裂紋狀態(tài)檢查三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)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(jí)，但與之結(jié)構(gòu)相似的CRH380A平臺(tái)動(dòng)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(jí)修時(shí)個(gè)別發(fā)生過(guò)(比例很低)，因此失效頻度等級(jí)比構(gòu)架裂紋高，為低級(jí)；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(zhǎng)有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因而此兩類失效模式的失效風(fēng)險(xiǎn)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(shí)際存在一定的發(fā)生頻度，但整體處于很低水平(如120萬(wàn)km高級(jí)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(guò)程中軸箱軸承剝離和抗蛇行減振器性能衰減可分別通過(guò)軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)和動(dòng)車組失穩(wěn)檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)測(cè)，此兩類失效模式在動(dòng)車組三級(jí)修周期延長(zhǎng)階段的失效風(fēng)險(xiǎn)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(jí)修周期延長(zhǎng)階段面臨的失效風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)可接受程度，只有當(dāng)所有失效風(fēng)險(xiǎn)均為可忽略或可接受，不存在不可接受的情況，動(dòng)車組整車高級(jí)修周期延長(zhǎng)才具備可行性。

4 驗(yàn)證跟蹤方案

總體上，對(duì)于失效風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)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(zhǎng)具備可行性，仍需利用一定的試驗(yàn)手段進(jìn)行延長(zhǎng)驗(yàn)證。驗(yàn)證一般分為地面驗(yàn)證和實(shí)車驗(yàn)證，地面驗(yàn)證指通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，獲取延長(zhǎng)階段可能出現(xiàn)的故障信息，統(tǒng)計(jì)延長(zhǎng)后的故障變化規(guī)律，如對(duì)于CR400AF動(dòng)車組三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)，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(yàn)；實(shí)車驗(yàn)證指結(jié)合試驗(yàn)動(dòng)車組檢修周期延長(zhǎng)，從現(xiàn)車獲取運(yùn)用和檢修故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)可靠性規(guī)律，評(píng)估延長(zhǎng)的最終可行性。為安全起見，應(yīng)在理論分析、臺(tái)架試驗(yàn)等線下可行性論證全部通過(guò)后，再啟動(dòng)實(shí)車驗(yàn)證。

以CR400AF動(dòng)車組三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)為例，經(jīng)過(guò)對(duì)檢修項(xiàng)目進(jìn)行全面失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，部分項(xiàng)目的具體跟蹤方案如表2所示。

表2 CR400AF動(dòng)車組三級(jí)修里程周期延長(zhǎng)實(shí)車驗(yàn)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(xiǎn)評(píng)估等方面的方法和既有動(dòng)車組修程修制優(yōu)化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在確保動(dòng)車組安全和運(yùn)行秩序前提下，通過(guò)對(duì)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(duì)每種失效模式評(píng)估失效嚴(yán)酷度、失效發(fā)生頻度和可探測(cè)度，以及針對(duì)檢修周期延長(zhǎng)增加延長(zhǎng)后失效頻度增長(zhǎng)變化趨勢(shì)的分析，最終評(píng)估動(dòng)車組各部件在檢修周期延長(zhǎng)階段面臨的失效風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)可接受程度，進(jìn)而論證檢修周期延長(zhǎng)可行性。對(duì)于失效風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)估值較高的部件，結(jié)合運(yùn)行檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段、一二級(jí)修和高級(jí)修作業(yè)內(nèi)容制定驗(yàn)證跟蹤方案。