內(nèi)燃機車故障數(shù)據(jù)處理策略研究

熊英萍，張征碩，邢瑩瑩

(中車戚墅堰機車有限公司 設(shè)計部，江蘇常州 213011)

產(chǎn)品在客戶側(cè)的運用數(shù)據(jù)代表公司產(chǎn)品的質(zhì)量，建立內(nèi)燃機車故障數(shù)據(jù)庫，科學地進行故障報告、分析、糾正，確定可靠性模型進行數(shù)據(jù)處理，既可清晰呈現(xiàn)產(chǎn)品可靠性水平，有效排除關(guān)鍵故障，又能在新產(chǎn)品研發(fā)中提供借鑒，防止類似故障重復(fù)發(fā)生。

故障數(shù)據(jù)分析結(jié)果可用于客戶側(cè)業(yè)績證明、投標產(chǎn)品可靠性水平預(yù)判、設(shè)計質(zhì)量改善導向、IRIS貫標等方面，近年愈來愈受到各企業(yè)關(guān)注?，F(xiàn)有的內(nèi)燃機車運用數(shù)據(jù)存在刪失、不夠規(guī)范、未正確使用等問題。因此，需要研究解決由數(shù)據(jù)(信息)、計算，進而轉(zhuǎn)化為可靠性數(shù)據(jù)(知識)的方式；并對系統(tǒng)及零部件產(chǎn)品提出定量可靠性指標要求，在設(shè)計制造過程中考慮其實現(xiàn)。

1 壽命周期各階段數(shù)據(jù)收集

產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)主要來自試驗和現(xiàn)場，其中的故障數(shù)據(jù)尤為重要。掌握好壽命周期各階段的收集時機，可避免錯過故障發(fā)生時期，造成數(shù)據(jù)刪失。在軌道交通行業(yè)產(chǎn)品研制、試驗階段可獲得系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的可靠性試驗數(shù)據(jù)，如柴油機臺架試驗、整車試用(試運行)試驗數(shù)據(jù)；在生產(chǎn)階段，批量生產(chǎn)的交車試驗數(shù)據(jù)適用于工藝調(diào)整；早期故障期，即在產(chǎn)品投入正線使用開始收集現(xiàn)場運用RAM數(shù)據(jù)，及時進行FRACAS，可大幅降低早期故障率；偶然故障期，即故障率趨于常數(shù)(壽命呈指數(shù)分布)，定期進行可靠性分析評估，發(fā)現(xiàn)運用與維護的問題，以便改善維修策略，使產(chǎn)品可靠性處于穩(wěn)定預(yù)期狀態(tài)；維修階段的數(shù)據(jù)有利于調(diào)整預(yù)防性修程修制、備品備件、RCM。

進行故障數(shù)據(jù)策劃，制定數(shù)據(jù)收集需求。試驗過程收集的數(shù)據(jù)字段包含試件名稱、試驗技術(shù)條件、方法、實驗時間、故障描述、糾正措施等。由客服部門收集的各批產(chǎn)車型所有車號運用任務(wù)剖面，故障數(shù)據(jù)，利用Relex系統(tǒng)錄入清洗，數(shù)據(jù)關(guān)鍵字段包含故障件名稱、型號、故障描述、故障等級、原因分析、責任單位、糾正措施、運用里程(時間)等，如圖1所示。

圖1 故障數(shù)據(jù)收集示例

2 故障數(shù)據(jù)處理模型

內(nèi)燃機車為大型復(fù)雜技術(shù)裝備，且可修復(fù)，其可靠性定量指標通常使用MDBF(平均故障間隔距離)、λ(故障率)、θ(壽命)等表示，并在合同中予以規(guī)定。

內(nèi)燃機車基本功能分解的功能圖及產(chǎn)品接口描述如圖2、圖3所示。

圖2 功能圖示例

圖3 產(chǎn)品接口描述示例

依據(jù)復(fù)雜裝備的故障定律：“可修復(fù)的復(fù)雜裝備，無論其故障件的壽命分布類型如何(如呈指數(shù)、正態(tài)分布等)，故障件修復(fù)或更新以后，復(fù)雜裝備的故障率隨時間推移趨于常數(shù)?！逼鋽?shù)學表達式[2-3]為：

(1)

MTBF=T/N

(2)

式中：MTBF表示平均故障間隔時間，T表示產(chǎn)品總的工作時間，N表示故障總次數(shù)。

內(nèi)燃機車整車系統(tǒng)可靠性試驗費用昂貴，宜采用分系統(tǒng)及組成零部件數(shù)據(jù)進行評估。系統(tǒng)臨修可靠性(基本可靠性)模型可采用串聯(lián)模型進行分析，系統(tǒng)可靠性框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)可靠性框圖示例

內(nèi)燃機車系統(tǒng)可靠性數(shù)學表達式[3]為：

(3)

式中：λs表示系統(tǒng)故障率，λi表示組成零部件故障率。

故障嚴酷度等級故障概率等級劃分參照GB/T 21562-2008(等同IEC 62278 EN50126)的規(guī)定。

3 故障數(shù)據(jù)處理策略

3.1 現(xiàn)役車型故障數(shù)據(jù)分析

按已確立數(shù)學模型，結(jié)合工程師專業(yè)知識，分析由系統(tǒng)分解至單元(零部件)的現(xiàn)場運用故障數(shù)據(jù)，視樣本量對整車、零部件進行定期定量評估。從故障影響及嚴酷度角度考慮，內(nèi)燃機車產(chǎn)品分析范圍通常為臨修及以上故障的基本及任務(wù)可靠性。

客服人員收集的原始故障信息，包含了大量非可靠性研究范疇的信息。為明確信息是否為故障數(shù)據(jù)，需進行故障判據(jù)(即故障的界限)，依據(jù)不同任務(wù)剖面判定故障。在確定故障判據(jù)后，根據(jù)既定統(tǒng)計原則進行數(shù)據(jù)記錄和篩選。即在故障判據(jù)統(tǒng)計時，先把故障分類為非責任故障(含非關(guān)聯(lián)故障和事先約定免責故障)和關(guān)聯(lián)故障，再剔除用戶、未整定等原因發(fā)生的非責任故障，調(diào)整多次虛警、修復(fù)前重復(fù)發(fā)生、連帶故障等的關(guān)聯(lián)故障計數(shù)次數(shù)。

故障數(shù)據(jù)分析按車型、故障零部件、故障等級等判據(jù)、統(tǒng)計，確定可靠性評估模式，合理劃分階段，計算整車及各子系統(tǒng)故障率、重復(fù)多發(fā)故障，評估整車可靠性水平，報告可靠性關(guān)鍵問題項，反饋給技術(shù)部門，制定糾正措施，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 新產(chǎn)品研發(fā)故障數(shù)據(jù)分析

招標合同中的可靠性目標值，通常將作為產(chǎn)品試運行考核、驗收的重要衡量指標。有效利用歷史車型的類似系統(tǒng)和零部件試驗、現(xiàn)場運用、軌道交通行業(yè)及標準中的可靠性數(shù)據(jù)，在新型機車產(chǎn)品的研發(fā)過程中，進行可靠性分配和預(yù)估，開展?jié)撛诠收夏Ｊ胶陀绊懛治?，可?jié)約人力和時間成本，獲得較好的經(jīng)濟效益。

依據(jù)上述途徑收集的故障數(shù)據(jù)、RAM目標要求及分析模型，將RAM指標分配至機車最小可更換或采購單元，從故障頻次和故障影響及嚴酷度2個維度，量化風險程度。較之可靠性數(shù)據(jù)缺乏的條件下采用評分分配法，得出零部件大概λ數(shù)值，使用多種分配組合方法，可減少可靠性指標分配預(yù)估迭代次數(shù)，傳遞至子部件及供應(yīng)商處的可靠性要求更準確合理。

在設(shè)計階段，使用相似產(chǎn)品法等直接預(yù)計單元的故障率，概率綜合后獲得系統(tǒng)可靠性。通過RAM預(yù)計可比選產(chǎn)品技術(shù)方案；詳細設(shè)計時找出影響系統(tǒng)可靠性主要因素，采取設(shè)計措施。設(shè)計師參考故障數(shù)據(jù)，避免采用故障頻發(fā)某型號零部件，或主動改良設(shè)計，如簡化設(shè)計、冗余設(shè)計、降額設(shè)計、魯棒性設(shè)計等設(shè)計準則，提高固有可靠性，實現(xiàn)新產(chǎn)品可靠性預(yù)測并滿足合同RAM目標。同時可靠性預(yù)計結(jié)果為分配提供依據(jù)，進行迭代。

進而計算出壽命視為指數(shù)分布的內(nèi)燃機車可靠性參數(shù)(MTBF、λ、R(t)、θ)的點估計和區(qū)間估計，即可靠壽命、置信區(qū)間等。為海外投標決斷出更穩(wěn)妥的標書可靠性指標數(shù)值，在投標響應(yīng)時，利于體現(xiàn)產(chǎn)品真實可靠性水平，規(guī)避指標定得過高的交車風險。

新型內(nèi)燃機車的研制需經(jīng)歷技術(shù)條件、方案、樣機、試用、定型、批產(chǎn)等階段，其中“試驗-改進”過程的反復(fù)，即為可靠性增長過程。使用杜安模型ln[N(t)/t]=lnα-mlnt(累計MTBF與累積試驗時間t雙對數(shù)坐標呈斜直線)，對技術(shù)改進的產(chǎn)品(零部件)進行可靠性增長數(shù)據(jù)分析，可呈現(xiàn)平均壽命的點估計和區(qū)間估計。

4 運用效果

基于上述故障數(shù)據(jù)處理策略，工程師逐年將某型內(nèi)燃機車可靠性數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)分析結(jié)果找出薄弱環(huán)節(jié)，對關(guān)鍵問題項進行技術(shù)改進，并跟蹤可靠性增長效果。如散熱器故障，通過異物堵塞、腐蝕小孔、密封不良故障現(xiàn)象，分析表面冷卻液、清潔度、系統(tǒng)工況匹配原因，改進了冷卻液配方、節(jié)流板孔直徑、過濾系統(tǒng)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

由表1可知：(1)2016至2017年冷卻單節(jié)臨修件數(shù)由38上升至44，但臨修率由百萬公里8.4件下降為4.58件，質(zhì)量有所改善；(2)用戶要求整車臨修率低于百萬公里10件，目前冷卻單節(jié)臨修率為3.09，仍過高，為整車臨修故障率高的主要原因。(3)單元制動器為新增臨修故障，且臨修率高，需關(guān)注。

表1 某型內(nèi)燃機車可靠性關(guān)鍵問題項變化趨勢及改進措施示例：(數(shù)據(jù)已經(jīng)過處理)

由圖5可知：(1)圖中顯示了導致該機車發(fā)生臨修故障的零部件故障率高低，便于分清主次原因，做到不遺漏主要因素，不耗費過多精力于次要因素。冷卻單節(jié)等累計占比高，為故障主要因素；油管、法蘭等占比低，為次要原因；(2)由圖示故障率變化趨勢，可驗證各主因故障采取的糾正改進措施是否有效及改善程度。如水泵故障率逐年下降；(3)自2015年首臺機車投入使用，2016至2018年批產(chǎn)后，通過不斷消除設(shè)計制造的薄弱環(huán)節(jié)，整車及大部分零部件實現(xiàn)了可靠性增長。

圖5 臨修率年度變化示例(數(shù)據(jù)已經(jīng)過處理)

如表2所示分析結(jié)果，可用于(1)單個組成零部件故障數(shù)據(jù)累計，經(jīng)過一定樣本量的統(tǒng)計，輸出零部件故

障手冊；(2)故障原因分類，需要時可對比采用不同方案糾正措施的可靠性優(yōu)劣；(3)如因冷卻單節(jié)用水不規(guī)范導致水系統(tǒng)清潔度不達標問題，改進過濾系統(tǒng)，并考慮完善環(huán)境防護設(shè)計相關(guān)準則；(4)發(fā)現(xiàn)的主要故障模式，分析相應(yīng)故障機理，導向設(shè)計工藝改進，進行技術(shù)歸零。

較傳統(tǒng)的質(zhì)量管理，不考量機車投放數(shù)量、運用負荷等前提條件下的跨年跨產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣對比，可靠性數(shù)據(jù)分析能科學直觀呈現(xiàn)異常變化，找出故障最多的主要故障原因及關(guān)鍵零部件。

表2 可靠性評估報告故障糾正措施示例(數(shù)據(jù)已經(jīng)過處理)

5 結(jié) 論

內(nèi)燃機車故障數(shù)據(jù)處理工作，是可靠性工作的重要一環(huán)，且有利于建立機車產(chǎn)品設(shè)計準則、零部件可靠性數(shù)據(jù)手冊，為產(chǎn)品開展故障診斷、維修修程修制、機車全壽命周期等相關(guān)研究，提供了堅實、有效的可靠性數(shù)據(jù)支撐。為使各鐵路行業(yè)制造企業(yè)準確改進慣性質(zhì)量，提高產(chǎn)品可靠性，建議鐵路總公司通過更好的形式全面共享行業(yè)運用數(shù)據(jù)，有利于可靠性各項工作的提升。