內(nèi)燃機(jī)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(jī)車有限公司 設(shè)計(jì)部，江蘇常州 213011)

產(chǎn)品在客戶側(cè)的運(yùn)用數(shù)據(jù)代表公司產(chǎn)品的質(zhì)量，建立內(nèi)燃機(jī)車故障數(shù)據(jù)庫(kù)，科學(xué)地進(jìn)行故障報(bào)告、分析、糾正，確定可靠性模型進(jìn)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(jī)證明、投標(biāo)產(chǎn)品可靠性水平預(yù)判、設(shè)計(jì)質(zhì)量改善導(dǎo)向、IRIS貫標(biāo)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(jī)車運(yùn)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(jì)算，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可靠性數(shù)據(jù)(知識(shí))的方式；并對(duì)系統(tǒng)及零部件產(chǎn)品提出定量可靠性指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)制造過程中考慮其實(shí)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)，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(shí)機(jī)，可避免錯(cuò)過故障發(fā)生時(shí)期，造成數(shù)據(jù)刪失。在軌道交通行業(yè)產(chǎn)品研制、試驗(yàn)階段可獲得系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車試用(試運(yùn)行)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；在生產(chǎn)階段，批量生產(chǎn)的交車試驗(yàn)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(chǎng)運(yùn)用RAM數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)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(jìn)行可靠性分析評(píng)估，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用與維護(hù)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(jìn)行故障數(shù)據(jù)策劃，制定數(shù)據(jù)收集需求。試驗(yàn)過程收集的數(shù)據(jù)字段包含試件名稱、試驗(yàn)技術(shù)條件、方法、實(shí)驗(yàn)時(shí)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(hào)運(yùn)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(hào)、故障描述、故障等級(jí)、原因分析、責(zé)任單位、糾正措施、運(yùn)用里程(時(shí)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(jī)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(biāo)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(jī)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(wú)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(shí)間推移趨于常數(shù)?！逼鋽?shù)學(xué)表達(dá)式[2-3]為：

(1)

MTBF=T/N

(2)

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

內(nèi)燃機(jī)車整車系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，宜采用分系統(tǒng)及組成零部件數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)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(jìn)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(jī)車系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)表達(dá)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(yán)酷度等級(jí)故障概率等級(jí)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(xué)模型，結(jié)合工程師專業(yè)知識(shí)，分析由系統(tǒng)分解至單元(零部件)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用故障數(shù)據(jù)，視樣本量對(duì)整車、零部件進(jìn)行定期定量評(píng)估。從故障影響及嚴(yán)酷度角度考慮，內(nèi)燃機(jī)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(jìn)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(jì)原則進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和篩選。即在故障判據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，先把故障分類為非責(zé)任故障(含非關(guān)聯(lián)故障和事先約定免責(zé)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(zé)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(jì)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(jí)等判據(jù)、統(tǒng)計(jì)，確定可靠性評(píng)估模式，合理劃分階段，計(jì)算整車及各子系統(tǒng)故障率、重復(fù)多發(fā)故障，評(píng)估整車可靠性水平，報(bào)告可靠性關(guān)鍵問題項(xiàng)，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(biāo)合同中的可靠性目標(biāo)值，通常將作為產(chǎn)品試運(yùn)行考核、驗(yàn)收的重要衡量指標(biāo)。有效利用歷史車型的類似系統(tǒng)和零部件試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用、軌道交通行業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)中的可靠性數(shù)據(jù)，在新型機(jī)車產(chǎn)品的研發(fā)過程中，進(jìn)行可靠性分配和預(yù)估，開展?jié)撛诠收夏Ｊ胶陀绊懛治觯晒?jié)約人力和時(shí)間成本，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

依據(jù)上述途徑收集的故障數(shù)據(jù)、RAM目標(biāo)要求及分析模型，將RAM指標(biāo)分配至機(jī)車最小可更換或采購(gòu)單元，從故障頻次和故障影響及嚴(yán)酷度2個(gè)維度，量化風(fēng)險(xiǎn)程度。較之可靠性數(shù)據(jù)缺乏的條件下采用評(píng)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(biāo)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(zhǔn)確合理。

在設(shè)計(jì)階段，使用相似產(chǎn)品法等直接預(yù)計(jì)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(jì)可比選產(chǎn)品技術(shù)方案；詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)找出影響系統(tǒng)可靠性主要因素，采取設(shè)計(jì)措施。設(shè)計(jì)師參考故障數(shù)據(jù)，避免采用故障頻發(fā)某型號(hào)零部件，或主動(dòng)改良設(shè)計(jì)，如簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、魯棒性設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提高固有可靠性，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品可靠性預(yù)測(cè)并滿足合同RAM目標(biāo)。同時(shí)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果為分配提供依據(jù)，進(jìn)行迭代。

進(jìn)而計(jì)算出壽命視為指數(shù)分布的內(nèi)燃機(jī)車可靠性參數(shù)(MTBF、λ、R(t)、θ)的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)，即可靠壽命、置信區(qū)間等。為海外投標(biāo)決斷出更穩(wěn)妥的標(biāo)書可靠性指標(biāo)數(shù)值，在投標(biāo)響應(yīng)時(shí)，利于體現(xiàn)產(chǎn)品真實(shí)可靠性水平，規(guī)避指標(biāo)定得過高的交車風(fēng)險(xiǎn)。

新型內(nèi)燃機(jī)車的研制需經(jīng)歷技術(shù)條件、方案、樣機(jī)、試用、定型、批產(chǎn)等階段，其中“試驗(yàn)-改進(jìn)”過程的反復(fù)，即為可靠性增長(zhǎng)過程。使用杜安模型ln[N(t)/t]=lnα-mlnt(累計(jì)MTBF與累積試驗(yàn)時(shí)間t雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)呈斜直線)，對(duì)技術(shù)改進(jìn)的產(chǎn)品(零部件)進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析，可呈現(xiàn)平均壽命的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)。

4 運(yùn)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(jī)車可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)分析結(jié)果找出薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)關(guān)鍵問題項(xiàng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，并跟蹤可靠性增長(zhǎng)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(jìn)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(wàn)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(wàn)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(dòng)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(jī)車可靠性關(guān)鍵問題項(xiàng)變化趨勢(shì)及改進(jìn)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(dǎo)致該機(jī)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(fèi)過多精力于次要因素。冷卻單節(jié)等累計(jì)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(shì)，可驗(yàn)證各主因故障采取的糾正改進(jìn)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(tái)機(jī)車投入使用，2016至2018年批產(chǎn)后，通過不斷消除設(shè)計(jì)制造的薄弱環(huán)節(jié)，整車及大部分零部件實(shí)現(xiàn)了可靠性增長(zhǎng)。

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(gè)組成零部件故障數(shù)據(jù)累計(jì)，經(jīng)過一定樣本量的統(tǒng)計(jì)，輸出零部件故

障手冊(cè)；(2)故障原因分類，需要時(shí)可對(duì)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(dǎo)致水系統(tǒng)清潔度不達(dá)標(biāo)問題，改進(jìn)過濾系統(tǒng)，并考慮完善環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)準(zhǔn)則；(4)發(fā)現(xiàn)的主要故障模式，分析相應(yīng)故障機(jī)理，導(dǎo)向設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)，進(jìn)行技術(shù)歸零。

較傳統(tǒng)的質(zhì)量管理，不考量機(jī)車投放數(shù)量、運(yùn)用負(fù)荷等前提條件下的跨年跨產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)比，可靠性數(shù)據(jù)分析能科學(xué)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(píng)估報(bào)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(jī)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(jī)車產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、零部件可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)，為產(chǎn)品開展故障診斷、維修修程修制、機(jī)車全壽命周期等相關(guān)研究，提供了堅(jiān)實(shí)、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(zhǔn)確改進(jìn)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(yùn)用數(shù)據(jù)，有利于可靠性各項(xiàng)工作的提升。