復(fù)興號動車組RAMS 特點分析*

朱慶龍

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

為全面提升中國動車組設(shè)計、研發(fā)、制造水平，打造適合中國國情、路情的動車組設(shè)計制造平臺，滿足長距離、長時間、持續(xù)高速運行等需求，實現(xiàn)中國動車組自主化、標準化和系列化，促進動車組由中國制造到中國創(chuàng)造的跨越，原中國鐵路總公司組織開展了復(fù)興號動車組設(shè)計研制工作。CR400AF/BF 復(fù)興號動車組不僅表現(xiàn)出高速度，更體現(xiàn)出裝備發(fā)展的高質(zhì)量，其中RAMS 設(shè)計便是其突出亮點之一。RAMS 是可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、可維修性（Maintainability）、安全性（Safety）的英文縮寫［1］，復(fù)興號動車組在設(shè)計研發(fā)中充分考慮了RAMS 設(shè)計，為動車組高效運用維修奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，以先期投入運用的CR400AF/BF 動車組為例，分析其RAMS 特點及效果。

1 可靠性特點分析

可靠性是指設(shè)備在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力。對于動車組來說，規(guī)定條件包括外部環(huán)境、線路、供電、通信信號、司乘人員、正常維保等條件，規(guī)定時間指運行圖圖定時間，規(guī)定任務(wù)指車組正常運行、完成旅客運輸任務(wù)。

1.1 可靠性定量指標及要求

根據(jù)動車組設(shè)備故障對運輸組織造成的影響程度和非正常停車時間的長短，將故障分為4 類，即A 類故障、B 類故障、C類故障和D 類故障。

A 類故障：在規(guī)定運用環(huán)境和條件下，由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組途中非正常停車或晚點時間大于20 min 小于1 h 的故障。對應(yīng)的可靠性指標為動車組百萬公里A 類故障率。

B 類故障：在規(guī)定運用環(huán)境和條件下，由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組途中非正常停車或晚點時間少于20 min 的故障。對應(yīng)的可靠性指標為動車組百萬公里B 類故障率。

C 類故障：在規(guī)定運用環(huán)境和條件下，由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組在功能受限模式下運行的故障。對應(yīng)的可靠性指標為動車組百萬公里C 類故障率。

D 類故障：不影響動車組正常運行的其他各類故障。對應(yīng)的可靠性指標為動車組百萬公里D 類故障率。

按照技術(shù)條件規(guī)定，CR400AF/BF 動車組可靠性指標應(yīng)達到下列指標：A 類故障率不超過0.2件/百萬km；B 類故障率不超過0.4 件/百萬km；C類故障率不超過1.0 件/百萬km［2］。CR400AF/BF動車組采用多種可靠性設(shè)計準則，確保動車組具備高可靠性。

1.2 可靠性設(shè)計分析

1.2.1 降額設(shè)計

降額設(shè)計是使產(chǎn)品或零部件所承受的工作應(yīng)力（機械應(yīng)力、電應(yīng)力、溫度應(yīng)力）適當?shù)陀陬~定值，從而達到降低故障率提高可靠性的目的。

（1）動車組部分總體技術(shù)參數(shù)高于技術(shù)條件規(guī)定要求，牽引、制動功率具有一定余量，不僅為性能退化留有余量，還能使得動車組日常運用中非滿負荷運行，降低故障率。CR400AF 轉(zhuǎn)向架臨界速度大于550 km/h，CR400BF 動車組輪周牽引功率達10 140 kW。

（2）車體、轉(zhuǎn)向架、車鉤等各類結(jié)構(gòu)件運用降額設(shè)計理念進行強度設(shè)計，能夠提高安全系數(shù)，降低裂紋出現(xiàn)概率。CR400AF 設(shè)計軸重不大于16 t，關(guān)鍵部件強度按最大軸重17 t 設(shè)計。

（3）牽引、輔助系統(tǒng)電子元器件在選型時根據(jù)電壓、電流、功率、絕緣、耐壓等要求充分考慮降額設(shè)計，能夠應(yīng)對短時高電壓（電流）沖擊。CR400BF高壓部件雷電沖擊耐受電壓185 kV，高壓箱整體雷電沖擊耐受電壓170 kV。

（4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型時為信息傳輸預(yù)留有適當?shù)挠嗔?，保證信息傳輸?shù)目煽啃浴榆嚱M布設(shè)以太網(wǎng)，主要用于傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)下載。

（5）空調(diào)采暖及通風系統(tǒng)設(shè)計留有余量，能有效應(yīng)對高寒或高溫天氣和應(yīng)急情況。CR400BF 采用鈦酸鋰離子電池，應(yīng)急通風2 h 后，單組電池剩余容量大于60%。

（6）水箱、污物箱的容量設(shè)計留有余量，滿足乘客滿員及部分超員情況下的需求。CR400BF 凈水箱容積較CRH380B 增加7%，污物箱容積較CRH380B 增加22%。

（7）牽引變壓器、變流器冷卻系統(tǒng)考慮實際運用環(huán)境，當有效進風面積減少15%時仍然能滿足額定功率運用下的冷卻能力要求，降低高溫報警的概率，同時降低變壓器、變流器工作環(huán)境溫度，減少故障發(fā)生。

1.2.2 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是通過重復(fù)配置某些關(guān)鍵設(shè)備，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，冗余的設(shè)備介入工作，承擔故障設(shè)備的功能，為系統(tǒng)提供服務(wù)，減少宕機事件的發(fā)生。

（1）動車組由2 個相對獨立的動力單元組成，每個動力單元包含2 輛動車和2 輛拖車，牽引系統(tǒng)主要由1 個受電弓、1 臺牽引變壓器、2 臺牽引變流器、8 臺牽引電機組成（CR400AF 每臺變流器有2個逆變器，架控驅(qū)動4 臺電機；CR400BF 每臺變流器輛控驅(qū)動4 臺電機）。基本動力單元中的電氣設(shè)備發(fā)生故障時，可全部或部分切除該動力單元，而不影響到其他動力單元的運用。

（2）輔助系統(tǒng)主要由4 臺輔助逆變器、2 臺充電機、2 組蓄電池構(gòu)成，采用并網(wǎng)供電和冗余設(shè)計，保證在各種工況下可靠供電。

（3）各車制動控制單元通過網(wǎng)絡(luò)和硬線冗余接受制動指令，具有冗余軸抱死檢測功能（DNRA）。

（4）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用TCN 和高速傳輸以太網(wǎng)的雙重冗余設(shè)計。

（5）司機室TCMS、ATP 顯示屏均設(shè)置雙屏，互為備份，主屏幕故障后可快速切換至備用屏幕。

圖1 CR400AF 動車組牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 耐環(huán)境設(shè)計

耐環(huán)境設(shè)計是在設(shè)計時考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境影響，例如裝配、運輸時的沖擊、振動，貯存時的溫度、濕度、霉菌，使用時的氣候、環(huán)境、振動等影響，采取散熱（加熱）、冷卻、隔熱、密封、干燥、防護涂層、加固、控制諧振及減振等技術(shù)，選用耐高（低）溫、耐潮、抗霉等材料，確保產(chǎn)品的可靠性。

（1）變壓器、變流器、電機等電氣件和制動、網(wǎng)絡(luò)控制等裝置電子元器件采用風冷、水冷、油冷等散熱措施保證合適的工作環(huán)境溫度。

（2）車體、轉(zhuǎn)向架等部位采用涂漆、涂油脂、電鍍、磷化等保護措施避免腐蝕；空壓機設(shè)有干燥塔除濕，避免制動管路銹蝕和冬季結(jié)冰堵塞管路；電氣系統(tǒng)采用耐油、耐腐蝕、絕緣等級高的電線電纜，保證電流或信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）設(shè)備艙為全密封式結(jié)構(gòu)，格柵和濾網(wǎng)防水、防雪、防柳絮；針對秋冬季霧霾天氣嚴重，絕緣子表面易吸附污物導(dǎo)致高壓電氣絕緣失效實際情況，增大了絕緣子的爬電距離要求；高壓電氣件集成于密閉的高壓設(shè)備箱內(nèi)，避免受到外界環(huán)境因素影響。

（4）懸掛裝置裝有鋼彈簧、空氣彈簧、油壓減振器、橡膠節(jié)點、橡膠墊等以減輕振動、緩和沖擊；變壓器、變流器等車下吊掛部件均設(shè)有減振橡膠以減輕振動和沖擊。

（5）電機、電器、電子裝置、電線電纜等采取相應(yīng)的防霉、防老鼠等嚙齒類小動物的措施。

2 可用性特點分析

可用性是指在要求的外部資源得到保證的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時刻或時間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。它是產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。

2.1 可用性定量指標及要求

動車組可用性指標包括定期檢修率、臨修檢修率和完好率。

（1）動車組定期檢修率指動車段（所）處于定期檢修狀態(tài)的某型動車組列日數(shù)與應(yīng)支配動車組列日數(shù)之比。這里的定期檢修是指需要日間扣車實施的二、三、四、五級修。

（2）動車組臨修檢修率指某動車段（所）由于偶發(fā)故障導(dǎo)致的計劃外修復(fù)性維修狀態(tài)的動車組列日數(shù)與應(yīng)支配動車組列日數(shù)之比。

（3）動車組完好率指動車段（所）處于可運用狀態(tài)（包括實際運用和備用）的動車組列日數(shù)與應(yīng)支配動車組列日數(shù)之比。

CR400AF/BF 動車組年平均運行里程不低于80萬km，可用性指標要求：計劃檢修率不超過14%；臨修檢修率不超過3%；完好率不低于83%［2］。

2.2 修程修制

定期檢修率由動車組定期檢修周期和檢修停時確定，臨修檢修率與動車組的可靠性密切相關(guān)。CR400AF/BF 動車組修程分為五級，其中一、二級屬于運用維修，以維護保養(yǎng)為主，在動車所完成；三、四、五級屬于高級別維修，以恢復(fù)基本性能為主，在動車段或主機廠完成，維修等級及周期見表1。

表1 動車組維修等級及周期

目前國鐵集團正在大力推進動車組修程修制改革，制定了一系列延長檢修周期、優(yōu)化檢修內(nèi)容及檢修方式的推進方案，改革成功后動車組的可用性將得到進一步提升。

2.3 互聯(lián)互通

互聯(lián)互通是CR400AF/BF 動車組頂層功能指標之一，基于高速動車組運用和統(tǒng)型需求，實現(xiàn)了不同主機廠產(chǎn)品的司乘界面、操作界面、旅客界面統(tǒng)一。

司乘界面：統(tǒng)一司乘操作界面、緊急安全設(shè)施；統(tǒng)一車門、車窗、滅火器等應(yīng)急安全設(shè)施配置；

操作界面：統(tǒng)一HMI 顯示界面、故障代碼等；

操控模式：統(tǒng)一設(shè)置牽引運行、連掛解編、救援、回送、洗車、調(diào)車、緊急牽引、外接電源8 個工作模式；

服務(wù)設(shè)施：統(tǒng)一衛(wèi)生間、盥洗室、開水爐、服務(wù)臺、工具柜、客運柜、潔具柜、垃圾小車存放、大件行李存放等旅客界面配置，實現(xiàn)列車相互備用。

通過互聯(lián)互通設(shè)計，實現(xiàn)了動車組的相互重聯(lián)、救援、熱備，有效提升了動車組的利用效率，實現(xiàn)運營組織的靈活性，降低了運用成本。

3 可維修性特點分析

維修性是指在規(guī)定的條件下，并按照規(guī)定的程序和手段實施維修時，產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下，保持和恢復(fù)能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力，是由產(chǎn)品設(shè)計決定的使其維修簡便、迅速、經(jīng)濟的特性。

3.1 維修性定量指標及要求

CR400AF/BF 動車組各級修程主要內(nèi)容和維修停時要求如下：

（1）一級維修：例行檢查。一級維修以檢查為主，包括制動、走行、受電弓在內(nèi)的全面檢查，廁所排污、清掃保潔等，維修停時每次不超過2.5 h。

（2）二級維修：專項維修。二級維修主要包括，空心車軸探傷、踏面修形、齒輪箱換油、軸承潤滑、重要系統(tǒng)和部件的功能測試等內(nèi)容，維修停時每年累計不超過25 d。

（3）三級維修：轉(zhuǎn)向架分解檢修。三級維修主要是轉(zhuǎn)向架分解檢修，對制動、牽引、空調(diào)等系統(tǒng)進行狀態(tài)檢查和功能測試，維修停時每次不超過30 d。

（4）四級維修：系統(tǒng)分解檢修。四級維修主要針對動車組各系統(tǒng)的分解檢修，主要包括轉(zhuǎn)向架、制動系統(tǒng)的分解檢修；電機、電器的性能測試及更換；車內(nèi)設(shè)施的檢修等，維修停時每次不超過40 d。

（5）五級維修：整車分解檢修。對整車進行分解檢修，較大范圍地更新零部件。主要包括動車組分解、清洗、檢查、修復(fù)、更換、車體重新油漆等，維修停時每次不超過50 d［2］。

圖2 CR400AF/BF 動車組互聯(lián)互通示意圖

3.2 維修性設(shè)計分析

3.2.1 按照有利于保養(yǎng)與維修，減小維修工作量、降低維修成本的要求設(shè)計

（1）軸箱采用分體式結(jié)構(gòu)，便于輪對快速更換。

（2）車窗采用整體框架式安裝結(jié)構(gòu)，方便維護更換。

（3）內(nèi)風擋兩側(cè)可快速解編，方便檢修車端部件。

（4）設(shè)備艙采用鎖結(jié)構(gòu)設(shè)備艙裙板，抽拉式設(shè)備艙底板，設(shè)置檢修檢查門等優(yōu)化措施取代螺栓安裝結(jié)構(gòu)，減少作業(yè)量，提高作業(yè)效率。

（5）統(tǒng)一檢修維護接口：注水口、排污口、頂車位、外接電源、動車組旋輪工裝、登頂作業(yè)等，便于日常運用維修。

（6）CR400AF 采用車下集成式高壓設(shè)備箱，解決污閃問題；外風擋底部可快速拆卸，便于檢修車端部件；結(jié)合用戶、司乘、檢修等需求，優(yōu)化人機界面。

（7）CR400BF 采用鈦酸鋰離子電池，基本實現(xiàn)終身免維護；采用高壓部件集成車頂高壓箱方案，具有耐候性、免清洗、檢修維護方便、氣動阻力和氣動噪音小等特點。

圖3 CR400BF 動車組車頂高壓布置和主電路示意圖

3.2.2 標準化、模塊化、通用化設(shè)計

（1）為提高零部件通用性、互換性，減少備品備件種類和數(shù)量，降低動車組全壽命周期成本，CR400AF/BF 動車組開展了11 個系統(tǒng)96 項零部件的統(tǒng)型工作：座椅、側(cè)門、車窗、車鉤、滑板、閘片、車軸、鎖類等，實現(xiàn)完全統(tǒng)型，滿足整機和維護部件完全互換；電視、內(nèi)外信息顯示器、蓄電池、電壓電流互感器、受電弓等，統(tǒng)一電氣、機械接口，滿足整機互換；空調(diào)、便器、水箱、開水爐等，實現(xiàn)維護部件和易損易耗件的統(tǒng)一。

（2）設(shè)備艙整體采用模塊化結(jié)構(gòu)，車下預(yù)組，整體安裝。

（3）牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)、輔助等系統(tǒng)按照功能不同分層次（LRU、SRU、SSRU）進行模塊化設(shè)計，使各功能由不同模塊或板卡控制，便于故障定位、隔離和部件更換，達到快速解決故障的目的。

3.2.3 測試性設(shè)計

（1）采用新一代列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCN 網(wǎng)+以太網(wǎng)），首次構(gòu)建百兆級以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)，提升信息處理技術(shù)。

（2）設(shè)置監(jiān)測點2 500 余項，采集各種車輛狀態(tài)信息1 500 余項，實時診斷運行故障，出現(xiàn)異常，自動報警或預(yù)警，并根據(jù)安全策略自動采取限速或停車。

（3）采用智能移動終端、WLAN 無線設(shè)備、以太網(wǎng)單點維護、故障自動識別等技術(shù)手段，實現(xiàn)列車控制和任意子系統(tǒng)的健康管理和全方位、多維度的故障診斷，檢修維護更加智能化。

（4）優(yōu)化車—地無線傳輸系統(tǒng)，提升動車組故障信息、狀態(tài)信息實時傳輸能力，通過便攜式測試工具實現(xiàn)車輛本地在線監(jiān)視和故障處理，采用4G移動通信技術(shù)實現(xiàn)遠程實時監(jiān)視和遠程維護支持，提高運用檢修效率。提供包括無線上網(wǎng)服務(wù)、新聞資訊、旅行信息、列車動態(tài)信息服務(wù)、旅客坐席及乘務(wù)工作管理等在內(nèi)的智能化服務(wù)。

4 安全性特點分析

CR400AF/BF 動車組的設(shè)計以故障導(dǎo)向安全為原則，在確保走行安全的基礎(chǔ)上，采取了多種主動安全與被動安全措施。主動安全措施主要包括：接近預(yù)警、地震預(yù)警、煙火報警系統(tǒng)；失穩(wěn)、軸溫、受電弓視頻監(jiān)測；過壓、過流、高壓、欠壓、防滑、超溫、接地保護等。被動安全措施主要包括：碰撞吸能裝置，脫線防護裝置，滅火器（干粉和水基），阻燃、低煙、無毒（低毒）、無鹵的非延燃性材料或防火材料等。

（1）車體采用整體承載結(jié)構(gòu)，由6 系鋁合金通長薄壁中空大型材焊接而成，車頭采用型材蒙皮與承載梁焊接結(jié)構(gòu)，焊接變形小。CR400AF 中空鋁型材最大638 mm，斷面焊縫數(shù)量由CRH380A 的60 條減少至44 條，降低殘余應(yīng)力及焊接變形。

（2）設(shè)備艙裙板、底板設(shè)計具有防松脫功能。

（3）塞拉門具有本車控制、集中控制、手動、速度鎖閉、防擠壓、氣密等功能，并與牽引系統(tǒng)聯(lián)鎖，車門未關(guān)閉封鎖牽引，車速大于5 km/h 時隔離開門功能（緊急開門除外），車速大于10 km/h 時不能打開車門（包括緊急開門）?？刂浦噶钣糜簿€傳輸、開門控制2 步操作，防止誤操作。鎖閉裝置采用多點壓緊、鎖閉，安全可靠。

（4）按照車鉤、防爬及主吸能塊三級吸能原理研制了碰撞吸能裝置，能量吸收系統(tǒng)由頭車端部吸能結(jié)構(gòu)和中間車鉤緩沖裝置組成，碰撞試驗結(jié)果滿足EN 15227 標準要求。

（5）軸箱設(shè)置有軸溫傳感器和熔斷繼電器雙保險，對軸承進行監(jiān)測和保護。

（6）通風系統(tǒng)采用被動式壓力保護系統(tǒng)控制車內(nèi)壓力波動，優(yōu)化壓力波控制策略，減小隧道通過或交會時耳部不適感。

（7）動車組各車輛端墻（門）具有耐火性能，保證起火后15 min 之內(nèi)不會通過其蔓延到相鄰車輛，同時能維持運行15 min，使動車組駛離不易停車處理事故的區(qū)域。

（8）車內(nèi)設(shè)施充分考慮旅客安全，通過臺和車內(nèi)地板平滑過渡無臺階，地板布防滑耐磨，衛(wèi)生間、通過臺、車門處均設(shè)有扶手，車內(nèi)端門具有防擠壓功能，電開水爐設(shè)有2 個按鈕，先按解鎖按鈕后再按出水按鈕才能出熱水，避免兒童誤操作造成燙傷。

圖4 脫線防護裝置（左）和碰撞吸能裝置（右）示意圖

圖5 CR400AF 動車組設(shè)備艙示意圖

5 結(jié)束語

產(chǎn)品壽命周期各個階段對RAMS 的影響程度是不同的，越是早期階段對RAMS 的影響越大，論證、研制階段基本確定了RAMS 的80% 因素。CR400AF/BF 動車組在設(shè)計制造中充分考慮了RAMS 需求，為其高效運用維修提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。但目前我國動車組的修程修制頂層設(shè)計仍處于初級階段，動車組運用檢修水平與國際先進水平還有一定的差距，應(yīng)持續(xù)加強此方面研究和工程應(yīng)用。機車車輛檢修多年實踐經(jīng)驗表明，一套良好的機車車輛修程修制體系不是優(yōu)化出來的，而是從設(shè)計源頭系統(tǒng)規(guī)劃出來的。在機車車輛設(shè)計研發(fā)階段，應(yīng)自覺運用現(xiàn)代維修理論、RAMS 技術(shù)和LCC（Life Cycle Cost）方法開展維修頂層規(guī)劃和正向設(shè)計，系統(tǒng)全面地考慮產(chǎn)品交付后的運用和維修需求，合理規(guī)劃各系統(tǒng)和主要部件的使用壽命、維修周期、維修方式等，實現(xiàn)主要部件壽命和維修周期與整車維修周期相匹配，檢查維修方便快捷，避免僅僅為了更換或維修某一部件而對整車或某一系統(tǒng)進行大范圍的拆解組裝，實現(xiàn)修程修制的“優(yōu)生優(yōu)育”，達到機車車輛運用維護的安全、可靠、高效、經(jīng)濟。