基于運營數(shù)據(jù)的某型動車組轉(zhuǎn)向架可靠性分析

劉 偉，張冬梅，高 磊

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)是動車組的走行裝置，具有承載、牽引、減振、導(dǎo)向等重要功能，其系統(tǒng)可靠性直接影響動車組車輛的穩(wěn)定性和安全性。在實際運營中轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)一旦發(fā)生嚴(yán)重故障，將導(dǎo)致列車晚點、線路癱瘓，甚至造成人員傷亡。因此，對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)進(jìn)行可靠性研究分析，對保證動車組運營安全、提高維修效益和避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡具有重要意義。

本文將以某型動車組轉(zhuǎn)向架(運行3年)運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按一定原則進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，對轉(zhuǎn)向架各子系統(tǒng)運營過程中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用可靠性模型并結(jié)合統(tǒng)計學(xué)理論對轉(zhuǎn)向架及各子系統(tǒng)的故障發(fā)生規(guī)律及可靠性進(jìn)行統(tǒng)計分析，提出各系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)，建立可靠性模型。并在可靠度允許的條件下，針對轉(zhuǎn)向架現(xiàn)有的維修計劃，對某些部件的維修周期進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到提高預(yù)防性維修的目的。

1 可靠性數(shù)據(jù)分析

故障分為非關(guān)聯(lián)故障和關(guān)聯(lián)故障[1]。在進(jìn)行轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)可靠性分析時剔除非關(guān)聯(lián)故障，用關(guān)聯(lián)故障進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。非關(guān)聯(lián)故障包括以下幾個方面：

(1) 未按規(guī)定的條件使用引起的故障。包括損耗件在超過壽命期后使用所出現(xiàn)的故障；列車超載或超速狀態(tài)下出現(xiàn)的故障；列車的使用環(huán)境條件超出了設(shè)計允許的范圍；操作或維修人員的疏忽或不遵守操作規(guī)程導(dǎo)致的故障；操作和維修作業(yè)不按提供的操作和維修手冊的要求進(jìn)行；由于預(yù)防性維護(hù)工作失誤導(dǎo)致的故障；因非轉(zhuǎn)向架設(shè)備導(dǎo)致的故障。

(2) 某項不再采用的設(shè)計和工藝所引起的故障。包括：在可靠性指標(biāo)測試期內(nèi)出現(xiàn)的故障經(jīng)采取設(shè)計或工藝改進(jìn)措施后徹底排除、經(jīng)證實不再發(fā)生者；嵌入式軟件發(fā)生的故障經(jīng)修改源程序并通過測試和實際使用證實不再發(fā)生者；原材料和元器件出現(xiàn)的故障，改用相同品種規(guī)格但質(zhì)量更好的原材料和元器件后經(jīng)證實不再發(fā)生者。

(3) 意外事件導(dǎo)致的故障。包括：非列車本身問題導(dǎo)致的碰撞、事故；故意破壞；自然災(zāi)害；由于公眾(包括乘客)行為或疏漏導(dǎo)致的故障。

(4) 其他非關(guān)聯(lián)故障。包括：經(jīng)證實系機(jī)內(nèi)測試(BIT)或車載診斷系統(tǒng)的錯誤而發(fā)生的虛警(實際未發(fā)生故障而發(fā)生的錯誤報警)，只計入虛警次數(shù)而不計為故障次數(shù)；連帶故障(由前級故障導(dǎo)致的故障)等。

2 可靠性分析模型

常見的故障分布類型有指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布等[2]。

2.1 指數(shù)分布

很多產(chǎn)品特別是電子元器件、無余度的復(fù)雜系統(tǒng)，在工作時間內(nèi)可能由于 “偶然”的原因而發(fā)生故障，且在偶然故障期內(nèi)故障率趨于某一穩(wěn)定值。描述這種故障率為常數(shù)的分布函數(shù)是指數(shù)分布函數(shù)，即：

F(l)=1-e-λl

(1)

其故障間隔里程的概率密度函數(shù)為：

f(l)=λe-λl

(2)

可靠度函數(shù)為：

R(l)=e-λl

(3)

式中：λ——部件或系統(tǒng)故障率；

l——部件或系統(tǒng)故障間隔里程。

2.2 威布爾分布

威布爾分布一般適用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分布。產(chǎn)品從早期就可能發(fā)生故障，系統(tǒng)服從兩參數(shù)的威布爾分布，假設(shè)形狀參數(shù)為β，尺度參數(shù)為η，則威布爾分布函數(shù)滿足：

(4)

其故障間隔里程的概率密度函數(shù)為：

(5)

可靠度函數(shù)為：

(6)

故障率函數(shù)為：

(7)

2.3 正態(tài)分布

故障服從正態(tài)分布，其故障間隔里程的概率密度函數(shù)為：

(8)

式中：μ——均值，表示系統(tǒng)或部件平均故障間隔里程；

σ——標(biāo)準(zhǔn)差，表示數(shù)據(jù)的離散程度。

3 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)可靠性分析

3.1 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)分為拖車轉(zhuǎn)向架和動車轉(zhuǎn)向架，拖車轉(zhuǎn)向架包括構(gòu)架組成、輪對軸箱組成、一系懸掛、二系懸掛、基礎(chǔ)制動裝置及附件裝置等，動車轉(zhuǎn)向架還包括齒輪箱驅(qū)動裝置。

統(tǒng)計分析某型動車組(運營3年)的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，涉及轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)正線運行和庫內(nèi)維修的故障數(shù)據(jù)共1 586條。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則，剔除非關(guān)聯(lián)故障835條，得到轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)關(guān)聯(lián)故障751條，分析統(tǒng)計各子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)如表1和圖1所示。

表1 各子系統(tǒng)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖1 各子系統(tǒng)故障占比圖

從上述統(tǒng)計結(jié)果可知，構(gòu)架組成發(fā)生故障次數(shù)較少，附件裝置發(fā)生故障的占比最大(主要是撒砂和排障裝置)，其他各部件發(fā)生故障的占比相差不大。

3.2 轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)分析

為初步判斷轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障的分布類型，通過直方圖分析統(tǒng)計(組距為5×105km)，得到轉(zhuǎn)向架及各子系統(tǒng)在不同運營里程內(nèi)的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，如表2所示。

由表2可繪出轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障頻次直方圖，如圖2所示。轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障累計頻次結(jié)果如圖3所示。

表2 轉(zhuǎn)向架及各子系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計 次

由圖2可知，隨著運營里程的增加，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障頻次呈現(xiàn)先遞增后減少的趨勢，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的故障間隔里程呈威布爾分布。由圖3可以看出，隨著運營里程的增加，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障累計頻次增加，表明轉(zhuǎn)向架故障屬于耗損性故障。

圖2 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障頻次直方圖

圖3 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障累計頻次圖

3.3 轉(zhuǎn)向架各子系統(tǒng)可靠性模型分析

根據(jù)上述轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對轉(zhuǎn)向架各子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，得到各子系統(tǒng)可靠度曲線，為優(yōu)化修程提供參考。因篇幅所限，本文以二系懸掛裝置子系統(tǒng)為例進(jìn)行可靠性模型分析。

本文利用中位秩和最小二乘法對η和β做參數(shù)估計。假設(shè)某部件的n個使用可靠性數(shù)據(jù){li,i=1,2,...,n}，設(shè)F(li)為li時刻的中位秩，由統(tǒng)計學(xué)基本知識可知，中位秩近似公式為：

(9)

對式(4)進(jìn)行變形，得：

(10)

兩邊取對數(shù)，得：

βlnl-βlnη=ln{-ln[1-F(l)]}

(11)

令

則有：

Y=AX+B

(12)

(13)

使用Excel自帶的最小二乘法分析函數(shù)即可完成數(shù)據(jù)的擬合，并能完成置信度檢驗和線性相關(guān)程度檢驗。

經(jīng)計算，二系懸掛裝置子系統(tǒng)部分故障數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 二系懸掛裝置子系統(tǒng)部分故障數(shù)據(jù)

使用間隔計算模板，選擇回歸分析，設(shè)定置信度95%，對表3中自變量X與因變量Y進(jìn)行回歸分析，線性擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 線性擬合結(jié)果

由圖4可得，線性擬合的斜率為2.677 8，截距為-38.537，將截距與斜率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得威布爾分布形狀參數(shù)β=2.677 8、尺度參數(shù)η=1 775 867，故威布爾分布函數(shù)為：

(14)

故障間隔里程的概率密度函數(shù)為：

(15)

可靠度函數(shù)為：

(16)

故障率函數(shù)為：

(17)

二系懸掛裝置子系統(tǒng)可靠度曲線如圖5所示。由圖5可知，在可靠度為0.9時，運營里程為765 294 km。

圖5 二系懸掛裝置子系統(tǒng)可靠度曲線

二系懸掛裝置子系統(tǒng)故障概率曲線如圖6所示。該故障概率曲線并不是典型的浴盆曲線，表示該子系統(tǒng)沒有出現(xiàn)耗損期，但隨著運營里程的不斷增加，該子系統(tǒng)發(fā)生故障的概率在不斷增加。

圖6 二系懸掛裝置子系統(tǒng)故障概率曲線

同樣方法可得出其他子系統(tǒng)的威布爾分布。算出各子系統(tǒng)在可靠度為0.9(根據(jù)工程經(jīng)驗，用戶可接受的可靠度不低于0.9)時的運營里程，如表4所示。

表4 各子系統(tǒng)可靠度為0.9時的運營里程 km

4 轉(zhuǎn)向架維修計劃分析

動車組轉(zhuǎn)向架檢修分為5個等級。一級和二級檢修為運用檢修，主要檢查轉(zhuǎn)向架狀態(tài)；三級、四級和五級檢修為高級檢修。三級修是指新造、四級修或五級修后運行60萬 km進(jìn)行的修理；四級修是指新造或五級修后運行120萬 km進(jìn)行的修理；五級修是指新造或五級修后運行(480±12)萬 km進(jìn)行的修理。

以三級修為例，在子系統(tǒng)可靠度為0.9的情況下，根據(jù)第3節(jié)的研究結(jié)果可將部分部件的維修周期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，優(yōu)化建議如表5所示。

表5 三級修的優(yōu)化建議

通過優(yōu)化調(diào)整檢修項點及其檢修級別，可以達(dá)到提高檢修體制合理性的目的。

5 結(jié)論

本文通過對某型動車組轉(zhuǎn)向架(運行3年)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，利用統(tǒng)計學(xué)原理對轉(zhuǎn)向架各子系統(tǒng)運營過程中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)合可靠性模型，對轉(zhuǎn)向架及各子系統(tǒng)的故障發(fā)生規(guī)律及可靠性進(jìn)行了研究，得出了各子系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)，建立了可靠性模型。在可靠度為0.9的條件下，針對轉(zhuǎn)向架現(xiàn)有的維修計劃，對某些部件進(jìn)行了維修周期調(diào)整，為優(yōu)化預(yù)防性維修提供了參考依據(jù)。