基于關鍵部件狀態(tài)分析的地鐵車輛使用壽命評估

顧超

(北京市地鐵運營有限公司,北京 100044)

地鐵車輛是由車體、轉向架、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等多個系統(tǒng)和部件組成的復雜機電設備。在實際運營中,各系統(tǒng)零部件壽命周期有所不同。車體設計壽命一般為30 年,而諸如橡膠彈性元件等部件一般不超過10 年,電子、電氣元件則不超過16 年。因此所謂“車輛壽命”,實際是由那些價值較高、不易更換的部件設計壽命決定。國外地鐵發(fā)展起步較早,因此也較早地開展了地鐵車輛服役壽命評估研究[1],但未形成統(tǒng)一的評估標準或技術規(guī)范。北京地鐵1 號線1969 年開通,是我國最早的地鐵系統(tǒng),隨后又相繼在1984 年和2001 年開通2 號線和13 號線,與之相較,其它城市地鐵開通時間均較晚,絕大多數(shù)地鐵車輛均未達到設計壽命。隨著車輛設計壽命的臨近,各地陸續(xù)開始探索車體使用壽命研究和車輛使用壽命評估[2],所運用的評估方法均有所不同。本文在北京地鐵較早一批開通線路車輛使用壽命評估的基礎上,梳理車輛關鍵部件、選取合理的評估方法,探究地鐵車輛使用壽命的評估體系,旨在為建立一套的技術規(guī)范提供思路。

1 評估方法

1.1 技術路線和評估原則。地鐵車輛根據(jù)不同情況對設計壽命定義不同。對于不可修復的系統(tǒng)設備(例如易損易耗件、電子元器件等),第一次失效就報廢,因此失效前的工作時間就稱為其壽命,即報廢壽命；對于可修復系統(tǒng)設備則有不同的壽命情況:如果故障率超出了運營允許的范圍或由于技術落后滿足不了運營需要,必須進行改造、維修的情況,稱為技術壽命。另外,還有可能由于經(jīng)濟方面的原因不值得維修而被淘汰,則涉及到經(jīng)濟壽命。車輛各系統(tǒng)如轉向架、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等屬于可修復系統(tǒng),在車輛使用壽命中將經(jīng)歷多次檢修,但是如果這些產(chǎn)品故障率較高,維修性差,將直接影響車輛的運用可靠性和經(jīng)濟性?？煽啃越档蛯泶罅康墓收下?、故障隱患等,甚至危及運營安全,因此選取的原則從可靠性、安全性(風險評估)及經(jīng)濟性三個角度出發(fā)。對于地鐵車輛來說,各系統(tǒng)均為模塊化設計,部件可以通過維修和更換來延長其使用壽命,車輛的綜合使用壽命可以包括一個或多個大修間隔期。因此使用壽命的確定方法,同樣也適用于總壽命和大修間隔期的確定。目前確定使用壽命的主要方法是通過數(shù)據(jù)的積累輔以仿真計算等方式的經(jīng)驗法、計算法及試驗法相結合的方式。隨著可靠性工程學科的發(fā)展,通常對試驗室或現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)進行處理,判斷其分布函數(shù)的類型,利用可靠性工程理論,計算出包括可靠壽命等可靠性特征參數(shù)值。這種方法確定出的壽命值符合實際情況,具有較好的精度,這種方法稱為數(shù)理統(tǒng)計法。

1.2 關鍵部件選取。以北京地鐵某線路車輛為例,車輛處于壽命中后期,需要從技術壽命和經(jīng)濟壽命兩方面確定車輛綜合使用壽命。通過統(tǒng)計各系統(tǒng)年度故障率可以看出(圖1),其中客室門系統(tǒng)故障率較高且占比最大,牽引輔助電源系統(tǒng)(含牽引電機)故障率其次,其他系統(tǒng)如機械走行部、乘客信息系統(tǒng)、列車控制網(wǎng)絡及制動風源系統(tǒng)故障率穩(wěn)定,空調通風和車載信號系統(tǒng)占比較低。另外結合車輛各系統(tǒng)大修維修成本分析(圖2),牽引及輔助電源系統(tǒng)是車輛核心系統(tǒng),制造及維修成本占比較高；制動風源和空調系統(tǒng)以部件更換為主；而機械及其他系統(tǒng)維修以翻修補強為主,維修成本占比一般[9]。1.2.1 機械系統(tǒng)。機械系統(tǒng)包含車體、機械走行部及內裝等,其中車體維修需要主要對前端玻璃鋼頭,底架、側墻、頂板及端墻等鋼結構進行鉚修、補修及焊修等,徹底維修需要拆除全部內裝、線纜、客室設備及部分車下箱體等,維修施工難度大,成本高,經(jīng)濟性差。目前國內地鐵車輛的設計壽命主要是參照車體壽命,車輛車體材料主要分為耐候鋼,不銹鋼和鋁合金,其中耐候鋼雖制造成本低,但重量較重,耐腐蝕性能差,維修經(jīng)濟性較差[3]。機械走行部是列車運行安全的重要基礎,維修內容主要為轉向架無損探傷、考限、局部焊修補強及橡膠件更換等,但針對構架薄弱點無法反復焊修,全壽命周期內僅可進行一次補強。1.2.2 牽引及輔助電源系統(tǒng)。牽引輔助電源系統(tǒng)維修方式主要以更換電氣元件為主,維修內容涉及系統(tǒng)大范圍核心部件更新,維修成本與新制成本相當,經(jīng)濟型較差。1.2.3 客室門系統(tǒng)。隨著車輛運用里程的累積,客室門系統(tǒng)故障率總體呈上升趨勢,究其原因主要有電器部件如門控器、驅動單元老化,機械部件如傳動裝置磨損以及車體變形帶來的異常損耗等,電器部件維修主要以元件更新為主；機械部件維修需要車體整形、鉚修及機構整修,維修難度大。1.2.4 其他系統(tǒng)。其他諸如乘客信息系統(tǒng)、列車控制網(wǎng)絡、制動風源、空調通風和車載信號系統(tǒng)故障率和維修成本占比較低,且維修過程不涉及其他主要車輛系統(tǒng),部件可單獨進行維修和更換,維修性和經(jīng)濟型較好。綜上所述,在評估車輛綜合使用壽命時,綜合考慮車輛運用可靠性及經(jīng)濟性等因素,將以機械系統(tǒng)即車體、走行部為核心,并研究牽引及輔助電源系統(tǒng)和客室門系統(tǒng)的技術壽命和經(jīng)濟壽命,將車輛系統(tǒng)拆分為車體,轉向架,電氣板卡三部分關鍵部件進行評估。

圖1 車輛系統(tǒng)故障率

圖2 車輛系統(tǒng)維修費用

1.3 關鍵部件評估方法。1.3.1 車體及轉向架。車體和轉向架是車輛的主要機械部件,其使用壽命主要分為結構狀態(tài)評估和疲勞壽命評估兩部分。結構狀態(tài)評估內容包括金屬結構的形變、腐蝕、缺陷及裂紋[8]等情況檢查。疲勞壽命評估是通過按照車體和轉向架構架設計資料、圖紙、現(xiàn)場狀態(tài)檢查結果準確建立有限元模型,進行靜強度、疲勞強度計算,確定車輛結構的強度薄弱部位,并動態(tài)采集應力譜、載荷譜和加速度譜,利用有限疲勞壽命計算方法及累積損傷法則進行疲勞分析和評估。由于車體和走行部結構的疲勞破壞一般發(fā)生在焊接接頭處,因此焊接接頭的疲勞評估應該是車體結構疲勞評估的主要關注點。1.3.1.1 狀態(tài)檢查。依據(jù)車輛基本尺寸以及維修考限尺寸等,對車體,動車、拖車轉向架構架進行尺寸測量,包括結構尺寸、考限、車體靜撓度等。通過總結以往維修經(jīng)驗,對主要承載結構和焊縫等進行腐蝕情況檢查,以及無損檢測檢查有無結構缺陷或裂紋。1.3.1.2 疲勞分析及評估。通過采用JIS E7105-1989、EN 12663-1:2014 對車體建立有限元模型并進行靜強度和疲勞強度校核,確定車體結構的強度薄弱部位主要分布于焊縫處。對于車體焊縫常用的疲勞評估方法有北美鐵路協(xié)會AAR《機務標準手冊》、英國BS 7608 和IIW-2259-15 等3 種標準[4-5]。標準均采用Miners 線性累積損傷原理,其中AAR 標準是用Goodman 圖進行評估,BS 和IIW 均采用S-N 曲線進行評估,但對于焊縫評級、尺寸的修正和小應力的循環(huán)損傷解釋略有不同,因此評估的結果會產(chǎn)差異[6]。對于轉向架構架常用的疲勞評估方法有UIC 615-4、EN 13749 和JIS E4207。在條件允許的情況下,車體和轉向架構架宜使用3 種標準同時進行評估,并舍棄相差最遠的那個,然后取相近結果中比較保守的一個；如果3個結果相差太遠,那么需要重新考慮接頭形式的選取是否合理,并重新進行評估。1.3.2 電氣板卡。對于核心電氣系統(tǒng),主要采用Crow-AMSAA(MIL-HDBK-189)可靠性增長模型對整車掉線(含救援,后面均以掉線表示該情況)、臨修、掉線+臨修三類故障進行可靠性分析。該模型是建立在嚴格隨機過程理論基礎上的有效統(tǒng)計學模型,其一般流程為:收集并整理整車故障數(shù)據(jù),導入Crow-AMSAA 可靠性增長模型并確定其失效強度函數(shù),進而預測MTBF 等可靠性指標。采用基于統(tǒng)計模型的可靠性分析方法對關鍵系統(tǒng)進行可靠性分析,其一般流程為:收集并整理系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計模型方法確定系統(tǒng)的故障分布模型及參數(shù),進而預測其故障率、可靠度、MTBF 及可靠壽命等可靠性指標。故障率公式如下:

式中:

N:各系統(tǒng)規(guī)定時間內的故障總次數(shù)；

T:各系統(tǒng)規(guī)定時間內的累計工作時間。

采用FMECA 方法對各關鍵系統(tǒng)進行故障模式、影響及危害性分析,評估每一部件故障模式對系統(tǒng)的影響,計算各故障模式或部件的危害度并輸出危害性矩陣圖。

式中:

Cij:部件i 的第j 個故障模式的危害度；

αij:部件i 以故障模式j 發(fā)生故障的頻數(shù)比；

βij:部件i 發(fā)生故障模式j 時的故障影響概率；

λ:部件故障率；

t:工作時間。

依 據(jù) GB/T 19864.1-2013、GJB 548B-2005、JY/T 010-1996、JY/T 012-1996、GB/T 6040-2002、GB/T 17359-2012 等相關標準對電氣系統(tǒng)板卡進行失效分析和退化分析,評估其失效原因及退化狀態(tài)[7]。1.3.2.1 失效分析:以門控板和IO 板等板卡失效分析為例,相應失效分析項點見表1。1.3.2.2 退化分析方法:板卡退化分析對象主要包括機電元件、通用元件、分立元件、光電器件、集成電路、PCBA 及焊點等特征部件。機電元件主要包括連接器、繼電器、電位器、開關和變壓器。其中,連接器退化分析關注點為插針接觸電阻和插針鍍層隨時間、環(huán)境的變化情況；繼電器退化分析關注點為觸點接觸電阻、簧片形變、觸點完整性及表面成分等隨時間、環(huán)境的變化情況；電位器退化分析關注點為其阻值、塑封體隨時間、環(huán)境的變化情況,以及內部銀電極附近隨時間、環(huán)境變化,是否會存在銀遷移物；開關退化分析關注點為觸點接觸電阻、簧片形變、觸點完整性及表面成分等隨時間、環(huán)境的變化情況；變壓器退化分析關注點為感量、銅線引出端、漆包膜等隨時間、環(huán)境的變化情況。通用元件主要包括電阻(金屬膜電阻、繞線電阻、插件金屬膜電阻、貼片電阻、插件水泥電阻、排阻),電容(鋁電解電容、薄膜電容、MLCC 電容、插件陶瓷電容、鉭電容、排容),電感(繞線電感、片式電感)。PCBA 退化分析主要關注隨著時間、環(huán)境的變化,PCBA 是否存在污染,表面是否有金屬遷移等異?，F(xiàn)象；焊點主要包括表貼焊點與插裝焊點,其退化分析關注點為焊點釬料填充完整性、潤濕性、晶粒尺寸、相分布、微裂紋、空洞等隨時間、環(huán)境的變化情況,焊點周圍腐蝕及電化學遷移狀況,線路完整性及CAF 現(xiàn)象。依照分析結果編制設備使用壽命周期內的故障率變化曲線,即浴盆曲線(圖3),表現(xiàn)設備的故障發(fā)展規(guī)律變化的趨勢,用于評估其使用壽命。當元件處于第三階段損耗故障期時,其故障率將隨工作時間顯著增高,系統(tǒng)可靠性急劇下降。

表1 板卡失效分析項點

圖3 浴盆曲線示意圖

2 評估效果

以北京地鐵某線路評估結果為例,利用上述評估方法,能夠得到可靠且較為準確的車體、轉向架剩余疲勞壽命,并得到電氣板卡的故障率變化趨勢。依照評估結果,可以預測車輛綜合壽命及故障率能否滿足安全運營需求,并提供經(jīng)濟性參考,有助于合理制定維修策略[10]。

2.1 車體及轉向架

車體結構疲勞壽命評估結果表明,疲勞損傷較大部位主要分布在牽引梁下蓋板焊縫處、牽引梁腹板與車鉤座焊縫處、枕內縱向梁焊縫處和側梁與枕梁焊縫處；在車體結構主要承載梁件區(qū)域,Mc 車二位端牽引梁下蓋板焊縫處,T0 車一位端牽引梁下蓋板焊縫處。轉向架構架疲勞壽命評估結果表明,疲勞損傷較大部位主要分布在一系簧座與側梁下蓋板焊縫處、電機座上蓋板與橫梁焊縫處、小縱梁與橫梁焊縫處；在動車轉向架構架主要承載梁件區(qū)域,電機座上蓋板與橫梁焊縫處、牽引座上蓋板與橫梁焊縫處疲勞損傷較大部位與有限元分析和靜強度計算應力較大區(qū)域相吻合。個別測點累計疲勞損傷大于1,無法滿足設計壽命要求,其余測點區(qū)域均有較高的疲勞強度裕量,

2.2 電氣板卡

通過預測其故障率、可靠度、MTBF 及可靠壽命等可靠性指標分析,客室門系統(tǒng)的維護故障率高于相應評價指標；客室門系統(tǒng)、牽引輔助供電系統(tǒng)的運營服務故障率和MTBF 均無法滿足相應評價指標,系統(tǒng)分別平均約每20 多天會發(fā)生一次故障；應合理安排檢修周期,并加強維保和安全監(jiān)控。退化分析結果表明,部分電氣板卡存在以下現(xiàn)象:

2.2.1 機電元件的連接器插針存在開裂及鍍層脫落的現(xiàn)象,繼電器內部觸點存在異常元素,這些都會導致電路中的導通電阻變大,從而導致板卡不能正常工作。

2.2.2 通用元件中金屬膜電阻存在金屬膜脫落的現(xiàn)象,金屬膜脫落程度加深,會導致電阻阻抗變大甚至開路；繞線電阻塑封體存在裂紋,水氣或腐蝕物容易通過裂紋金屬到電阻內部,從而導致電阻失效；軸向薄膜電容芯子與陰極引出端存在開裂現(xiàn)象,開裂會導致整個電容寄生電阻變大,從而影響電路中電壓。

2.2.3 分立器件中二極管(中)芯片側邊發(fā)現(xiàn)有金屬Pb,存在金屬遷移風險；齊納二極管芯片底部存在裂紋,裂紋延伸到功能區(qū)會導致芯片功能異常；三極管芯片焊點部位存在裂紋,裂紋延伸會導致三極管連接不良失效。

2.2.4 PCBA 表面發(fā)現(xiàn)有Na、Mg、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Fe 異常元素,當遇到潮濕環(huán)境時,存在漏電風險；PCBA 焊點存在明顯的疲勞開裂現(xiàn)象,開裂位于焊錫內部,呈現(xiàn)沿晶開裂形貌,個別位置發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋現(xiàn)象。

2.2.5 抽取的元件退化比例為84.61%(11/13),大部分元件和焊接質量處于退化狀態(tài),根據(jù)浴盆曲線,可靠性進入到了損耗失效期。

3 結論

隨著城市地鐵運營里程逐年增加,運營成本是地鐵行業(yè)發(fā)展需要面臨的重要問題,車輛作為運營的基礎,其維護需要投入更多的資源,越來越多的城市面臨地鐵車輛綜合使用壽命評估。本文通過梳理車輛關鍵部件狀態(tài)分析過程,總結了關鍵部件的選取、評估方法等,本方法能夠綜合評估車輛主要機械結構及核心電氣板卡的狀態(tài)及技術壽命,能夠有效的進行地鐵車輛綜合使用壽命評估,為車輛制定維修、更新或延壽提供一定依據(jù)。