軌道車輛以可靠性為中心的維修策略應(yīng)用

邴昱凱，王志勇

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

引言

另一方面，許多車輛維修維護(hù)公司必須滿足相關(guān)法規(guī)和安全當(dāng)局規(guī)定的維護(hù)程序。但是隨著鐵路運(yùn)輸與其他形式的交通運(yùn)輸互相競爭，諸多軌道交通公司分別提供運(yùn)輸服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，客戶需求也是以較低的成本，獲得最好的服務(wù)，這些都迫使車輛制造維修公司和運(yùn)營維護(hù)公司優(yōu)化包括維修規(guī)程在內(nèi)的各項工作。因此，有必要制定新的策略來處理這些問題。以可靠性為中心的維修策略（RcM）提供了最系統(tǒng)化和有效的解決車輛維修問題的策略。RcM結(jié)合風(fēng)險管理技術(shù)和工具，如失效模式、影響、危害性分析（FMEcA）和邏輯樹分析法[1]，根據(jù)車輛的技術(shù)狀態(tài)，得出現(xiàn)階段最有效的維修維護(hù)方案。

本文的結(jié)構(gòu)如下，第一節(jié)介紹了目前某車輛的維修策略和必要性，第二節(jié)介紹了RcM策略在輪對檢修過程中的應(yīng)用，第三節(jié)為本文的總結(jié)。

1 軌道車輛傳統(tǒng)維修策略

傳統(tǒng)的運(yùn)營及維護(hù)公司多采用按規(guī)定的進(jìn)度計劃實施的預(yù)防性維修，也稱計劃維修。定期維修工作適用于呈現(xiàn)耗損故障規(guī)律產(chǎn)品，即隨著運(yùn)用時間、里程等壽命單位的增加，故障率呈遞增趨勢。可分為如下：

1）日常維護(hù)：輕微的維護(hù)，運(yùn)營結(jié)束后立即進(jìn)行的工作，屬于列車運(yùn)營結(jié)束后開展的小修活動，目的是發(fā)現(xiàn)和解決列車服務(wù)期沿途可能發(fā)生的故障。包括清潔、檢查和保養(yǎng)，這類維修是對各系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)維護(hù)說明進(jìn)行處理，如轉(zhuǎn)向架、制動、空調(diào)、車門等系統(tǒng)。一般根據(jù)計劃分為列檢、周檢、雙周檢、月檢、三月檢、半年檢、年檢等，按照時間與里程先到的原則入修，檢修工作根據(jù)實際車輛使用性需求及檢修能力通常在2小時至7天內(nèi)完成。

2）架修：該檢查及維修集中在轉(zhuǎn)向架上，要拆下轉(zhuǎn)向架并在專用設(shè)施上進(jìn)行檢查，根據(jù)相關(guān)維護(hù)說明，同時對其余系統(tǒng)進(jìn)行必要的檢查及維修。

3）大修：對整車各系統(tǒng)全面檢查和維修。除了轉(zhuǎn)向架以外，還要拆下其他重要設(shè)備的部件在專用設(shè)施上對設(shè)備的每個部件進(jìn)行檢查和維修。

部分公司還會根據(jù)修程中的維修內(nèi)容分解并重新組成許多小的工作包，以便可以在庫停期間分散而均衡地完成上述維修工作包。這種“化整為零”的維修方式可以大幅降低在修停時，顯著提高車輛使用率，但該策略對維修計劃的編制和管理提出了更高的要求。

對于類似機(jī)組主軸密封、迷宮環(huán)冷卻供水冷卻作用后直接流入流道的用戶，無法通過自循環(huán)供水系統(tǒng)實現(xiàn)冷卻功能，故該類用戶建議采用穩(wěn)定的施工支洞滲漏水或其他市政供水作為汛期的備用冷卻水源。對于消防供水建議設(shè)置消防水池作為汛期消防供水的備用水源。

因此，需要指出的是為了提高維修生產(chǎn)力，同時不影響車輛的使用性，基于固定時間的維修維護(hù)可能不具備足夠的靈活性。根據(jù)車輛的技術(shù)狀態(tài)需要重審并修改維修工作，現(xiàn)有策略的缺點如下：

1）未能考慮相似車輛性能方面的不一致性。

2）當(dāng)車輛很少使用時，成本效益低。

3）當(dāng)車輛使用頻繁，整體大修可能要提前進(jìn)行。

需要注意的是每種維修維護(hù)策略都有其優(yōu)缺點，預(yù)防修的目的是預(yù)防故障后果而不是故障本身，故障后果的嚴(yán)重程度是確定是否做預(yù)防修工作的出發(fā)點。預(yù)防修是有成本和代價的，各種故障都不計成本地進(jìn)行預(yù)防會得不償失，也是不可持續(xù)的，為此，需要通過綜合權(quán)衡，只對具有安全性、任務(wù)性和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)性后果的重要產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)防修工作。針對產(chǎn)品不同特點和故障規(guī)律，應(yīng)“對癥下藥”，采取不同的預(yù)防性維修方式。對于以耗損故障為主的簡單機(jī)械裝備，定期檢修效果明顯；但對于復(fù)雜產(chǎn)品，除非有占主導(dǎo)故障地位的薄弱環(huán)節(jié)，一般無耗損故障趨勢，傳統(tǒng)“一刀切” 的“大拆大卸、開膛破肚”式定期分解修通常沒有明顯效果，有時反而會引入早期故障。即使是適于采用定期分解修的耗損部件，也應(yīng)把握好分解修時機(jī)，否則會修出更大隱患。如：軸承、齒輪箱等機(jī)械配合件，經(jīng)過一段時間的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)，可能正處于最佳的磨合匹配狀態(tài)，若此時進(jìn)行不恰當(dāng)?shù)姆纸鈾z查，將會破壞原有的最佳配合狀態(tài)，組裝后部件需要再次重新磨合，可能產(chǎn)生隱患。

產(chǎn)品的預(yù)防修工作類型不同，其資源消耗、費(fèi)用、深度和難度是不相同的，應(yīng)根據(jù)需要選擇適用而有效的工作類型，從而在保證可靠性的前提下，節(jié)省資源與費(fèi)用。通俗講就是“能吃藥不打針、能打針不開刀”，適用是指對癥下藥，有效是用藥的時機(jī)、頻度和數(shù)量要恰當(dāng)，用最經(jīng)濟(jì)有效的方式解決維修問題。

RcM可理解為維修中的辯證法，它將實事求是、具體問題具體分析、遵照客觀規(guī)律、全面系統(tǒng)分析問題等辯證法原理靈活運(yùn)用到維修分析，為維修優(yōu)化工作提供了一套較為完整的方法論。針對給定的情況，最佳的解決方案只能是通過仔細(xì)考慮運(yùn)行環(huán)境和規(guī)定的輸出特性來決定的，而安全性是軌道車輛的重要因素，最知名和廣泛應(yīng)用維修策略為以可靠性為中心的維修策略（RcM）。RcM提出了潛在故障和隱蔽功能故障概念。潛在故障是一種指示功能故障即將發(fā)生的可鑒別的狀態(tài)[2]。很多產(chǎn)品在出現(xiàn)功能故障之前，會表現(xiàn)出功能狀態(tài)逐漸劣化的潛在故障，利用相關(guān)監(jiān)測手段對潛在故障及時鑒別和判斷，進(jìn)而決定是否實施維修，即狀態(tài)修。狀態(tài)修可在充分發(fā)揮產(chǎn)品剩余壽命的同時防止功能故障，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

一套完善的RcM對于改進(jìn)車輛可靠性和可用性意義重大，通過減少車輛故障率來提高生產(chǎn)力。當(dāng)故障被認(rèn)知時，故障的影響也同樣被認(rèn)知，因此選擇RcM策略可提高檢修生產(chǎn)力。

2 RCM在輪對維修過程中的實施

在本節(jié)介紹RcM是如何實施的。RcM實施分四個重要階段，在某些應(yīng)用中這些階段可以進(jìn)一步細(xì)分，但主要概念是類似的。

1）系統(tǒng)選擇和邊界定義；

2）系統(tǒng)功能及功能故障；

3）失效模式及影響（關(guān)鍵性）分析；

4）任務(wù)選擇。

第1階段：系統(tǒng)及組件的選擇以及系統(tǒng)邊界的定義包括在第一階段?？紤]到軌道車輛包括多個從屬的子系統(tǒng)，通過對車輛的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行的初步調(diào)研，輪對屬于最關(guān)鍵的子系統(tǒng)，在車輛運(yùn)用過程中，它導(dǎo)致的車輛停機(jī)時間最高。因此，本文為了表明實施RcM所帶來的優(yōu)點，選擇了某項目拖車輪對進(jìn)行分析。拖車輪對物理配置上的五個主要部分：車輪、車軸、軸箱、軸承和降噪裝置。每個組件由一些部件構(gòu)成，鑒于篇幅所限，這里將不詳細(xì)論述。必須注意的是輪對在運(yùn)行過程中能夠提供合適的速度并按照既定的方向引導(dǎo)車輛，尤其是連接部位。同時滿足規(guī)定的安全要求，能夠滿足舒適度要求并且在必要時滿足適當(dāng)?shù)闹苿右?為了便于表達(dá)本文僅用上述五部分進(jìn)行論述，其他系統(tǒng)可參考相同的方法。

第2階段：在本階段，本系統(tǒng)描述及邊界定義中給出的信息用于模擬具體功能及功能失效狀態(tài)。為此，將主要列舉功能及功能失效時的影響，以便于正確的指導(dǎo)PM任務(wù)的最終選擇。本階段的重要性在于所選系統(tǒng)的整體性能是否已經(jīng)給予考慮。每一項性能在功能所屬的類別項下均為已知的。如果無動作，該現(xiàn)象稱為功能故障。通常，每個輪對定義了三項功能。針對每項功能與運(yùn)行相關(guān)的情況，在表1中定義并展示了三項功能及故障。

表1 輪對的功能/功能故障描述

第3階段：本階段可以細(xì)分為兩個主要階段：3-1階段和3-2階段。在3-1階段，針對所述失效部件之間的關(guān)系應(yīng)采用矩陣的格式展示。表2給出了輪對子系統(tǒng)的結(jié)果。該矩陣的垂直方向和水平方向的分量分別是第1階段的部件清單和第2階段的功能故障清單。此時的分析任務(wù)目的是識別出能夠潛在的產(chǎn)生一項或者多項功能故障的組件，并且在每個適當(dāng)?shù)倪x項框內(nèi)通過“X”勾選。

表2 功能故障矩陣圖

第3-2階段是RcM的核心。針對該系統(tǒng)，應(yīng)執(zhí)行一個完整的FMEcA流程。根據(jù)表2的內(nèi)容，所選的這些部件標(biāo)注了“X”并體現(xiàn)在FMEcA中，在故障原因列，將給出該特定損壞模式發(fā)生的各種原因。

在FMEcA中，故障影響欄體現(xiàn)了可能僅與輪對相關(guān)的損壞相關(guān)的影響。但是，其中的一些影響可能續(xù)存并影響整個車輛的性能，甚至可能威脅到乘客的安全。因此，最后，風(fēng)險順序數(shù)（RPN）體現(xiàn)的是每個系統(tǒng)中故障的優(yōu)先級。它與關(guān)鍵性的作用基本相同。后者針對每種失效模式通過可探測性、發(fā)生頻數(shù)和重要程度計算得出。因這三個數(shù)均是由1～10組成的三位數(shù)，1位最小值，10為最大值，則RPN介于1～1 000之間。重要一點就是，對于RPN來說，不設(shè)定具體的臨界參數(shù)。但是，針對本次研究，我們采用133作為臨界參數(shù)。這是在大多數(shù)類似項目上采用的RPN邊界值。RPN邊界值表明的是我們不能讓組件一直運(yùn)行到發(fā)生故障。采用RPN的一個明顯優(yōu)勢就是以優(yōu)先性為基礎(chǔ)結(jié)合數(shù)量對破損進(jìn)行安排的可能性。它還能避免產(chǎn)生歧視性意見。鑒于空間有限，僅填寫了某輪對上獲取的數(shù)據(jù)。

第4階段：該階段的主要目的是針對每項停機(jī)確定檢修任務(wù)和間隔。根據(jù)FMEcA的內(nèi)容，相關(guān)列包括功能障礙、失效模式和故障原因。然后，根據(jù)圖1所示的邏輯樹決策流程，利用每次故障時通過前一階段獲得的RPN值來答復(fù)第1到7步邏輯決斷的內(nèi)容。

設(shè)計邏輯樹時，保證了安全處于第一優(yōu)先級。如果發(fā)生的故障對安全產(chǎn)生直接影響，則無論是否從質(zhì)量成本角度講，它對質(zhì)量的影響都不再重要。因此，流程圖的主旨是通過預(yù)測性維修（PdM）方法對故障進(jìn)行預(yù)測，例如狀態(tài)監(jiān)控（cBM）。通過該流程圖，能夠確定PM任務(wù)或者周期檢測內(nèi)容，以防止發(fā)生故障。如果故障不影響車輛的安全，則可以考慮其他的一些優(yōu)先級，例如質(zhì)量和成本，來確定檢修任務(wù)。如果所有這些因素都不重要，則流程圖可以完美的讓設(shè)備運(yùn)行直至發(fā)生故障，這就是所謂的故障維修（cM）。出現(xiàn)某些故障時，將根據(jù)故障原因的不同而出現(xiàn)可以識別的失效模式，屆時可以獲取不同的RPN。這種情況下，將考慮擁有最高級別RPN的故障原因來執(zhí)行檢修任務(wù)。例如較高的RPN，如果能夠提供預(yù)測方法，則建議采用這些方法，而不考慮財務(wù)費(fèi)用。例如利用在線監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測軸箱狀態(tài)，檢測范圍包含軸承，防止出現(xiàn)溫度過高造成危險，則不需要人工執(zhí)行檢修任務(wù)。經(jīng)過邏輯樹決策并結(jié)合專家經(jīng)驗給出應(yīng)對措施和檢修時間間隔，表3中展示了FEMcA分析后的RcM決策過程。

表3 某型輪對的RCM決策過程（續(xù)）

表3 某型輪對的RCM決策過程

3 結(jié)論

本論文展示了RcM在輪對檢修場景中的應(yīng)用，它有助于專家確定檢修修程。以時間和里程為基礎(chǔ)的PM能夠制定一份簡單的檢修計劃。但是，考慮到車輛的差異性及其各種使用情況，無法保證能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的修級。換句話說，車輛中每個失效功能取決于其對整個系統(tǒng)的影響并需要一個專門的檢修任務(wù)，需要統(tǒng)籌安排制定檢修計劃。本論文的目的不是將RcM延伸到整個檢修單元和擴(kuò)大工作的復(fù)雜性，而是對車輛進(jìn)行利用。也就是說，輪對對于車輛停機(jī)時間影響極大。第4階段的結(jié)果是對檢修任務(wù)類型及其時間計劃的確定。RcM技術(shù)如能正確地被應(yīng)用到現(xiàn)行的維修中，在保證生產(chǎn)安全性和設(shè)備可靠性的前提下，可將日常的維修工作量降到40～70 %，可以減少欠修或過度修，并降低運(yùn)用期間的停機(jī)時間，值得推廣。