基于某公鐵車的可靠性技術(shù)研究

劉美惠，劉辛夷，肖傳棟

(1.青島中車四方軌道車輛有限公司，山東 青島 266000；2.大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著軌道交通產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，公鐵兩用車作為軌道交通產(chǎn)業(yè)的配套產(chǎn)品，需求量日漸增長(zhǎng)。因此，用戶對(duì)公鐵兩用車的可靠性問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，本文結(jié)合某公鐵兩用車項(xiàng)目來(lái)闡述公鐵兩用車的可靠性設(shè)計(jì)。

1 可靠性設(shè)計(jì)分析工作概述

可靠性設(shè)計(jì)分析的主要工作內(nèi)容包括可靠性建模、可靠性分配、基本可靠性預(yù)計(jì)、維修性預(yù)計(jì)等相關(guān)工作，目的是落實(shí)總體單位可靠性研制總要求，從而完成產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析工作。

2 某公鐵兩用車可靠性設(shè)計(jì)總體要求

2.1 項(xiàng)目背景

某公鐵車由牽引車和拖車組成，共6輛。牽引車主要用于消防員和簡(jiǎn)易消防工具的運(yùn)輸以及同類車的救援牽引或牽引軌道拖車，其運(yùn)行模式為公路模式和鐵路模式，兩種模式均為后橋膠輪驅(qū)動(dòng)。拖車為純軌道運(yùn)行非動(dòng)力車輛，主要用于消防材料和簡(jiǎn)易消防工具的運(yùn)輸。

2.2 可靠性設(shè)計(jì)總體要求

客戶要求的項(xiàng)目可靠性相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 項(xiàng)目可靠性相關(guān)指標(biāo)

3 公鐵兩用車可靠性設(shè)計(jì)具體步驟

3.1 公鐵兩用車總體結(jié)構(gòu)

公鐵兩用運(yùn)輸車總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由車體及連掛裝置、電氣系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和司機(jī)室等組成。車體為整車的安裝及承載主體，是所有主要設(shè)備件結(jié)構(gòu)安裝及承載的載體。

圖1 公鐵兩用電動(dòng)運(yùn)輸車(軌道拖車)平面示意圖

車體的前后端設(shè)置連掛及被救援用的連接裝置(車鉤)；車體的下方布置前后鐵路走行部、轉(zhuǎn)向橋、電驅(qū)動(dòng)橋、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣柜以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等；車體上方布置司機(jī)室、蓄電池及管理系統(tǒng)以及運(yùn)送消防員的護(hù)欄平臺(tái)等。

司機(jī)室內(nèi)部按照右側(cè)駕駛設(shè)置，主要有操縱臺(tái)、1個(gè)駕駛座椅、2個(gè)副駕駛座椅、2個(gè)側(cè)門、2個(gè)滅火器、后視鏡、扶手以及其他設(shè)備件。駕駛座椅前后、上下可調(diào)，副駕駛座椅為前后可調(diào)，每個(gè)座椅均配置安全帶。司機(jī)室兩側(cè)面轉(zhuǎn)軸平開(kāi)門，門上設(shè)置推拉窗、門鎖。拖車主要由鐵路走行、車體、連掛裝置及移動(dòng)式護(hù)欄等組成。

車體為簡(jiǎn)易類平板結(jié)構(gòu)，其下面設(shè)計(jì)安裝兩條鐵路走行輪系，每一軸系配置一電磁制動(dòng)器，具備停放制動(dòng)及手動(dòng)操作功能；鋼結(jié)構(gòu)兩端各設(shè)置一連接裝置，用于與牽引車連掛。

3.2 系統(tǒng)可靠性建模

3.2.1 系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型

車輛系統(tǒng)的基本可靠性采用串聯(lián)模型，因此通過(guò)所有子系統(tǒng)故障率的總和得到系統(tǒng)故障率。系統(tǒng)可靠度Rs(t)的計(jì)算公式如下：

(1)

其中：Ri(t)為第i子系統(tǒng)的可靠度；λs為系統(tǒng)的故障率。

系統(tǒng)故障率為：

(2)

其中：λi為第i子系統(tǒng)的故障率。系統(tǒng)的故障率λs是組成串聯(lián)系統(tǒng)的子系統(tǒng)的故障率之和。整車的平均無(wú)故障時(shí)間為：

(3)

整車的故障率為：

(4)

3.2.2 系統(tǒng)的基本可靠性方框圖

系統(tǒng)的基本可靠性為全串聯(lián)模型，可靠性框圖如圖2所示。

圖2 公鐵兩用電動(dòng)運(yùn)輸車(軌道拖車)基本可靠性框圖

3.3 系統(tǒng)可靠性分配

3.3.1 方法選擇

公鐵兩用電動(dòng)運(yùn)輸車(軌道拖車)項(xiàng)目采用評(píng)分分配法對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配，在可靠性數(shù)據(jù)非常缺乏的情況下，通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員或?qū)＜覍?duì)影響可靠性的幾種因素評(píng)分，對(duì)評(píng)分進(jìn)行綜合分析而獲得各子系統(tǒng)之間的可靠性相對(duì)比值，再根據(jù)相對(duì)比值來(lái)給每個(gè)子系統(tǒng)或設(shè)備分配可靠性指標(biāo)。

3.3.2 評(píng)分分配法

(1) 評(píng)分因素有復(fù)雜度、技術(shù)水平、工作時(shí)間、環(huán)境條件。

(2) 評(píng)分原則如下：

復(fù)雜度：最復(fù)雜的評(píng)10分，最簡(jiǎn)單的評(píng)1分。

技術(shù)水平(成熟程度)：水平最低的評(píng)10分，水平最高的評(píng)1分。

工作時(shí)間：子系統(tǒng)工作時(shí)間最長(zhǎng)的評(píng)10分，最短的評(píng)1分。

環(huán)境條件：子系統(tǒng)工作過(guò)程中會(huì)經(jīng)受極其惡劣而嚴(yán)酷環(huán)境條件的評(píng)10分，環(huán)境條件最好的評(píng)1分。

(3) 相關(guān)計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

Ci=ωi/ω.

(7)

(8)

3.3.3 可靠性分配結(jié)果

車輛的初步可靠性分配結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 車輛的初步可靠性分配結(jié)果

3.4 產(chǎn)品可靠性及可維修性預(yù)計(jì)

3.4.1 產(chǎn)品可靠性及可維修性預(yù)計(jì)概念

車輛系統(tǒng)的可靠性、可維修性預(yù)計(jì)分析是從局部到整體的一個(gè)系統(tǒng)綜合的過(guò)程，通過(guò)可靠性、可維修性分析發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品可靠性、可維修性的主要因素和薄弱環(huán)節(jié)，以便采取設(shè)計(jì)和工藝措施實(shí)施改進(jìn)，利用系統(tǒng)可靠性分析方法對(duì)公鐵兩用電動(dòng)運(yùn)輸車(軌道拖車)進(jìn)行可靠性、可維修性預(yù)計(jì)，預(yù)估整車的故障率。

3.4.2 可靠性及可維修性預(yù)計(jì)

可靠性及可維修性預(yù)計(jì)步驟如下：

(1) 列出車輛各系統(tǒng)所包含的組件、數(shù)量及設(shè)備故障率和來(lái)源。

(2) 將導(dǎo)致車輛故障的故障率相加，計(jì)算整車的可靠性及可維修性指標(biāo)。

按上述步驟計(jì)算各子系統(tǒng)MTBF及故障率，根據(jù)公司對(duì)類似產(chǎn)品的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、估算，與子系統(tǒng)供應(yīng)商的協(xié)商、分析，得出車輛子系統(tǒng)的可靠性及可維修性數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 車輛可靠性及可維修性預(yù)計(jì)表

MTBF=1 573.69 h>1 300 h.

MTTR=2.19 h<8 h.

整車固有可用性：

(9)

3.5 產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)

已交付2臺(tái)產(chǎn)品，質(zhì)保期從2019年2月～2020年1月，將質(zhì)保期內(nèi)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表4所示。

表4 質(zhì)保期內(nèi)故障統(tǒng)計(jì)

3.6 整機(jī)的可靠性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的故障信息進(jìn)行整機(jī)的可靠性計(jì)算。MTBF和MTTR由故障率值計(jì)算如下:

MTBF=累積工作時(shí)間/累積故障次數(shù).

MTTR=累積故障修復(fù)時(shí)間/累積故障次數(shù).

產(chǎn)品可靠性結(jié)論見(jiàn)表5。

表5 產(chǎn)品可靠性結(jié)論

4 總結(jié)

(1) 對(duì)某公鐵車的可靠性進(jìn)行研究，通過(guò)可靠性建模計(jì)算及預(yù)計(jì)等，結(jié)果表明其可以滿足用戶的可靠性要求。同時(shí)針對(duì)容易發(fā)生故障的部件選用了可靠性較高的部件,并采取了針對(duì)性的措施，在產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)考核期間通過(guò)收集現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)，證明產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)是滿足用戶需求的。

(2) 本研究填補(bǔ)了公鐵兩用車可靠性研究的技術(shù)空白，為公鐵兩用車可靠性數(shù)據(jù)收集、公鐵兩用車大量推廣奠定了基礎(chǔ)。