雙軸跨座式單軌轉(zhuǎn)向架 RAMS指標(biāo)體系構(gòu)建研究

肖 靜，楊百嶺，葉珍珍，寇文娟，楊緒杰，冉 龍

（重慶中車長(zhǎng)客軌道車輛有限公司，重慶 401133）

1 引言

雙軸跨座式單軌轉(zhuǎn)向架分為動(dòng)力和非動(dòng)力2種，其結(jié)構(gòu)一致，互換性良好，走行輪采用橡膠輪胎代替地鐵車輛的鋼輪，通過(guò)導(dǎo)向輪替代地鐵車輛車輪踏面的導(dǎo)向作用，如圖1所示。雙軸跨座式單軌轉(zhuǎn)向架兩側(cè)梁外側(cè)各安裝3個(gè)水平輪，用以引導(dǎo)轉(zhuǎn)向架并控制側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。作為跨座式單軌車輛的核心，轉(zhuǎn)向架對(duì)車輛安全具有重要作用，其良好的RAMS（可靠性，可用性，維修性和安全性）特性，對(duì)于提高單軌車輛性能、滿足用戶需求具有重要意義。在國(guó)際鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理體系要求（IRIS）中，RAMS過(guò)程可單獨(dú)作為一項(xiàng)工程來(lái)實(shí)施，并貫穿到產(chǎn)品全生命周期。從對(duì)產(chǎn)品的可行性分析研究到產(chǎn)品報(bào)廢的整個(gè)生命周期過(guò)程中，建立RAMS論證過(guò)程，通過(guò)RAMS論證過(guò)程梳理RAMS要求，并通過(guò)定性和定量的RAMS指標(biāo)評(píng)定以保證所有RAMS要求的實(shí)現(xiàn)。

2 構(gòu)建 RAMS 指標(biāo)體系

在跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶通過(guò)合同對(duì)各級(jí)供應(yīng)商提出要求，然后由主機(jī)廠細(xì)化對(duì)下游供應(yīng)商的要求，例如，某項(xiàng)目在招標(biāo)文件中對(duì)整車可靠性提出要求：對(duì)導(dǎo)致列車停車時(shí)間超過(guò)3 min及以上時(shí)間的故障給出平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）指標(biāo)（不低于3000 h）；還有其他項(xiàng)目招標(biāo)書要求：造成2 min或以上初始延誤的故障率要求小于1.48次/百萬(wàn)車公里。通過(guò)指標(biāo)的量化，可以更加具體地約束下游供應(yīng)商，保證車輛可靠性的持續(xù)提升。

2.1 可靠性指標(biāo)

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定條件下保持規(guī)定功能的能力。通常采用每列車的故障率（單位：次/h）或MTBF（單位：h）來(lái)表示。在用戶車輛采購(gòu)的招標(biāo)書中，通常會(huì)以某種形式給出可靠性指標(biāo)的具體數(shù)值，然后由RAMS工程師對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)分解，并最終落實(shí)到具體設(shè)備上。對(duì)于可靠性指標(biāo)而言，要深入到每個(gè)部件，甚至零件。

2.2 可用性指標(biāo)

可用性是產(chǎn)品在任意一個(gè)隨機(jī)時(shí)刻處于可用狀態(tài)的能力?？捎眯灾笜?biāo)是指一項(xiàng)設(shè)備在其可靠度、可維修度及維修輔助配合下，在既定或超越既定期間內(nèi)充分提供所需功能的能力，其指標(biāo)是一個(gè)百分比，顯示了列車可供使用的比率，該指標(biāo)可簡(jiǎn)稱為可用度A，其計(jì)算公式為：

式（1）中，MTBF為平均無(wú)故障時(shí)間；MTTR為平均維修時(shí)間。也可采用以下公式計(jì)算可用度A：

式（2）中，停車期是在一段時(shí)間內(nèi)全體列車因?yàn)楣收匣虬才啪S修而停止載客服務(wù)的時(shí)間，維修包括大修、架修、定修、故障修等。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)系統(tǒng)分層架構(gòu)表及預(yù)防性維修計(jì)劃的資料，計(jì)算出測(cè)試期內(nèi)用于全體列車檢修、定修、架修和故障修所需要的總工時(shí)。同時(shí)，參考合同中列明的運(yùn)營(yíng)狀況，計(jì)算出測(cè)試期內(nèi)全體列車的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

2.3 維修性指標(biāo)

維修性是產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定條件下，按規(guī)定程序進(jìn)行維修時(shí)，恢復(fù)正常運(yùn)作的能力。維修性表征車輛預(yù)防和修復(fù)故障的能力，表達(dá)其維修的難易程度，是車輛設(shè)計(jì)所賦予的一種固有屬性。該指標(biāo)相對(duì)復(fù)雜，它與一系列維修需求指標(biāo)相關(guān)，包括所有定期檢修的內(nèi)容、需要的人數(shù)和停車時(shí)間，需詳細(xì)列明故障修復(fù)時(shí)間的涵蓋范圍。車輛維修分為糾正性維修或故障修（CM）和預(yù)防性維修或檢修（PM），對(duì)CM而言，可通過(guò)計(jì)算車隊(duì)的MTTR來(lái)評(píng)價(jià)車輛可維修性。通過(guò)預(yù)測(cè)每一個(gè)系統(tǒng)的MTTR和故障數(shù)，計(jì)算車隊(duì)整體平均維修時(shí)間。

2.4 安全性指標(biāo)

安全性是免受不可接受的風(fēng)險(xiǎn)影響的特性，包括人員受傷、財(cái)產(chǎn)損失、業(yè)務(wù)中斷等。安全性指標(biāo)是以安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)評(píng)定的，風(fēng)險(xiǎn)分為4個(gè)等級(jí)：R1，除特殊情況外，必須消除該類風(fēng)險(xiǎn)；R2，必須將風(fēng)險(xiǎn)減低至最低實(shí)際可行的水平；R3，可忍受的風(fēng)險(xiǎn)，但仍須按成本效益盡量減低風(fēng)險(xiǎn)；R4，可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)根據(jù)故障的發(fā)生頻率和該故障所造成的后果，通過(guò)查詢?nèi)鐖D2所示的城市軌道交通車輛風(fēng)險(xiǎn)矩陣來(lái)進(jìn)行確定。對(duì)車輛供應(yīng)商而言，目標(biāo)就是把所有的危害降低到R3或R4的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

由圖2可知，故障發(fā)生頻率可分為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J等10個(gè)類別，如：A級(jí)，表示每周發(fā)生數(shù)次或更多，對(duì)應(yīng)頻率大于100次/年（含），其他類別的含義以此類推。故障所造成的后果嚴(yán)重度可分為1、2、3、4、5、6、7等7個(gè)類別，如：1級(jí)表示特別重大事故，指多于50（含）人死亡，系統(tǒng)中斷1個(gè)月，線路中斷幾個(gè)月，車站服務(wù)中斷1年，其他類別以此類推。

3 影響 RAMS 指標(biāo)體系的因素

車輛的安全性和可用性目標(biāo)只能通過(guò)滿足列車可靠性和維修性技術(shù)要求，控制當(dāng)前和長(zhǎng)期的運(yùn)用、維修工作及環(huán)境來(lái)達(dá)到。為達(dá)到車輛良好的RAMS性能，對(duì)影響轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的RAMS因素進(jìn)行分析十分必要。對(duì)影響轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的RAMS因素進(jìn)行全方位、全過(guò)程的分類考慮，如圖3所示。

宏觀上，影響轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的RAMS因素可分為系統(tǒng)條件、運(yùn)營(yíng)條件和維護(hù)條件3個(gè)方面。系統(tǒng)條件主要是指雙軸跨座式單軌轉(zhuǎn)向架的技術(shù)特性，例如，車輪系統(tǒng)為輪胎系統(tǒng)，走行輪采用雙軸雙輪輞充氣輪胎，輪軸為懸臂式結(jié)構(gòu)，輪胎安裝在輪輞上，輪輞通過(guò)輪芯裝配在空心車軸上。運(yùn)營(yíng)條件為列車在軌道梁上運(yùn)行涉及的相關(guān)條件，走行輪直徑為1008 mm（自由），承載5600 kg；水平輪直徑為730 mm（自由），承載2000 kg；走行輔助輪通過(guò)空心軸安裝到構(gòu)架上，當(dāng)走行輪胎無(wú)氣失效后，將代替走行輪承受垂向和橫向載荷、振動(dòng)、沖擊。維護(hù)條件包括人為因素、維護(hù)程序、維護(hù)保障，需在車輛全壽命周期范圍內(nèi)制定合適的維修方案。以上因素都將影響整個(gè)RAMS特性，針對(duì)各個(gè)影響因素，采取合適的策略使其向需要的方向發(fā)展是RAMS設(shè)計(jì)的主要方向。

4 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng) RAMS 指標(biāo)計(jì)算算例

4.1 可靠性模型構(gòu)建

在單軌車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)RAMS設(shè)計(jì)中，為方便RAMS分析，減少相關(guān)的重復(fù)性工作，對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)功能分解如下：構(gòu)架組成、車輪系統(tǒng)、牽引裝置、二系懸掛、輔助裝置、走行輪有線胎壓監(jiān)測(cè)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置等7大模塊，可靠性框圖如圖4所示。

在標(biāo)書中要求造成初始延誤小于3 min的故障故障率要小于3.33E-04次/h，在投標(biāo)和設(shè)計(jì)階段，根據(jù)以往相似結(jié)構(gòu)的事故比例，對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行逐級(jí)分配，其中轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的事故比例為4.56%，每列車轉(zhuǎn)向架故障率為1.22E-05次/h，MTBF為82237 h。假設(shè)車輛運(yùn)行條件如表1所示。

表1 運(yùn)行條件假設(shè)

4.2 可靠性指標(biāo)計(jì)算

RAMS指標(biāo)分配是一套自上而下的系統(tǒng)工程，可靠性指標(biāo)要分配到功能相對(duì)獨(dú)立的模塊或部件中。根據(jù)項(xiàng)目合同要求，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)導(dǎo)致初始延誤小于3 min的故障故障率為1.22E-05次/h。根據(jù)既有轉(zhuǎn)向架的運(yùn)營(yíng)情況，統(tǒng)計(jì)出轉(zhuǎn)向架各部件的事故比例，根據(jù)事故比例確定轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配，其故障率分配表如表 2所示。

表2 轉(zhuǎn)向架故障率分配表

假設(shè)1年內(nèi)，平均維修時(shí)間MTBF為0.61 h，車隊(duì)每年故障數(shù)目為2.3次，車隊(duì)每年的故障維修時(shí)間為1.403 h，則可用度為：

根據(jù)表2所示的指標(biāo)分配比例，可知在實(shí)際中車輛車輪系統(tǒng)、二系懸掛、胎壓監(jiān)測(cè)等故障率較高，且車輛一旦出現(xiàn)輪胎爆胎、軸承損傷、空氣彈簧故障等問(wèn)題時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致清客甚至救援的情況發(fā)生，對(duì)車輛安全產(chǎn)生很大影響，因此下文對(duì)雙軸跨座式單軌轉(zhuǎn)向架的安全冗余進(jìn)行設(shè)計(jì)。

車輛可靠性對(duì)可用性的影響取決于故障的各種狀況，列車發(fā)生不同的故障模式對(duì)系統(tǒng)功能影響也存在差異。為提高產(chǎn)品的可用性，產(chǎn)品除了具有高的可靠性外，還必須具有良好的維修性。

5 系統(tǒng)的安全冗余設(shè)計(jì)

雙軸跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架作為車輛安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，其多重的安全冗余設(shè)計(jì)可提高乘客對(duì)車輛安全的信心，提高產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力。

為保證車輛在不同載荷條件下地板面與站臺(tái)平面的高度差，采取以下措施：在每個(gè)空氣彈簧中配置高度調(diào)整桿和高度閥，使地板面高度與站臺(tái)高度在公差范圍內(nèi)；通過(guò)安裝壓力傳感器監(jiān)視每個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣彈簧的故障并報(bào)告列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）；制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行空重車調(diào)整，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧壓力不在正常范圍時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)將采用該節(jié)車的另一個(gè)轉(zhuǎn)向架的載荷信息進(jìn)行常用制動(dòng)；當(dāng)同一節(jié)車的2個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧壓力均不在正常范圍時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)將采用空載（AW0）載荷信息進(jìn)行常用制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)的空重車調(diào)整功能具有空車保證（100%空車條件）和過(guò)載限制，避免了當(dāng)空氣彈簧破裂或載荷信號(hào)過(guò)大所引起的錯(cuò)誤信息，同時(shí)該功能也會(huì)將載荷信號(hào)傳遞給主控制單元。

為避免發(fā)生車輛傾斜，可采取以下措施：在走行輪胎安裝胎壓監(jiān)測(cè)裝置，一旦輪胎失壓，司機(jī)室報(bào)警，車輛限速運(yùn)行，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部設(shè)置走行安全輔助輪，走行輪胎失氣后，該輔助輪能將車輛低速運(yùn)行回車輛段，為保證走行輔助輪安全，添加輔助輪著陸檢測(cè)裝置；在水平輪胎安裝無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)裝置，一旦輪胎失壓，司機(jī)室報(bào)警，車輛限速運(yùn)行。在水平輪輪輞設(shè)置安全輔助輪，水平輪胎失氣后，該輔助輪能將車輛低速運(yùn)行回車輛段；在輪胎上設(shè)置磨耗到限標(biāo)記，并定期進(jìn)行檢查；走行輔助安全輪表面采用硫化聚氨酯橡膠，提高抗疲勞性能。

此外，針對(duì)每一個(gè)故障模式的影響，在設(shè)計(jì)與工藝方面采取相應(yīng)措施，以保證：當(dāng)轉(zhuǎn)向架零部件發(fā)生故障時(shí)，能夠繼續(xù)工作，不影響運(yùn)行安全；能夠消除或降低故障影響的設(shè)計(jì)或工藝改進(jìn)；在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中采用合適的補(bǔ)償措施，在使用和維護(hù)手冊(cè)中規(guī)定使用維護(hù)措施，以避免和預(yù)防類似故障的發(fā)生。一旦出現(xiàn)故障后，采取最適宜的補(bǔ)救措施，將損失降至最低。在RAMS設(shè)計(jì)過(guò)程中，以水平輪軸承擦傷為例，通過(guò)隱患登記冊(cè)對(duì)這些設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)管理，如表3所示。

表3 隱患登記冊(cè)（局部）

6 結(jié)論

本文構(gòu)建了RAMS指標(biāo)體系，闡述各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，分析影響RAMS指標(biāo)體系的因素。RAMS指標(biāo)的最終目標(biāo)是要保證車輛可靠性的執(zhí)行，并在技術(shù)上得到持續(xù)改進(jìn)。

為保證車輛安全性，雙軸跨座式單軌轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了多重冗余設(shè)計(jì)，對(duì)車輛傾斜、地板面高度調(diào)整等安全性故障采取多重保護(hù)措施，并以水平輪軸承擦傷隱患為例，建立其隱患分析檔案，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而保證RAMS指標(biāo)體系的持續(xù)優(yōu)化。