動(dòng)車(chē)組軸箱及定位裝置故障模式分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

朱亞男,李冰毅,房 楠,崔 晶

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710014)

在建成現(xiàn)代化鐵路強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)下,保障動(dòng)車(chē)組列車(chē)的檢修質(zhì)量并優(yōu)化其維修策略顯得尤為重要。轉(zhuǎn)向架作為列車(chē)機(jī)械部分的重要組成結(jié)構(gòu),其檢修品質(zhì)直接關(guān)乎行車(chē)安全,是列車(chē)機(jī)械部分的重點(diǎn)維護(hù)對(duì)象。

軸箱裝置是轉(zhuǎn)向架中受力關(guān)系最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一,因此也是故障高發(fā)部件[1]。研究軸箱及定位裝置故障的產(chǎn)生原因,分析其故障模式并評(píng)估風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于指導(dǎo)優(yōu)化軸箱裝置的維修策略,提高其檢修品質(zhì)有著積極的促進(jìn)作用。

1 軸箱裝置的可靠性框圖

動(dòng)車(chē)組的軸箱裝配中包含軸箱和定位裝置[2],當(dāng)且僅當(dāng)軸箱裝配中的N個(gè)部件全部正常工作時(shí),軸箱裝置才能正常工作[3-4],具體情況見(jiàn)圖1。

2 軸箱裝置故障模式分析

2.1 軸箱裝置故障先驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

根據(jù)某動(dòng)車(chē)段動(dòng)車(chē)組檢修故障數(shù)據(jù)庫(kù),以動(dòng)車(chē)組走行180天為統(tǒng)計(jì)周期,經(jīng)過(guò)整理和統(tǒng)計(jì)分析,將軸箱及定位裝置常見(jiàn)的故障模式歸納為5大類:

A1:工作狀態(tài)異?；蜃饔貌涣?

A2:表面損傷(含磨損、擦傷等);

A3:變形、尺寸超差;

A4:裂紋(含外部裂縫和內(nèi)部疲勞裂紋);

A5:斷裂、損毀。

圖1 軸箱及定位裝置裝配結(jié)構(gòu)可靠性框圖Fig.1 Reliability block diagram of axle box device

設(shè)軸箱及定位裝置發(fā)生故障的概率為P(A),將過(guò)往數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)得到的6類故障先驗(yàn)發(fā)生率分別設(shè)為π(θi),根據(jù)貝葉斯先驗(yàn)分布估計(jì),則有軸箱及定位裝置故障全概率計(jì)算式,即

(1)

以某型動(dòng)車(chē)組為例,其軸箱及定位裝置在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)共發(fā)生故障175次,具體故障模式見(jiàn)圖2。

圖2 軸箱及定位裝置故障統(tǒng)計(jì)Fig.2 Axle box and failure statistics of positioning device

在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),軸箱及定位裝置的A1故障共發(fā)生45次,占總故障數(shù)的25.71%;A2故障發(fā)生28次,占總故障數(shù)的16%;A3故障發(fā)生72次,占總故障數(shù)的41.14%;A4故障發(fā)生19次,占總故障數(shù)的10.86%;A5故障發(fā)生11次,占總故障數(shù)的6.29%,故5類故障先驗(yàn)發(fā)生率分別為

π(θ1)=0.26、π(θ2)=0.16、π(θ3)=0.41，

π(θ4)=0.11、π(θ5)=0.06。

2.2 軸箱裝置故障后驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

綜上可以看出,軸箱及定位裝置故障以A3類故障為主,即軸箱裝配部件的變形及尺寸超差是主要高發(fā)故障。

為分析軸箱及定位裝置各部件的故障關(guān)聯(lián)規(guī)律,對(duì)軸箱裝置的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行三維仿真分析(見(jiàn)圖3)。

圖3 軸箱及定位裝置受力分析Fig.3 Axle box and force analysis of positioning device

由圖3可知,軸箱裝配在輪對(duì)上,是輪對(duì)和構(gòu)件的連接體,因此其受力關(guān)系就存在輪對(duì)和構(gòu)架的多元約束關(guān)系,具體表現(xiàn)為:

a.在輪對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)時(shí),軸箱會(huì)隨之橫動(dòng),但橫動(dòng)幅度受到構(gòu)架橫向止檔的約束;

b.在輪對(duì)受到垂向沖擊振動(dòng)時(shí),軸箱也會(huì)隨之上下運(yùn)動(dòng),垂向振幅與輪對(duì)一致;

c.軸箱彈簧可利用垂向的壓縮形變來(lái)緩和垂向沖擊,減震器可衰減垂向振動(dòng),因此構(gòu)架受到的垂向振動(dòng)能量要比軸箱小;

d.軸箱轉(zhuǎn)臂會(huì)受到縱向的推挽力,因此轉(zhuǎn)臂定位銷(xiāo)有可能產(chǎn)生此方向擠壓變形。

設(shè)X為軸箱裝置的運(yùn)動(dòng)函數(shù)合集,可以表述為

(2)

其中:εh為橫向運(yùn)動(dòng)函數(shù),其賦值受軸箱止檔限制;εv為垂向運(yùn)動(dòng)函數(shù),取值無(wú)限制;εp為縱向運(yùn)動(dòng)函數(shù),在動(dòng)車(chē)組軸箱裝置中取值固定為0。

綜上,將軸箱及定位裝置的故障表現(xiàn)歸納為2類:

B1:作用不良故障。即與運(yùn)動(dòng)函數(shù)X無(wú)關(guān),主要包括制造質(zhì)量問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題或操作維護(hù)不當(dāng)?shù)仍蛞鸬脑O(shè)備作用異常(含先驗(yàn)故障模式A1、A2)。

B2:運(yùn)動(dòng)故障。即與軸箱運(yùn)動(dòng)函數(shù)X相關(guān),由軸箱的垂向、橫向運(yùn)動(dòng)及縱向受力引發(fā)的振動(dòng)異常、溫升異常、磨耗、裂紋、斷裂等故障(含先驗(yàn)故障模式A3、A4、A5)。

設(shè)軸箱及定位裝置故障后驗(yàn)概率為h(θn)(n=1,2),計(jì)算公式為

(3)

(4)

經(jīng)后驗(yàn)概率計(jì)算可知,B2類故障發(fā)生概率高達(dá)0.683,因此軸箱裝置故障多為運(yùn)動(dòng)引發(fā),部件的變形和尺寸超差多為異常振動(dòng)導(dǎo)致的過(guò)度磨耗。

3 軸箱裝置故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采用風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)(RPN,risk priority number)對(duì)軸箱及定位裝置進(jìn)行故障風(fēng)險(xiǎn)分析[5]。從3個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估:

(1) 故障發(fā)生度(O,occurrence) 以故障發(fā)生概率對(duì)故障發(fā)生度進(jìn)行賦值,具體見(jiàn)表1。

表1 故障發(fā)生度(O)賦值

(2) 故障嚴(yán)重度(S,severity) 以故障發(fā)生后的影響程度對(duì)故障嚴(yán)重度進(jìn)行量化賦值,具體見(jiàn)表2。

表2 故障嚴(yán)重度(S)賦值

(3) 故障檢測(cè)度(D,detection) 以故障能被檢測(cè)出來(lái)的難易程度對(duì)故障檢測(cè)度進(jìn)行量化賦值,具體見(jiàn)表3。

表3 故障檢測(cè)度(D)賦值

根據(jù)O、S、D計(jì)算故障風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)(RPN),一旦故障風(fēng)險(xiǎn)數(shù)超過(guò)列車(chē)的臨界值,這說(shuō)明故障危害較大,反之則較小[6]。

對(duì)于動(dòng)車(chē)組軸箱及定位裝置故障,由于部分故障危害較大(S=4),但發(fā)生概率并不高(O=2),一旦發(fā)生很容易檢測(cè)出來(lái)(D=1)?？梢钥闯?軸箱及定位裝置故障雖然發(fā)生概率低,檢測(cè)也容易,但一旦發(fā)生,就會(huì)危及行車(chē)安全[7-8],因此其RPN計(jì)算中O、S、D影響的權(quán)重是不一樣的。

設(shè)嚴(yán)重度S的影響權(quán)重是發(fā)生度O的4倍,同時(shí)是可檢測(cè)度D的5倍,發(fā)生度O影響權(quán)重為D的2倍,可以得到如下權(quán)重矩陣:

(5)

將權(quán)重矩陣進(jìn)行歸一化處理,得到其特征向量ω:

(6)

由此得出軸箱及定位裝置RPN計(jì)算式為

RPN=ωO·O+ωS·S+ωD·D。

(7)

軸箱及定位裝置RPN臨界值為

RPN臨界值=0.201×6+0.681×4+0.118×3=4.28。

(8)

取臨界值為4,將軸箱及定位裝置故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分類,具體見(jiàn)表4。

表4 軸箱及定位裝置故障風(fēng)險(xiǎn)(RPN)量化分類

3.2 軸箱及定位裝置故障數(shù)據(jù)

某型動(dòng)車(chē)組軸箱及定位裝置故障及影響分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表5和表6,表5是軸箱裝置B1類故障,表6是軸箱裝置B2類故障。

表5 動(dòng)車(chē)組軸箱及定位裝置B1類故障及影響分析

表6 動(dòng)車(chē)組軸箱及定位裝置B2類故障及影響分析

對(duì)表5、表6中軸箱及定位裝置故障進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析,統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖4。

圖4 軸箱及定位裝置故障分類分析Fig.4 Axle box and classification analysis of positioning device faults

由圖4可看出:作用不良類故障(B1)發(fā)生概率略低但危害普遍較大,應(yīng)該采用狀態(tài)修和周期修相結(jié)合的方式進(jìn)行維護(hù);運(yùn)動(dòng)類故障(B2)發(fā)生點(diǎn)基本符合軸箱及定位裝置運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可按規(guī)律定期排查,同時(shí)B2類故障危害普遍不大,所以此類故障適合采用事后修和周期修相結(jié)合的方式。

4 結(jié)論

對(duì)動(dòng)車(chē)組軸箱及定位裝置進(jìn)行了可靠性分析,重點(diǎn)研究了故障的先驗(yàn)?zāi)Ｊ胶秃篁?yàn)?zāi)Ｊ?并設(shè)計(jì)了故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,經(jīng)實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得出以下結(jié)論:

(1) 軸箱及定位裝置故障發(fā)生頻繁,在對(duì)某車(chē)型的統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),共發(fā)生故障175次,其中設(shè)備作用不良類故障發(fā)生73次,運(yùn)動(dòng)類故障發(fā)生102次。

(2) 作用不良類故障RPN總和為27,RPN值≥2(即中等風(fēng)險(xiǎn))的數(shù)量為10,占比76.92%;運(yùn)動(dòng)類故障RPN總和為22,RPN值≥2的數(shù)量為4,占比25%,作用不良類故障比運(yùn)動(dòng)類故障風(fēng)險(xiǎn)更大。

(3) 作用不良類故障種類多,不可預(yù)見(jiàn)性大且危害也大,因此適合采用狀態(tài)修和周期修相結(jié)合的檢修方法;運(yùn)動(dòng)類故障基本符合軸箱運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可預(yù)先排查且危害相對(duì)較小,適合采用事后修和周期修相結(jié)合的檢修方法。