市域鐵路D型車全壽命周期維護成本控制策略研究

張鳳麗，鄭 立，周 密，丁朝奉

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031）

1 概述

全壽命周期是指在設計階段就考慮產(chǎn)品壽命歷程所有環(huán)節(jié)，將所有相關因素在產(chǎn)品設計分階段得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化的一種設計理論[1]。全壽命周期產(chǎn)品設計意味著不僅考慮其功能和結(jié)構(gòu)，也兼顧研發(fā)及管理成本、采購成本、制造成本、試驗成本、維護成本、能耗成本、報廢成本的全壽命周期管理過程[2]。

傳統(tǒng)軌道車輛獲取成本與使用成本數(shù)值比例大約為1 : 3，新型車輛因?qū)π蕹痰难娱L及優(yōu)化，比例大約下降至1 : 2.6，其中包括車輛獲取成本、車輛使用成本及車輛報廢成本等，其中車輛使用成本運用維護費占比最高（約為66%～88%）。市域鐵路D型車因其運行速度較快，運行站間距大于傳統(tǒng)地鐵，運行距離長，在按里程數(shù)或年限進行修理時，更容易達到維修里程數(shù)。車輛使用成本為長周期成本，因維修策略不同，所以成本會有差異，而采用節(jié)能設計理念能夠節(jié)省一定能耗成本。車輛降本工作重點主要為維修性設計，所有車輛設備都需進行維護管理，由此產(chǎn)生的成本最大。目前，基于全壽命周期管理的相關理論已用于地鐵車輛智能運維體系[3]、車載儲能系統(tǒng)[4]、機電設備[5]、空調(diào)系統(tǒng)[6]、供電系統(tǒng)[7]等。

2 成本控制影響因素

經(jīng)過廣泛調(diào)研北京、廣州、臺州、溫州、重慶等國內(nèi)部分城市市域鐵路列車設計規(guī)范、修程、修制及檢修維護情況等，總結(jié)出對于市域鐵路D型車全壽命周期檢修成本控制的影響因素主要如下。

（1）檢修周期合理性。市域鐵路列車各項標準和規(guī)范包含的修程、修制差異較大，存在檢修周期未到標準但走行里程先到檢修標準的情況，導致車輛產(chǎn)生使用壽命遠不及設計壽命等問題。

（2）修程周期匹配性。檢修周期與系統(tǒng)部件壽命周期、免維護周期不匹配，導致系統(tǒng)及部件存在過修或欠修等問題。

（3）檢修操作維護性。設備可達性、可操作性、可維護性不高，造成檢修效率低等問題。

（4）備品備件必要性。備品備件庫存積壓率高、通用性低、零部件的價格因素導致不易于采購等問題。

（5）智能運維融合度。檢修智能化手段與基礎業(yè)務融合度不足，人工成本偏高，智能運維數(shù)據(jù)利用率低，無法根據(jù)數(shù)據(jù)實施狀態(tài)修。

綜上所述，市域鐵路D型車成本分析重點考慮降低檢修維護成本。主要研究在滿足運用條件下，通過全壽命周期的設計管理，分析比較不同技術(shù)路線產(chǎn)品的整車與系統(tǒng)采購成本，優(yōu)化修程、修制，減少備品種類，提升產(chǎn)品性價比，降低檢修維護成本。

3 成本控制方法分析

3.1 檢修成本控制原則

根據(jù)標準IEC 60300-3-3 : 1996 《可靠性管理第3部分 應用指南第3節(jié) 壽命周期成本分析（中文）》中說明：降本的最佳時機是設計初期，初步設計階段已經(jīng)決定產(chǎn)品50%以上的成本，降本工作越早實施效果越好，反映周期成本的帕萊托曲線如圖1所示。

圖1 帕萊托曲線

由圖1表明，產(chǎn)品設計階段對成本存在主要影響，設計階段結(jié)束時產(chǎn)品95%的成本已經(jīng)決定。檢修成本控制原則主要分為以下幾點。

（1）研制經(jīng)濟性的設計方案。在方案的初步階段，設計團隊應對各種設計方案的經(jīng)濟性進行討論和比較，在方案確保滿足可靠性、安全性的前提下，選擇經(jīng)濟性更好的方案以提高部件檢修匹配性。

（2）制定經(jīng)濟性的修程、修制方案。修程、修制是維修性的頂層規(guī)劃，直接關系到車輛各子系統(tǒng)設備維修策略的制定，檢修維護作業(yè)前應制定更標準、更合理、更智能、更經(jīng)濟的修程、修制。

（3）研究經(jīng)濟性的設備檢修方案。設計團隊組織制定各子系統(tǒng)設備維修策略時，應避免過修或欠修；可以通過基于以可靠性為中心的維修（RCM）思維，結(jié)合車輛智能化監(jiān)測功能、設備故障對運營可靠性的影響等綜合考慮檢修方案。

（4）選用經(jīng)濟性的備品備件。檢修期間的備品備件成本占比較大，因此在設計階段就應選擇統(tǒng)型、壽命期長、免維修周期長、價格合理及易于采購的備品備件。

（5）考慮方案隱性的經(jīng)濟性。要求設計團隊根據(jù)經(jīng)驗有意識考慮檢修的可達性、可操作性、更少的維修人工需求、更短的檢修時間，從而使產(chǎn)品具有良好的可檢修性。

3.2 檢修成本控制策略

通過以上分析，可對市域鐵路D型車設計階段、生產(chǎn)制造階段、運用階段發(fā)生的成本分別制定相應措施進行成本控制及改善工作，實現(xiàn)全壽命周期檢修維護成本控制。

3.2.1 設計階段

根據(jù)前期調(diào)研，市域鐵路列車高級別修周期基本按照120萬km執(zhí)行；高級別修時間間隔周期基本按照4年執(zhí)行；運用修基本按照隔日檢及月檢形式執(zhí)行。

在計劃預防為主的檢修體系下，車輛檢修周期制定需考慮里程、年限等相關因素，目前修程、修制的制定主要是根據(jù)軸承免維護周期，再根據(jù)設計方案和其他部件的壽命及免維護周期確定檢修周期，市域鐵路列車修程項目部分調(diào)研數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分鐵路列車修程項目列舉

通過調(diào)研結(jié)果，同時考慮修程、修制制約因素，市域鐵路D型車檢修周期的優(yōu)化可參考以下幾點。

（1）根據(jù)相關規(guī)定，齒輪箱軸承、牽引電機軸承的壽命或免維護周期已調(diào)整為145萬km。

（2）通過智能化技術(shù)替代人工，采用多日檢取代日檢，降低人工成本。

（3）月檢按照均衡修切分。

（4）使檢修周期與部件壽命的匹配性合理化，減少過修和欠修。

按照目前架大修修程年走行里程25～30萬km計算，如果年走行里程在30萬km，第一次高級別修在第4年進行，則高級別修次數(shù)為7次，且最后一次高級別修在第28年進行，同時其他部件都要參考此周期制定維修計劃，對于降本不利；如果年走行里程為25萬 km，第一次高級別修則可在第5年進行，高級別修次數(shù)減少為5次。此種維修周期的先進性主要體現(xiàn)如下。

（1）依據(jù)各部件壽命及免維護周期規(guī)劃，高級別修定為5～6年，架大修可減少1～2次，同時避免出現(xiàn)最后一次高級別修周期不滿足的情況。

（2）通過智能化替代人工，實現(xiàn)4日檢取代2日檢，降低人工成本，具體如表2所示。

表2 市域鐵路D型車優(yōu)化修程

依據(jù)修程優(yōu)化，市域鐵路D型車檢修大致降本有以下幾點。

（1）按年走行里程30萬km計算，架大修次數(shù)可從7次降低到5次（減少1次架修、1次大修），降低比例約為30%。

（2）日常檢修由雙日檢調(diào)整為4日檢，人工成本降低比例理論值約為50%。

而在設計階段，需為市域鐵路D型車研究經(jīng)濟的設備維護方案，主要如下。

（1）采用模塊化與標準化的設計原則。模塊化、標準化的設計可以降低檢修耗時、減少維護需求，部件易于維護。

（2）采用系統(tǒng)集成化的設計原則。集成化設計理念可實現(xiàn)硬件、功能、鏈路傳輸?shù)确矫娴纳疃热诤?，?yōu)化整車性能，便于車輛的運用與維護。

（3）大量采用低維護需求相關技術(shù)。如中國標準地鐵設計應用邏輯控制單元（LCU），以及無油空壓機避免多次注油與換油等。其中，以RCM理念制定設備級的檢修策略，重點關注設備對車輛運行可靠性、安全性影響，結(jié)合車輛智能化監(jiān)測功能，側(cè)重于對關鍵零部件制定檢修策略。具體檢修策略包括：對于監(jiān)測到的零部件多考慮視情維修，對于不能監(jiān)測的關鍵件評估采用較保守的檢修周期，對于具備控制冗余的電氣件多采用常規(guī)功能測試及故障修為主的策略，對于非關鍵件可采用故障修為主的策略等。

充分利用市域鐵路D型車零部件免維護周期和使用壽命，如免維護周期或使用壽命不在各修級規(guī)定的時間年限或里程時，可按照以下方案執(zhí)行。

（1）當檢修或更換時間在修級允許的停車時間內(nèi)時，可變更為月檢并注明檢修或更換周期。

（2）當不滿足上述條件且介于架修與大修之間時，不影響行車安全的可納入高一修級進行檢修，影響行車安全的需納入低一修級，具體可結(jié)合現(xiàn)行架大修部件實際狀態(tài)進行向上或向下調(diào)整。

假設某部件使用壽命為8年，首先在設計階段考慮部件檢修要求，從結(jié)構(gòu)或材料選擇提高部件的免維護周期及使用壽命，其次考慮在均衡修采用周轉(zhuǎn)件方式維修的可行性，再次考慮降級到5年架修，綜合分析檢修方式的維修成本，最終采用既可行且成本最優(yōu)的方式。例如通過設計優(yōu)化乘客信息系統(tǒng)（PIS），部件使用壽命由10年延長至15年，30年整車壽命周期內(nèi)減少1次更換；通過修程、修制優(yōu)化電氣連接器，檢查及清潔可由每月調(diào)整至每3月等。

3.2.2 制造階段

市域鐵路D型車在生產(chǎn)制造階段可通過優(yōu)化工藝布局、工藝流程設計，以精益標準工位、節(jié)拍化流水線組織生產(chǎn)，建立標準工位，固化工位作業(yè)人員，同時采取科學切分作業(yè)、明確計劃任務、清晰工位管理、精準物料配送、細化部件檢查等措施進行精益生產(chǎn)推進及質(zhì)量保障，并通過智能制造進行信息化管理工作。

3.2.3 運用修階段

（1）通過軌旁檢測智能化技術(shù)降本?？茖W制定檢修規(guī)程，通過在軌旁安裝基于機器視覺、紅外線、激光等傳感技術(shù)的檢測裝置，列車經(jīng)過時自動檢測車輛外觀、關鍵零部件狀態(tài)及關鍵磨耗件尺寸等信息，并通過數(shù)據(jù)分析處理及時發(fā)現(xiàn)異常并自動報警提示，實現(xiàn)自動化日常巡檢，降低人工成本。

（2）通過智能運維技術(shù)降本。檢修智能化手段與基礎業(yè)務融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析及業(yè)務管理功能，為產(chǎn)品提供維修決策，達到降低運營故障率，優(yōu)化修程、修制，降低全壽命周期檢修成本的目的。智能運維手段也可實現(xiàn)列車運行狀態(tài)監(jiān)控、列車故障實時報警等，通過各系統(tǒng)檢修智能化可縮短檢修工時及降低人工成本。

（3）備品備件經(jīng)濟性。從車輛全壽命期成本角度考慮，車輛使用成本遠大于車輛制造成本。因此設計再選型時，除了關注設備采購成本外，還要關注零部件的價格和易采購性等因素。成本降低可通過以下方式進行：①平臺間互換性，通過降低庫存總量的同時增加單次采購數(shù)量，可有效降低備件管理及維護成本；②系統(tǒng)部件互換性，市域鐵路車輛維護過程中零部件互換性、統(tǒng)一性增強，能有效降低采購成本；③延長使用壽命，通過減少備件數(shù)量，降低備件管理及維護成本；④國產(chǎn)化，采用自主化產(chǎn)品，降低產(chǎn)品成本，考慮零部件的價格因素及易采購性。

4 總結(jié)

綜上所述，市域鐵路D型車全壽命周期檢修維護成本控制策略可從以下方面進行考慮。

（1）通過設計優(yōu)化、提高檢修匹配性。結(jié)合標準市域列車的修程、修制，分析梳理車輛各系統(tǒng)全壽命周期維保項點變化和維保成本減少，降低檢修成本。

（2）修程、修制優(yōu)化。通過調(diào)整架大修周期，制定合理的車輛、部件檢修方案，理論檢修成本可降低比例為18.9%，綜合考慮延長周期導致的部件成本升高，此比例仍會有所降低。

（3）智能化檢修手段。采用智能運維系統(tǒng)的車輛段，可以通過智能檢測系統(tǒng)功能，提高檢修效率，縮短日常維保時間，降低人工成本。

（4）通過備品備件優(yōu)化手段。關注零部件價格和易于采購等因素，提高部件互換性。

根據(jù)相似項目經(jīng)驗和成本結(jié)果，通過列車修程、修制的優(yōu)化、設備級檢修維護計劃的優(yōu)化、設計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等措施，綜合考慮預期可實現(xiàn)理論檢修降本約10%以上。