制動系統(tǒng)可靠性試驗方法研究

王孝延，朱士友，樊貴新，焦 毅

（中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京100081）

地鐵與輕軌

制動系統(tǒng)可靠性試驗方法研究

王孝延，朱士友，樊貴新，焦 毅

（中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京100081）

以制動系統(tǒng)為研究對象，根據統(tǒng)計學原理和可靠性工程的現場可靠性試驗理論設計了制動系統(tǒng)的運行考核計劃。根據制動系統(tǒng)運行考核情況，對制動系統(tǒng)的故障進行了記錄和統(tǒng)計，采用點估計的形式評估了制動系統(tǒng)的可靠性水平。同時，采用威布爾分布參數估計的方法，得出了制動系統(tǒng)的壽命分布函數。

城軌列車；架控；制動系統(tǒng)；可靠性；試驗

根據可靠性工程的理論，威布爾分布是一種適用性廣泛的分布類型。根據形狀參數的不同，它可以分別描述早期失效、偶然失效和耗損失效3種失效類型，可以用威布爾分布作為制動系統(tǒng)的壽命分布函數。衡量可修復產品的可靠性水平，一個很重要的參數就是平均無故障時間T。當總體的分布函數形式已知，但它的一個或多個參數未知時，可以借助總體的一個樣本構造某個統(tǒng)計量來估計未知的總體分布參數的問題就是點估計的問題，所構造的統(tǒng)計量稱之為點估計。本文擬以應用在廣州地鐵3號線北延段列車上的國產架控制動系統(tǒng)EP09為例，探討通過制動系統(tǒng)的現場運營故障數據，根據威布爾分布的點估計方法，評估制動系統(tǒng)分布參數的方法。

廣州地鐵3號線北延段列車為6輛編組，采用由2個動力單元組成的6輛編組列車，即－A＋B＋C＝A＋B＋C－。國產架控制動系統(tǒng)的氣路和制動系統(tǒng)由供風裝置、輔助控制裝置、制動控制裝置、基礎制動裝置、升弓裝置、懸掛裝置和連掛裝置等組成。其中與制動功能最為密切的是供風裝置、制動控制裝置和基礎制動裝置。

1 統(tǒng)計試驗方案

可靠性試驗是對產品的可靠性進行調查、分析和評價的一種手段，可靠性試驗可以是試驗室試驗，也可以是使用現場試驗。試驗室試驗（laboratory test）是在試驗室內模擬實際使用條件或在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下進行的試驗。大多數裝備是在不同的、比較復雜的環(huán)境條件下使用的。產品在不同的環(huán)境下使用時，可靠性不一定相同。使用現場試驗（field test）是在實際使用狀態(tài)下所進行的試驗。在試驗室試驗中，顯然不可能去模擬各種使用環(huán)境。因此，從原理上說，使用現場試驗能最真實地反映產品的實際可靠性水平。

根據用戶需求文件《廣州市軌道交通3號線北延段車輛采購項目用戶需求書》的第十八章可靠性和可維修性的要求，以及車輛廠需求文件《GZML3E空氣制動系統(tǒng)采購技術規(guī)范》，用戶的可靠性主要要求如下：

平均無故障時間T為3 000 h。

在進行列車可靠性計算中將采用以下公式：

T1為列車運行的時間總和；N1為在T1時間內發(fā)生的故障總數。

制動系統(tǒng)運行考核的目的是驗證國產架控制動系統(tǒng)的設計是否達到規(guī)定的可靠性要求。本次運行考核的車輛運行概況見表1。

為了對可靠性真值做出估計，同時為了使試驗總時間可控，必須選擇定時截尾試驗方案。為了同時對制動系統(tǒng)和部件做出估計，必須以試驗時間最長的部件為試驗計劃制定的依據。本次投入試驗的樣本為1列6輛編組的列車，根據制動系統(tǒng)供貨范圍，可用樣本數量見表2。

樣本個數與試驗總時間成反比。根據可用樣本清單，需要以制動系統(tǒng)的試驗時間為依據制定試驗計劃。根據《GJB 899-2009可靠性鑒定和驗收試驗》，總試驗時間可控的定時試驗方案如表3所示。

用戶給出了T檢驗下限θ1，未給出T檢驗上限θ0，即可認為θ0為無窮大，因此可以選擇鑒別比較大的方案，本文選擇方案16的統(tǒng)計試驗方案，其生產方風險α為10%，使用方風險β為20%。本次驗證測試計劃有關的參數計算如表4所示。

考慮到驗證測試過程中可能發(fā)生故障并進行修復所耗費的時間和其他不可預見因素耗費的時間，整個驗證測試周期估算為32個月，驗證測試預計從2011年3月5日～2013年11月5日。如果開始第1列車的驗證測試32個月后，沒有達到表中t總所代表的總驗證測試時間，也視為驗證期達到。

可靠性驗證測試的工作條件和環(huán)境條件盡可能接近實際使用條件。試驗在實際運營線路上進行，并盡量避免不具有代表性的極端或特殊線路條件。根據現場實際運行需求選擇功能模式，如車輛起動、正常運行、常用制動及緊急制動等。

驗證測試所用的外部電源，如空壓機供電電源及DC 110 V電源和緊急環(huán)路供電滿足制動系統(tǒng)技術規(guī)范；總風壓力為750 kPa～1 MPa，滿足制動系統(tǒng)的使用環(huán)境條件。

電負載和機械負載是影響受試制動系統(tǒng)的主要負載形式，本次制動系統(tǒng)的運行考核要求牽引系統(tǒng)按照技術規(guī)范的典型要求發(fā)揮電制動力，電空制動按照預定的電空配合方案進行協(xié)調配合?；A制動按照列車的配置全部投入使用，不得存在關門車。

在運行考核期間，按照制動系統(tǒng)使用說明書和大修規(guī)程的要求，定期對產品進行預防性維修。達到總測試時間后，接收和拒收標準見表5。

當累計的總測試時間達到，就可中止可靠性驗證測試。如果達到可接收標準則接收測試結果；否則得出拒收結果。當累計的總測試時間未達到，發(fā)生的責任故障數≥4個，達到了拒收標準，在雙方同意的條件下，也可以中止可靠性驗證測試，得出拒收結論。

在可靠性驗證試驗中遇到的故障，可以把它們分為相關故障，非相關故障和責任故障，判斷流程見圖1。

在可靠性驗證測試期間和磨合期間，實施故障報告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）管理。不管何時發(fā)生故障，需迅速展開故障調查，盡快研究和采取糾正措施，并跟蹤、記錄所發(fā)生的故障和缺陷，做故障評估，制定糾正措施，以保證得到有效的糾正。

2 制動系統(tǒng)可靠性試驗

2011年3月5日～2013年11月5日，裝有國產化架控制動系統(tǒng)的廣州地鐵3號線列車（編號087088）在用戶、車輛廠和制動系統(tǒng)供應商的參與下進行了載客運營考核，為本文的研究提供了現場數據。運行評估大致可以劃分為3個階段，每個階段的運營時間及合計結尾時間見表6。

編號為087088的列車在上述運營考核期間，按照廣州地鐵的檢修規(guī)程，由廣州地鐵及制動廠家檢修人員共同對其進行日檢、周檢、月檢、半年檢及年檢。所有正線運營及檢修中發(fā)現的故障，均填寫故障報單，并定期進行匯總。根據取自廣州地鐵的故障匯總文件，該車運營考核期間發(fā)生的故障如表7所示。

由于所有責任故障都會增加制動系統(tǒng)的維修工作量和維護成本，因此故障數nf取3，根據統(tǒng)計試驗方案，責任故障數小于判斷故障數。因此，可接受原假設，即本批次制動系統(tǒng)從可靠性角度可以接受。

則平均故障間隔時間的點估計為：

根據責任故障數3，以及生產方風險α＝10%，使用方風險β＝20%，則推薦的置信度為C＝80%，計算得到參數

根據參數C′查閱GJB 899A得制動系統(tǒng)T的置信下限系數，與T的點估計相乘后得到T估計下限為：

同理，計算得置信上限為：

由此可以得出結論，對于制動系統(tǒng)，根據運行考核的結果，制動系統(tǒng)平均故障間隔時間的區(qū)間估計為［2 013.2，12 204.4］h，點估計為4 483.3 h，大于用戶要求的3 000 h的要求，因此國產架控制動系統(tǒng)的可靠性可以滿足用戶的使用要求。

以下求解制動系統(tǒng)的故障率分布函數，根據概率統(tǒng)計和可靠性工程，機電產品的故障服從威布爾分布，設制動系統(tǒng)的失效密度函數為：

根據實際，中繼閥的最小壽命為0，即威布爾分布的位置參數γ為0。

以下用極大似然估計法估計制動系統(tǒng)的壽命分布函數的參數，似然函數為：

將n＝3，r＝3以及故障發(fā)生時刻ti代入上式并編程迭代后得方程的最佳解為：

則制動系統(tǒng)的故障率函數為：

故障率曲線如圖2所示。

根據故障率曲線可以看出故障率呈下降趨勢，因此國產架控制動系統(tǒng)處于浴盆曲線的早期故障期，隨著磨合過程的完成，制動系統(tǒng)的故障率將逐步下降并趨于穩(wěn)定。

3 結束語

探討了一種通過制動系統(tǒng)的現場運營故障數據，根據威布爾分布的點估計方法，評估制動系統(tǒng)的分布參數的方法。

從國產架控制動系統(tǒng)的運行考核情況可以看出，制動系統(tǒng)的故障以機械故障為主，提高制動系統(tǒng)的可靠性應該優(yōu)先考慮提高基礎制動裝置的可靠性；從制動系統(tǒng)的壽命數據參數估計可以看出，運營考核期間，制動系統(tǒng)的故障類型以早期故障為主，根據浴盆曲線的理論，隨著運營時間的增加，制動系統(tǒng)經過充分磨合后，故障率將進一步降低并趨于穩(wěn)定。

［1］ 朱士友.架控制動系統(tǒng)可靠性模型研究［J］.鐵道機車車輛，2012.32（03）：80-83.

［2］ 曾聲奎，趙廷弟，等.系統(tǒng)可靠性設計分析教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2001.

［3］ Relex Software Co.＆Intellect著.陳曉彤，等譯.可靠性實用指南［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

Research on Reliability Test Method for Bogie-controlling Brake System

WANG Xiaoyan，ZHU Shiyou，FAN Guixin，JIAO Yi
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Operational assessment plan was set up based on the statistics and reliability engineering theory for domestic bogie-controlling brake system.Failures were recorded and analyzed.Reliability level of domestic bogie-controlling brake system was calculated by means of point estimation.Life distribution function was analyzed through the method of Weibull distribution parameter estimation.

metro train；bogie-controlling；brake system；reliability；test

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.15

1008－7842（2014）06－0062－04

2—）男，助理研究員（

2014－04－13）