基于維修性預(yù)計(jì)的機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計(jì)改進(jìn)*

李希寧，李忠厚，張奕奕

（1 南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

基于維修性預(yù)計(jì)的機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計(jì)改進(jìn)*

李希寧1，李忠厚2，張奕奕1

（1 南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

基于時(shí)間累積法，介紹機(jī)車維修性預(yù)計(jì)的常用方法和程序。通過分析網(wǎng)側(cè)柜維修性預(yù)計(jì)結(jié)果，提出網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計(jì)存在的問題及改進(jìn)措施。最后闡述了維修性預(yù)計(jì)對(duì)機(jī)車設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用以及在設(shè)計(jì)階段開展維修性預(yù)計(jì)的重要性。

網(wǎng)側(cè)柜；維修性預(yù)計(jì)；平均修復(fù)時(shí)間；故障率

和諧型機(jī)車已陸續(xù)進(jìn)入相應(yīng)的修程，機(jī)車的維護(hù)檢修成本越來越受到鐵路運(yùn)輸部門的重視。在機(jī)車全壽命周期成本構(gòu)成中，運(yùn)用維修成本約占機(jī)車全壽命周期成本的70～80%左右。因此，如何減少運(yùn)用維修成本，是降低機(jī)車全壽命周期成本的關(guān)鍵。

對(duì)機(jī)車運(yùn)用維修成本的控制，與機(jī)車的可靠性和維修性密切相關(guān)。機(jī)車的可靠性和維修性是設(shè)計(jì)賦予的固有特性，一旦產(chǎn)品定型，其可靠性和維修性基本上已經(jīng)確定下來。因此，在設(shè)計(jì)初期重視維修性設(shè)計(jì)與分析工作，以較少的投入，可減少后續(xù)產(chǎn)品的維修停時(shí)、簡(jiǎn)化維修，從而提高機(jī)車的可用度，降低全壽命周期成本，這對(duì)于高速重載運(yùn)輸具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。

以某和諧機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜為例，說明基于時(shí)間累計(jì)法的網(wǎng)側(cè)柜維修性預(yù)計(jì)的過程。根據(jù)網(wǎng)側(cè)柜維修性預(yù)計(jì)結(jié)果，分析網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計(jì)存在的問題，及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施。闡述了利用維修性預(yù)計(jì)分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要性，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，關(guān)注維修性設(shè)計(jì)，對(duì)于提高機(jī)車的維修性具有重要意義。

1　機(jī)車維修性及維修性預(yù)計(jì)簡(jiǎn)介

維修性是指在規(guī)定的條件下，使用規(guī)定的程序和資源進(jìn)行維修時(shí)，對(duì)于給定使用條件下的產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，能完成指定的實(shí)際維修工作的可能性。機(jī)車維修性可以從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。維修性定性要求是滿足定量指標(biāo)的必要條件，而定量指標(biāo)又是通過定性特點(diǎn)在保障條件約束下來實(shí)現(xiàn)的。定性要求通常是指維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如可達(dá)性設(shè)計(jì)、維修簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、維修安全性設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)、檢測(cè)診斷設(shè)計(jì)、防差錯(cuò)/標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)等。定量要求是指明確選用的評(píng)價(jià)參數(shù)和指標(biāo)，如平均修復(fù)時(shí)間（M ean Time to Restore，M T T R）和平均維修時(shí)間（M ean Time to M aintenance，M T T M）等。本文采用平均修復(fù)時(shí)間對(duì)機(jī)車及其部件進(jìn)行維修性評(píng)價(jià)。

維修性預(yù)計(jì)通常以歷史經(jīng)驗(yàn)和類似產(chǎn)品的維修性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案或已有的設(shè)計(jì)方案，預(yù)估在規(guī)定條件下開展維修時(shí)的機(jī)車維修性水平，以了解設(shè)計(jì)滿足維修要求的程度。

我國(guó)的維修性工程起步較晚，直到進(jìn)入20世紀(jì)80年代，才在軍工產(chǎn)品上開始應(yīng)用。隨著中國(guó)鐵路的快速發(fā)展，為了提高軌道裝備的可靠性、維修性、安全性及降低其全壽命周期成本，維修性工程在軌道交通領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已成為非常迫切的要求。與可靠性預(yù)計(jì)相比，維修性預(yù)計(jì)的難度要大一些，因?yàn)樗粌H與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、可靠性等內(nèi)在屬性有關(guān)，而且與機(jī)車的維修方法、維修體制等綜合后勤保障因素有關(guān)，例如維修人員的技能水平，以及所使用的工具、測(cè)試設(shè)備、保障設(shè)施等，因此，維修性預(yù)計(jì)必須考慮與規(guī)定的保障條件相一致。

目前，維修性預(yù)計(jì)方法主要依據(jù)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 57—1994提供的205時(shí)間累計(jì)法，這是由于目前機(jī)車可靠性、維修性數(shù)據(jù)積累有限，而時(shí)間累計(jì)法具有較強(qiáng)的可操作性和工程實(shí)用性，在工程中已得到了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是進(jìn)行維修性預(yù)計(jì)的首先方法。時(shí)間累計(jì)法是一種比較細(xì)致的維修性預(yù)計(jì)方法。它根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)有的數(shù)據(jù)、圖表，對(duì)照機(jī)車的設(shè)計(jì)方案和維修保障條件，逐步確定每個(gè)在線可更換單元（Line Removable Unit，LR U）、每項(xiàng)維修活動(dòng)甚至每項(xiàng)基本維修作業(yè)所需的時(shí)間，然后通過累加或加權(quán)進(jìn)行維修性預(yù)計(jì)，計(jì)算出系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中Tn為第n 個(gè)L R U的平均修復(fù)時(shí)間；λnk為第n個(gè)L R U的第k種故障模式的模式故障率；Tnk為對(duì)第n個(gè)L R U的第k種故障模式進(jìn)行的所有維修活動(dòng)耗時(shí)，每項(xiàng)維修活動(dòng)耗時(shí)等于對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)基本維修作業(yè)耗時(shí)之和；K 為第n個(gè)L R U的故障模式總數(shù)。

式中M T T Rn為系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間；λn為第n個(gè)L R U的故障率，通過可靠性預(yù)計(jì)得出或由供應(yīng)商提供；N為L(zhǎng) R U的總數(shù)量。

2　機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜維修性預(yù)計(jì)分析

在機(jī)車設(shè)計(jì)期間，同步開展了機(jī)車維修性預(yù)計(jì)工作。根據(jù)機(jī)車整車維修性預(yù)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)供電子系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間較大，是對(duì)整車修復(fù)性維修貢獻(xiàn)最大的子系統(tǒng)?，F(xiàn)將供電子系統(tǒng)維修性預(yù)計(jì)過程說明如下。

供電系統(tǒng)是電力機(jī)車的子系統(tǒng)之一，主要包括受電弓、真空主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器、高壓電纜總成、高壓電流互感器、接地電流互感器、回流接地裝置、車頂絕緣子、主變壓器等部件。其中，真空主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器安裝在網(wǎng)側(cè)柜；主變壓器含油泵、布赫繼電器、A端子等部件。供電子系統(tǒng)系統(tǒng)分解見表1。

根據(jù)式（1），計(jì)算得出供電子系統(tǒng)各L R U的平均修復(fù)時(shí)間見表2。

根據(jù)式（2），供電系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間預(yù)計(jì)結(jié)果如下：

供電子系統(tǒng)λnTn分布如圖1。

從圖1分析可以得出，供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)柜中主斷路器的平均修復(fù)時(shí)間與其故障率的乘積值較高，是對(duì)供電子系統(tǒng)的維修性水平貢獻(xiàn)較大的零部件，決定了供電子系統(tǒng)的修復(fù)性維修水平。因此，影響供電子系統(tǒng)修復(fù)性維修水平的關(guān)鍵部件是網(wǎng)側(cè)柜中的真空主斷路器。必須加以改進(jìn)，才能降低供電子系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間，確保機(jī)車整車平均修復(fù)時(shí)間較低。

表1　供電系統(tǒng)系統(tǒng)分解表（以某8軸機(jī)車為例）

表2　供電系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間計(jì)算

圖1　供電子系統(tǒng)λnTn分布圖

3　網(wǎng)側(cè)柜維修性設(shè)計(jì)存在的問題及分析

機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)安裝部件包括真空主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器等，柜體空間十分有限，真空斷路器安裝于網(wǎng)側(cè)柜底部。

根據(jù)檢修要求，真空主斷路器在每年冬季之前需排放氣路，以免積水凍結(jié)氣動(dòng)元件而產(chǎn)生誤操作；真空斷路器調(diào)壓閥、儲(chǔ)風(fēng)缸每年在冬季來臨之前需進(jìn)行一次排水。

真空主斷路器需要排水的儲(chǔ)風(fēng)缸和調(diào)壓閥排水口位于底板下方。在原設(shè)計(jì)方案中，斷路器氣路機(jī)構(gòu)安裝有保護(hù)罩，沒有預(yù)留調(diào)壓閥排水的空間，導(dǎo)致調(diào)壓閥無法直接排水，需要將頂蓋吊開后將主斷路器從網(wǎng)側(cè)柜中吊出排水，檢修時(shí)間大大增加，給檢修帶來較大困難，檢修執(zhí)行難度大，具體見圖2、圖3。

圖2　機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜布置圖　

圖3　儲(chǔ)風(fēng)缸、調(diào)壓閥位置示意圖

要提高真空主斷路器的維修性水平，可以通過降低網(wǎng)側(cè)柜的平均修復(fù)時(shí)間或者降低網(wǎng)側(cè)柜的故障率來降低供電子系統(tǒng)以及整車的平均修復(fù)時(shí)間，具體做法是重新選型或者改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其更加方便維修，從而減少網(wǎng)側(cè)柜的平均修復(fù)時(shí)間。其核心目的是實(shí)現(xiàn)在無需吊頂蓋的情況下，實(shí)現(xiàn)主斷路器的排水。

4　網(wǎng)側(cè)柜維修性設(shè)計(jì)改進(jìn)

為了在不吊頂蓋的情況下便于真空斷路器調(diào)壓閥、儲(chǔ)風(fēng)缸的排水，對(duì)真空斷路器的維修性設(shè)計(jì)改進(jìn)如下：

（1）采用針式排泄閥取代儲(chǔ)風(fēng)缸排放口處的銅管堵，便于真空斷路器儲(chǔ)風(fēng)缸排水；

（2）在保護(hù)罩調(diào)壓閥的安裝位置加開調(diào)壓閥排水孔，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)操作，可以通過該孔對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行排水。

（3）在調(diào)壓閥排水孔周邊加裝密封墊邊保護(hù)，方便檢修人員對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行排水安全操作。

經(jīng)過維修性設(shè)計(jì)改進(jìn)，真空主斷路器的排水無需吊頂蓋，即可在機(jī)械間內(nèi)實(shí)現(xiàn)排水操作，大大簡(jiǎn)化了機(jī)車維護(hù)檢修工作。

對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)后的機(jī)車供電子系統(tǒng)再次進(jìn)行維修性預(yù)計(jì)，其維修性顯著提高，M T T R降低為5.58 h，供電子系統(tǒng)λnTn分布如圖4。

圖4　網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計(jì)改進(jìn)后的供電子系統(tǒng)λnTn分布圖

5　結(jié)束語

維修性預(yù)計(jì)是機(jī)車設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中必不可少且費(fèi)用效益較好的維修性工作。機(jī)車維修性的好壞直接影響著維修工時(shí)、維修費(fèi)用及維修質(zhì)量。通過改善維修性可顯著降低維修成本，提高機(jī)車效能。作為生產(chǎn)制造廠家，往往更多地關(guān)注產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)，對(duì)維修性設(shè)計(jì)考慮不夠，這種狀態(tài)很容易導(dǎo)致運(yùn)用檢修成本的增加。維修性預(yù)計(jì)可在機(jī)車施工設(shè)計(jì)完成之前，對(duì)機(jī)車可能達(dá)到的維修性水平做出估計(jì)，以便及早避免設(shè)計(jì)的盲目性。同時(shí)，維修性預(yù)計(jì)是分析性工作，投入較少，而賦予機(jī)車較高的可靠性、較好的維修性，有利于提高機(jī)車的可用度，降低全壽命周期成本。

［1］ GJB/Z 57-1994.維修性分配與預(yù)計(jì)手冊(cè)［S］.

［2］ GJB/Z 145-2006.維修性建模指南［S］.

［3］ 甘茂治.維修性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［4］ 董錫明.機(jī)車車輛運(yùn)用可靠性工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

［5］ 張奕奕.基于時(shí)間累積法的機(jī)車維修性預(yù)計(jì)分析［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2011，34（6）：65-68.

Im proved Design on Line Side Cubicle in Locomotive Based on M aintainability Prediction

LI Xining1，LI Zhonghou2，Z H A N G Yiyi1
（1 CSR Zhuzhou Electric Loco m otive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 H unan，China；2 Loco m otive&Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the time-cumulated method，this paperintroduces the com mon method and process oflocomotive maintainabi l ity prediction.By analyzing the maintainabi l ity prediction resultforl ine side cubicle，the problem on design and improving measuresis putforward.Final ly，guidance to locomotive design from maintainabi l ity prediction and the importance carrying out maintainabi l ity prediction at design stage are presented.

line side cubicle；maintainability prediction；mean time to restore；fault rate

U269.1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.25

1008-7842（2015）05-0106-03

*中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題（2013J006-A）

李希寧（1974—）男，教授級(jí)高級(jí)工程師（2015-05-12）