動車組運(yùn)行可靠性評價方法研究*

蔡 兩, 王華勝, 李 昊

(1 中國鐵道科學(xué)研究院研究生部, 北京 100081;2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

隨著我國高鐵運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，動車組在運(yùn)營里程、開行列數(shù)、交路距離、運(yùn)行環(huán)境、載客數(shù)量等方面均創(chuàng)下了世界之最，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但我國地域幅員遼闊、氣候環(huán)境多樣、線路條件復(fù)雜，在各種復(fù)雜運(yùn)行條件和因素的作用下，動車組不可避免地出現(xiàn)一些故障，如何通過故障數(shù)據(jù)的收集、分析、計算，對動車組運(yùn)行可靠性進(jìn)行評價，進(jìn)而為故障的消除、控制和預(yù)防提供技術(shù)支撐是目前迫切需要破解的難題。

1 動車組運(yùn)行故障分類

故障是指產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)[1]。動車組結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，故障模式繁多，可從故障影響、原因等不同方面進(jìn)行分類研究。

(1)按照故障后果嚴(yán)重程度分類。不同故障后果的嚴(yán)重程度差別很大，有些輕微故障不影響運(yùn)營，可先帶故障運(yùn)行，待方便時再進(jìn)行檢修；而有些嚴(yán)重故障需要立即停車否則可能造成事故，這類故障需要嚴(yán)格預(yù)防。因此，影響動車組運(yùn)行的故障需要重點關(guān)注和預(yù)防，按照嚴(yán)重性不同，這類故障又可分為兩類，一類是可能造成行車事故的安全類故障，其在《鐵路交通事故調(diào)查處理規(guī)則》(簡稱《事規(guī)》)中有明確規(guī)定[2]；另一類是構(gòu)不成事故但影響正常行車的故障，包括可能造成途中短暫非正常停車、運(yùn)緩、晚點等后果的故障。

(2)按照故障責(zé)任分類。高鐵設(shè)備設(shè)施是確保動車組安全、可靠運(yùn)行的重要手段，由于設(shè)備設(shè)施設(shè)計、制造、運(yùn)用、維修、管理等不當(dāng)導(dǎo)致的故障或事故稱為設(shè)備設(shè)施責(zé)任故障，這些故障通常是可防、可控的，也是應(yīng)該重點防控的。還有很多動車組故障是受氣候條件異常、線路環(huán)境變化等不可控因素影響產(chǎn)生，如：大風(fēng)將飄浮物吹掛在接觸網(wǎng)、霧霾天氣導(dǎo)致的絕緣子霧閃、撞擊飛鳥等，相對于高鐵設(shè)備設(shè)施責(zé)任故障，這些故障通常被認(rèn)定為非設(shè)備責(zé)任故障，一般會從管理角度進(jìn)行專門研究分析。

(3)按照故障專業(yè)分類。高鐵運(yùn)輸需要“車、機(jī)、工、電、輛”等多專業(yè)領(lǐng)域和部門協(xié)同努力配合，各專業(yè)領(lǐng)域設(shè)備設(shè)施的運(yùn)用、檢修、管理特點及模式差別較大，故障模式及影響因素更是相距甚遠(yuǎn)，各專業(yè)設(shè)備設(shè)施故障需由各專業(yè)技術(shù)管理部門分析處理。為此，影響動車組運(yùn)營的故障又可按專業(yè)劃分，如：電務(wù)設(shè)備故障、供電設(shè)備故障、線路設(shè)施故障、車輛設(shè)備故障等，動車組專業(yè)部門更關(guān)注的應(yīng)該是車輛責(zé)任設(shè)備故障。

綜上所述，高鐵運(yùn)輸?shù)闹饕繕?biāo)是安全、正點地運(yùn)送旅客至目的地，并在途中為旅客提供必要的服務(wù)和環(huán)境。從鐵路移動技術(shù)裝備研究角度看，影響動車組行車可靠性的車輛設(shè)備設(shè)施故障應(yīng)該是我們研究分析的重點對象。為此，文獻(xiàn)[3]針對動車組車輛設(shè)備故障后果嚴(yán)重程度不同，按照分級、分類的原則定義了A、B、C、D類故障。

(1)A類故障。在規(guī)定運(yùn)用環(huán)境和條件下，由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組途中非正常停車時間大于20 min 小于1 h的故障。按照《事規(guī)》規(guī)定，途中非正常停車超過1 h將構(gòu)成一般D類事故，為此將停車1 h作為A故障的考核上限。

(2)B類故障。在規(guī)定運(yùn)用環(huán)境和條件下，由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組途中非正常停車少于20 min的故障。

(3)C類故障。在規(guī)定運(yùn)用環(huán)境和條件下，由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組出入站晚點，以及在功能受限模式下運(yùn)行的故障。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)一部分晚點故障是由于途中運(yùn)緩、出站延誤導(dǎo)致的，鑒于其對運(yùn)輸?shù)挠绊戇h(yuǎn)小于途中非正常停車導(dǎo)致的晚點，為此把這類晚點故障歸為C類故障。

(4)D類故障。不影響動車組正常運(yùn)行的其他各類故障。

2 動車組故障信息收集

2.1 動車組現(xiàn)場數(shù)據(jù)特點

我國動車組投用數(shù)量多、開行范圍廣、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，具有如下突出特點：

(1)車型種類多、技術(shù)差異大。我國目前投入運(yùn)用的動車組已達(dá)數(shù)千列，技術(shù)平臺10余個，車型近30種。很多功能系統(tǒng)上存在較大技術(shù)差異，如：牽引電機(jī)有體懸和架懸之分；空調(diào)有分體式和單元式之分；動力配置有4動4拖、5動3拖、6動2拖等多種形式；不同技術(shù)特征動車組通過其故障數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出不同的可靠性規(guī)律。

(2)運(yùn)行交路環(huán)境、條件差別大。我國幅員遼闊，各地氣候、地理環(huán)境差別很大，對動車組相關(guān)系統(tǒng)和部件產(chǎn)生不同影響。如：夏季高溫地區(qū)氣溫高達(dá)40 ℃，對空調(diào)機(jī)組、牽引單元等部件的散熱性能構(gòu)成嚴(yán)峻考驗；冬季高寒地區(qū)氣溫低至-40 ℃，對給水衛(wèi)生系統(tǒng)防凍提出更高要求。再如：動車組在雪天有砟線路運(yùn)行時，雪塊夾雜道砟擊打、損壞車底設(shè)備的事故時有發(fā)生；東南沿海地區(qū)受潮濕和鹽霧等因素作用，車體及構(gòu)架腐蝕現(xiàn)象明顯。上述狀況都將在現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)中有所體現(xiàn)。

圖1 不同時刻投用動車組運(yùn)用狀況

圖2 調(diào)整為同一壽命周期起點后狀況

(4)動車組結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、故障模式繁多。動車組屬機(jī)電一體化大型復(fù)雜裝備，由成千上萬種部件組成，按主要功能可劃分為車體、轉(zhuǎn)向架、制動、牽引、輔助、網(wǎng)絡(luò)、空調(diào)、給水衛(wèi)生、內(nèi)裝與設(shè)備等，依次與安全性、可靠性和舒適性密切相關(guān)，其故障影響、原因、機(jī)理、規(guī)律各不相同，需要在故障模式影響分析基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計分析研究。

2.2 動車組故障數(shù)據(jù)收集

為科學(xué)準(zhǔn)確評價動車組運(yùn)行可靠性，需要對動車組運(yùn)行故障信息進(jìn)行全面統(tǒng)計分析，尤其需要做好以下幾類信息的收集：

(1)產(chǎn)品識別信息。包括動車組車型及車組號、制造廠家，以便按不同車型和廠家進(jìn)行統(tǒng)計分析。

(2)運(yùn)用環(huán)境及條件信息。包括配屬段、運(yùn)行交路等。動車組在壽命周期內(nèi)可能會根據(jù)運(yùn)輸需求調(diào)配轉(zhuǎn)屬不同動車段，運(yùn)行交路也會不斷調(diào)整，此類信息反映了動車組運(yùn)行的線路狀況、環(huán)境和氣候條件等，以便對某個段、某個線路或某種氣候條件下動車組進(jìn)行分類統(tǒng)計分析。

(3)走行里程及時間信息。包括動車組投入運(yùn)用以來的累積走行里程和時間。動車組轉(zhuǎn)向架、制動、牽引等系統(tǒng)運(yùn)動部件可靠性與走行里程關(guān)系密切，而車體、內(nèi)裝、內(nèi)飾、橡膠件、密封件、油脂類產(chǎn)品與運(yùn)用時間關(guān)系密切，為此常常需要從里程、時間兩個維度對數(shù)據(jù)進(jìn)行分別統(tǒng)計分析。

(4)故障信息。包括故障模式、原因、影響等內(nèi)容。首先依據(jù)故障模式判斷是否為責(zé)任故障；其次根據(jù)故障原因界定是否為車輛設(shè)備責(zé)任故障，以及故障定位的具體功能系統(tǒng)或部件；然后分析故障影響程度，據(jù)此判定其故障等級。

動車組故障信息收集猶如填寫人體健康履歷表，將動車組投入運(yùn)用以來發(fā)生的所有影響行車的故障，按照時間先后或累計走行里程從低到高的順序進(jìn)行記錄填寫，形成一張動車組壽命周期健康履歷表，格式見表1。

表1 動車組故障信息收集表

3 動車組故障率統(tǒng)計分析

3.1 故障率及主要規(guī)律

故障率是評價產(chǎn)品可靠性的重要評價參數(shù)，可分為瞬時故障率和平均故障率。瞬時故障率λ(t)是指在規(guī)定條件下運(yùn)用到時刻t尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率[3]。即

(1)

式中：Ns(t)為到t時刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品數(shù)；dr(t)為t時刻后dt時間段內(nèi)故障的產(chǎn)品數(shù)。

故障規(guī)律是指產(chǎn)品瞬時故障率隨工作時間變化的規(guī)律函數(shù)或曲線，也稱故障率曲線。圖3所示“浴盆曲線”是較早發(fā)現(xiàn)的一種典型產(chǎn)品故障率規(guī)律[3-4]，該曲線有3個特征區(qū)域：

(1)早期故障區(qū)：指產(chǎn)品新造或翻修后，故障率較高但會隨著運(yùn)用篩選較快降低的一段時期。若該階段故障率較高，則需要采取源頭質(zhì)量整治等措施。

(2)偶然故障區(qū)；指產(chǎn)品進(jìn)入穩(wěn)定使用期后，故障率相對較低且持續(xù)平穩(wěn)的一段時期。這是產(chǎn)品最佳使用階段，為減少不必要的外界激擾，除日常維護(hù)保養(yǎng)外，不建議實施預(yù)防檢修和更換工作。

(3)耗損故障區(qū)；指產(chǎn)品進(jìn)入耗損、老化階段，故障率開始呈現(xiàn)快速上升的一段時期。在該階段進(jìn)行預(yù)防檢修或更換不僅可有效避免批量故障，而且充分利用了產(chǎn)品壽命，可獲得最佳的檢修效率和效益。

圖3 故障率浴盆曲線

此外，還可以根據(jù)故障率曲線評價預(yù)測動車組運(yùn)用質(zhì)量狀況，根據(jù)高級修前后故障率變化情況評價檢修效果。

3.2 動車組故障率及計算方法

為便于動車組運(yùn)用維修管理和計算評價，實際中常用包含某個時刻時間段的平均故障率作為該時刻的可靠性近似評價指標(biāo)，通過對動車組壽命周期內(nèi)不同時刻間隔內(nèi)故障率指標(biāo)進(jìn)行計算評價，從而得到動車組故障率曲線和規(guī)律。

(2)

4 動車組運(yùn)行可靠性評價流程

通過動車組運(yùn)行故障數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計和故障率計算，可分別獲得壽命周期內(nèi)動車組整車故障變化規(guī)律、不同等級故障變化規(guī)律、不同功能系統(tǒng)故障變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，借助故障模式影響分析(FMEA)等可靠性方法對占主導(dǎo)地位的支配型故障系統(tǒng)和部件進(jìn)行分析，提出故障消除和控制措施，提升動車組可靠性。

(1) 故障數(shù)據(jù)收集

通過動車管理信息系統(tǒng)等運(yùn)行數(shù)據(jù)源獲取以下信息：車型及車號、制造單位、配屬單位、累積運(yùn)行里程、累積運(yùn)用時間、故障模式、故障原因、故障定位、故障影響等，并按照故障發(fā)生順序逐條填寫相關(guān)信息至表1。

(2)整車故障規(guī)律分析

依據(jù)車輛設(shè)備責(zé)任事故和故障計算動車組整車故障率，根據(jù)故障率曲線評價動車組運(yùn)行可靠性狀況。根據(jù)文獻(xiàn)[6]結(jié)論，正常情況下，動車組整車故障率平穩(wěn)且較低，近似服從指數(shù)分布。若故障率偏高或曲線局部異常，須進(jìn)一步分析其原因。

(3)不同等級故障規(guī)律分析

按照不同故障嚴(yán)重程度等級定義，對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分級梳理，分別統(tǒng)計分析不同故障等級下動車組故障率及其變化趨勢，分析不同等級故障在整車故障率中占比、影響因素及改進(jìn)措施。

(4)不同功能系統(tǒng)故障規(guī)律分析

結(jié)合故障現(xiàn)象和原因，按照動車組功能系統(tǒng)進(jìn)行故障定位和分類，如：車體故障、轉(zhuǎn)向架故障、制動故障等，并計算各系統(tǒng)故障占比。采用FMEA方法從故障模式、原因、影響、措施等方面對占比較高的支配型故障進(jìn)行分析，以便采取有效措施消除或控制相關(guān)故障，提升動車組可靠性。

(5)故障規(guī)律優(yōu)化

依據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合動車組高級修或源頭質(zhì)量整治，采取相關(guān)措施可使支配型故障得到消除或控制。為此，可在原故障數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上依次把行將消除的支配型故障數(shù)據(jù)刪除或調(diào)整，對動車組整車故障規(guī)律重新進(jìn)行統(tǒng)計計算，進(jìn)而獲得優(yōu)化后的整治效果。

5 實例分析

依據(jù)文中分析流程和方法，對某型動車組運(yùn)行故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計、計算和分析，進(jìn)而評價和預(yù)測其運(yùn)行可靠性。

(1)整車故障規(guī)律分析

針對某型動車組故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算得到其既有壽命周期330萬km內(nèi)的故障率曲線，如圖4所示。

圖4 某型動車組整車故障率曲線

由圖4可以看出，該型動車組在10～100萬km區(qū)間內(nèi)故障率較高，具有明顯的早期故障期，隨著故障不斷整治，故障率逐年下降并趨于平穩(wěn)，100萬km后基本呈現(xiàn)出大型復(fù)雜裝備故障規(guī)律近似服從指數(shù)分布的平穩(wěn)型特征，其平均百萬公里故障率約為2.19。

(2)不同等級故障規(guī)律分析

按照故障嚴(yán)重程度等級不同，分別針對動車組事故、A類故障、B類故障、C類故障進(jìn)行統(tǒng)計計算，得到該動車組壽命周期內(nèi)不同等級故障在總體故障率中的占比，如圖5所示。

圖5 故障率中不同等級故障占比

圖6 不同等級故障率曲線

圖6給出不同等級故障下的動車組故障率曲線，由圖可看出，該動車組在壽命周期內(nèi)事故率一直是較低且平穩(wěn)的，平均事故率水平約為每百萬公里0.013件，說明其安全性是有保障的。A類故障明顯低于B類和C類故障，在50萬km前有早期故障特征，經(jīng)整治后明顯下降并趨于平穩(wěn)，平均故障率水平在0.58件左右，說明該動車組運(yùn)行是基本可靠的。B、C類故障在100萬km前均有明顯的早期故障，是造成動車組故障率高的主要因素，經(jīng)整治，故障率大幅下降，至100萬km逐步趨于穩(wěn)定。需要說明的是，由于C類故障未導(dǎo)致停車，主要統(tǒng)計了造成明顯晚點的C類故障，一些影響不大的C類故障沒有統(tǒng)計，如：空調(diào)故障等，使得圖6中C類故障率低于B類故障率。

(3)不同功能系統(tǒng)故障規(guī)律分析

結(jié)合故障現(xiàn)象和原因，可按照動車組功能系統(tǒng)對故障進(jìn)行定位和分類，鑒于該動車組在其壽命周期的前100萬公里內(nèi)具有明顯的早期故障，故重點對該區(qū)間內(nèi)不同功能系統(tǒng)的故障規(guī)律進(jìn)行分析。

圖7、圖8分別給出動車組壽命周期早期不同功能系統(tǒng)故障占比和故障率曲線，可以看出，該階段故障主要集中在高壓牽引系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、列控車載設(shè)備、車體及車端連接以及供風(fēng)及制動系統(tǒng)，占了所有故障的86%，均呈現(xiàn)出顯著的早期故障規(guī)律特征，由此決定了整車的早期故障特征。

圖7 壽命周期早期不同功能系統(tǒng)故障占比

(4)整車故障規(guī)律優(yōu)化

針對高壓牽引系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、列控車載設(shè)備、車體及車端連接以及供風(fēng)及制動系統(tǒng)等故障占比較高的產(chǎn)品開展FMEA分析，制定預(yù)防及整治措施，可有效降低故障率、提升可靠性。表2結(jié)合故障發(fā)生情況給出主要相關(guān)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)FMEA初步分析結(jié)果。

圖8 壽命周期早期不同功能系統(tǒng)故障率曲線

表2僅對系統(tǒng)層面產(chǎn)品進(jìn)行了初步FMEA分析，在此基礎(chǔ)上可結(jié)合產(chǎn)品的層次化結(jié)構(gòu)逐層開展FMEA分析。圖9為分析得到的高壓牽引系統(tǒng)主要部件故障占比圖，可以看出，牽引變流器、牽引電機(jī)、主斷路器、受電弓、牽引變壓器依次占比較高，針對上述部件進(jìn)一步開展FMEA分析，制定防治措施可有效降低高壓牽引系統(tǒng)故障率。同理，可對轉(zhuǎn)向架等其他系統(tǒng)部件開展深層FMEA分析，制定有效防治措施。

表2 動車組主要故障相關(guān)系統(tǒng)FMEA分析表

經(jīng)過對高壓牽引系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、列控車載設(shè)備、車體及車端連接以及供風(fēng)及制動系統(tǒng)等故障整治后得到圖10所示的故障率曲線，考慮上述系統(tǒng)故障經(jīng)過整治后雖會大幅減少，但不會達(dá)到零故障率水平，為此取其余各系統(tǒng)故障率的平均值作為上述5項系統(tǒng)整治后近似故障率相對比較合理。在進(jìn)行故障系統(tǒng)優(yōu)化預(yù)測之后，壽命周期內(nèi)整車故障率下降72%，平均故障率降至每百萬公里2.11件，優(yōu)化效果明顯。故障整治后故障率明顯下降，但仍有輕微的早期故障傾向，一方面是由于占比較高的其他類故障整治效果沒有考慮，另一方面，大型復(fù)雜裝備由于新造組裝不當(dāng)、偶發(fā)源頭缺陷等原因不可避免會產(chǎn)生一些早期故障。

圖9 高壓牽引系統(tǒng)主要部件故障占比

圖10 故障整治前后故障率曲線對比

6 結(jié) 論

針對我國動車組運(yùn)用維修特點，從故障分類、數(shù)據(jù)收集、故障分析等方面進(jìn)行研究，提出動車組運(yùn)行可靠性評價流程，得出以下結(jié)論。

(1)從故障后果、故障責(zé)任、故障專業(yè)領(lǐng)域等角度對動車組故障進(jìn)行分類，體現(xiàn)了分層、分級、分類的管理原則，通過聚焦少數(shù)、關(guān)鍵故障，使動車組運(yùn)行可靠性評價更加客觀、合理。

(2)分析了動車組現(xiàn)場數(shù)據(jù)復(fù)雜性、多樣性特點，制定了動車組故障數(shù)據(jù)收集內(nèi)容和項目，為動車組運(yùn)行可靠性評價提供了數(shù)據(jù)支撐。

(3)介紹了典型故障率曲線及其規(guī)律特點，討論了動車組整車壽命周期故障率計算方法，借助故障率曲線實現(xiàn)了動車組壽命周期內(nèi)運(yùn)行可靠性定量評價。

(4)從動車組運(yùn)行故障數(shù)據(jù)收集、故障率計算分析、整車故障規(guī)律分析、不同等級故障規(guī)律分析、不同功能系統(tǒng)故障規(guī)律分析、故障規(guī)律優(yōu)化分析等方面制定了動車組運(yùn)行可靠性評價流程。

(5)針對某型動車組運(yùn)行故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集統(tǒng)計，得到其整車故障率曲線，分別對整車故障規(guī)律、不同級別故障規(guī)律、不同系統(tǒng)故障規(guī)律進(jìn)行分析；運(yùn)用FMEA方法對早期故障率中占比較高的故障進(jìn)行分析，提出整治及防控措施；從可靠性提升角度，為動車組研制和運(yùn)用考核提供了技術(shù)流程和方法。