機(jī)車(chē)車(chē)輛造修一體化的思考

錢(qián)銘， 呂曉春， 黃成榮

（1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 機(jī)輛部，北京 100844；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 辦公廳，北京 100844）

1 概述

截至2020年7月底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程突破14萬(wàn)km，其中，高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到3.6萬(wàn)km，繼續(xù)保持世界第一位。匹配宏大的路網(wǎng)，我國(guó)鐵路配屬了大量動(dòng)車(chē)組、機(jī)車(chē)、客車(chē)和貨車(chē)，機(jī)車(chē)車(chē)輛品種涵蓋不同速度等級(jí)、不同軸重等級(jí)、不同動(dòng)力方式、不同功率范圍和不同運(yùn)行環(huán)境。復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)350 km/h商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度、單列年運(yùn)行里程最高近80萬(wàn)km；大秦鐵路重載運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)單列運(yùn)量2.1萬(wàn)t、年運(yùn)量4.5億t；青藏鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛保持10余年安全運(yùn)行。我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用總體表現(xiàn)優(yōu)異，高速鐵路、重載鐵路、高原高寒鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛均達(dá)到世界先進(jìn)水平。

同時(shí)，為確保運(yùn)輸安全，保持和發(fā)揮機(jī)車(chē)車(chē)輛服役期內(nèi)應(yīng)有的效能和效率，需要持續(xù)養(yǎng)護(hù)和維修，特別是隨著我國(guó)動(dòng)車(chē)組、交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)等新型裝備配屬數(shù)量的快速增長(zhǎng)、修程的逐步深入，機(jī)車(chē)車(chē)輛維護(hù)檢修費(fèi)用也逐年攀升，在運(yùn)輸成本中占比不斷提高［1-3］。節(jié)約機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修成本、提高運(yùn)用效率等面臨很多現(xiàn)實(shí)課題，突出體現(xiàn)在以下方面：

（1）研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)普遍存在重視性能、輕視效能問(wèn)題。在傳統(tǒng)理念長(zhǎng)期影響下，設(shè)計(jì)制造企業(yè)重點(diǎn)研究提升機(jī)車(chē)車(chē)輛速度、功率等性能指標(biāo)，而對(duì)可靠性、可用性、維修性、安全性（Reliability Availability Maintainability and Safety，RAMS）及故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）的設(shè)計(jì)規(guī)劃不足［4］，導(dǎo)致整車(chē)與部件修程周期不匹配、檢修不方便、監(jiān)測(cè)不全面的現(xiàn)象依然普遍存在。

（2）缺少機(jī)車(chē)車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用和使用成本的綜合研究。隨著機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)性能的提升，購(gòu)置、使用、維修成本均大幅攀升，全生命周期內(nèi)的使用和維修費(fèi)用常常是購(gòu)置費(fèi)的數(shù)倍。運(yùn)用全生命周期費(fèi)用評(píng)價(jià)手段，引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)、使用費(fèi)、維修費(fèi)更加合理、協(xié)調(diào)、透明，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛全生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）最匹配，值得深入研究。

（3）需要更新理念，重視機(jī)車(chē)車(chē)輛延壽效益。機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后，部分機(jī)車(chē)車(chē)輛主要結(jié)構(gòu)件仍具備一定剩余壽命，全部報(bào)廢很不經(jīng)濟(jì)。開(kāi)展機(jī)車(chē)車(chē)輛翻新重造探索研究，通過(guò)整車(chē)翻新重造，對(duì)落后技術(shù)或老舊設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和改造，充分利用主要結(jié)構(gòu)件的剩余壽命，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

為此，要按照機(jī)車(chē)車(chē)輛造修一體化的思路，通過(guò)全生命周期統(tǒng)籌優(yōu)化，系統(tǒng)提高機(jī)車(chē)車(chē)輛的設(shè)計(jì)水平、運(yùn)用效率和運(yùn)維水平。

2 機(jī)車(chē)車(chē)輛造修一體化總體思路

機(jī)車(chē)車(chē)輛造修一體化思想基于裝備全生命周期管理理念，依據(jù)現(xiàn)代維修理論和技術(shù)，按照新造-維修一體化統(tǒng)籌規(guī)劃、權(quán)衡和決策機(jī)車(chē)車(chē)輛的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用、維護(hù)、檢修和報(bào)廢工作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)用和維修的總體目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，重點(diǎn)在新造奠定維修基礎(chǔ)、維修促進(jìn)新造提升這2個(gè)方面開(kāi)展工作，也需在設(shè)計(jì)階段考慮壽命末期的延壽使用和翻新重造。

2.1 新造奠定維修基礎(chǔ)

機(jī)車(chē)車(chē)輛長(zhǎng)期運(yùn)用和檢修實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)方案中，元器件等級(jí)、材料性能、產(chǎn)品性能及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)可靠性、維修條件、維修方式、維修停時(shí)、維修成本等均有重要影響，很大程度決定修程修制。僅在運(yùn)用維修階段開(kāi)展修程修制優(yōu)化，不僅被動(dòng)且效果有限，必須在研發(fā)階段就開(kāi)展維修規(guī)劃工作，基于造修一體化思想，在機(jī)車(chē)車(chē)輛研發(fā)之初并行開(kāi)展RAMS和PHM設(shè)計(jì)、修程修制規(guī)劃和LCC優(yōu)化，合理設(shè)置產(chǎn)品使用壽命、維修工作等級(jí)及其周期，以獲得最佳的使用性能、維修保障性能和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)以較小的前期投入換得較大的后期費(fèi)用節(jié)省。

2.2 維修促進(jìn)新造提升

新型機(jī)車(chē)車(chē)輛正式投入運(yùn)用前，一般只要按規(guī)定進(jìn)行型式試驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛性能指標(biāo)的符合性驗(yàn)證確認(rèn)。與性能驗(yàn)證要求不同，RAMS設(shè)計(jì)、修程修制規(guī)劃和LCC優(yōu)化的效能指標(biāo)驗(yàn)證很難在短期內(nèi)借助型式試驗(yàn)完成，而需要制定專(zhuān)門(mén)的可靠性、維修性試驗(yàn)驗(yàn)證方案和程序，如可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、維修性驗(yàn)證試驗(yàn)等，有時(shí)會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。

有些產(chǎn)品甚至需要結(jié)合長(zhǎng)期運(yùn)用和檢修不斷驗(yàn)證、優(yōu)化和完善，歷經(jīng)幾代產(chǎn)品改進(jìn)最終成熟定型。例如：我國(guó)東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)、韶山系列電力機(jī)車(chē)的升級(jí)換代歷程，德國(guó)動(dòng)車(chē)組從ICE1、ICE2、ICE3發(fā)展到ICE4，其中的許多技術(shù)提升和改進(jìn)都源于運(yùn)用和檢修需求的驅(qū)動(dòng)。此外，即便是相對(duì)成熟的機(jī)車(chē)車(chē)輛，在長(zhǎng)期運(yùn)用和檢修實(shí)踐中仍會(huì)暴露一些不適于運(yùn)用和檢修要求的可靠性、維修性等方面設(shè)計(jì)不足和缺陷，通過(guò)消除和改進(jìn)上述缺陷可大幅提高機(jī)車(chē)車(chē)輛可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

為此，需要把機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用檢修與設(shè)計(jì)制造作為一個(gè)整體進(jìn)行安排，搭建平臺(tái)，加強(qiáng)造修企業(yè)間的技術(shù)交流和信息溝通，將機(jī)車(chē)車(chē)輛可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性等效能指標(biāo)納入設(shè)計(jì)基本指標(biāo)。

3 研發(fā)設(shè)計(jì)決定造修一體化條件

機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)應(yīng)以保證運(yùn)行安全、滿(mǎn)足運(yùn)輸性能、適應(yīng)不同環(huán)境、實(shí)現(xiàn)全生命周期最佳經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)。在機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)研發(fā)階段，依據(jù)現(xiàn)代維修思想和理論，按照全生命周期費(fèi)用最優(yōu)的原則，通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛RAMS進(jìn)行綜合比選，實(shí)現(xiàn)整車(chē)、系統(tǒng)及零部件的維修工作設(shè)計(jì)和規(guī)劃。通過(guò)在研發(fā)階段開(kāi)展機(jī)車(chē)車(chē)輛維修規(guī)劃研究，可為其維修保障工作奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

德國(guó)鐵路公司（DB）將維修工作納入全生命周期管理，成立專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)用及維護(hù)界面及檢修設(shè)備研究，在產(chǎn)品概念、設(shè)計(jì)階段就把維修作為重要輸入條件，在各種合同、協(xié)議等供需雙方文件中明確約定維修要求，并反復(fù)溝通，共同努力落實(shí)。法國(guó)阿爾斯通公司在TGV動(dòng)車(chē)組研發(fā)過(guò)程中邀請(qǐng)法國(guó)鐵路公司運(yùn)用維修專(zhuān)家參與設(shè)計(jì)工作，廣泛聽(tīng)取采納運(yùn)用維修專(zhuān)家在產(chǎn)品可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性、維修方案等方面的優(yōu)化建議，結(jié)合運(yùn)用檢修經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，更具針對(duì)性地提升產(chǎn)品可靠性、改善維修便利性、降低LCC，使動(dòng)車(chē)組獲得更優(yōu)化的性能和效能指標(biāo)。

3.1 可靠性設(shè)計(jì)

（1）降額設(shè)計(jì)。降額設(shè)計(jì)是使產(chǎn)品或零部件所承受的工作應(yīng)力（機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力、溫度應(yīng)力）適當(dāng)?shù)陀陬~定值，從而達(dá)到降低故障率、提高可靠性的目的。例如：電子產(chǎn)品可靠性對(duì)其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品尤為重要。機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)最高時(shí)速和牽引、制動(dòng)功率具有一定余量，不僅為性能退化留有余量，還能減少日常運(yùn)用中滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的概率，從而降低故障率。

（2）冗余設(shè)計(jì)。冗余設(shè)計(jì)是通過(guò)備份配置某些關(guān)鍵設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，冗余設(shè)備介入工作，承擔(dān)故障設(shè)備的功能，減少停機(jī)故障發(fā)生。冗余設(shè)計(jì)是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性、高安全性的有效方法。特別是當(dāng)基礎(chǔ)元器件或零部件在特定環(huán)境下可靠性水平降低、采用一般設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠性要求或因改進(jìn)元器件可靠性所需費(fèi)用比冗余設(shè)計(jì)費(fèi)用更高時(shí)可考慮該方法。動(dòng)車(chē)組和機(jī)車(chē)一般都由幾個(gè)獨(dú)立的基本動(dòng)力單元組成，基本動(dòng)力單元中的電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可全部或部分切除該動(dòng)力單元，而不影響到其他動(dòng)力單元的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)局部故障隔離后維持繼續(xù)運(yùn)行，降低運(yùn)營(yíng)損失和影響。

（3）耐環(huán)境設(shè)計(jì)。耐環(huán)境設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)時(shí)考慮產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境影響。例如：針對(duì)沖擊、振動(dòng)、側(cè)風(fēng)、溫度、濕度、含氧量、紫外線(xiàn)等影響，采取散熱（加熱）、冷卻、隔熱、密封、干燥、防護(hù)涂層、加固、控制諧振及減振等技術(shù)，選用耐高（低）溫、高絕緣、抗干擾、耐潮等技術(shù)和材料，確保產(chǎn)品可靠性。

3.2 維修性設(shè)計(jì)

（1）可達(dá)性?？蛇_(dá)性是指維修時(shí)接近維修部位的難易程度，維修部位看得見(jiàn)、可檢測(cè)，不需拆裝其他單元或拆裝簡(jiǎn)便，容易達(dá)到維修部位，同時(shí)具有為檢查、修理或更換所需的空間即為可達(dá)性好。機(jī)車(chē)車(chē)輛應(yīng)合理設(shè)置檢測(cè)窗口和維修通道，統(tǒng)籌安排、合理布局，將故障率高、維修空間需求大的部件盡量安排在系統(tǒng)外部或易接近部位，觀察孔或檢查窗蓋板采用透明窗或快速開(kāi)啟蓋板。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化、互換性和通用化。標(biāo)準(zhǔn)化、互換性和通用化不僅有利于零部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，而且能顯著減少維修備件的品種、數(shù)量，簡(jiǎn)化保障需求，方便維修人員作業(yè)。機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備、工具、元器件和零部件，并盡量減少其品種、規(guī)格；故障率高、容易損壞、關(guān)鍵性零部件更應(yīng)具有良好的互換性和模塊化；不同廠家、型號(hào)產(chǎn)品不僅應(yīng)具有功能互換性，而且要具有安裝互換性。

（3）模塊化。模塊化是以系統(tǒng)的分解和組合理論為基礎(chǔ)，研究產(chǎn)品或系統(tǒng)的構(gòu)成形式，建立其不同層面的模塊體系，并運(yùn)用模塊組合成產(chǎn)品的過(guò)程。模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化的高級(jí)形式，是特征尺寸模數(shù)化、結(jié)構(gòu)典型化、部件通用化、參數(shù)系列化、組裝積木化的綜合體，標(biāo)準(zhǔn)件、通用件是在零件級(jí)進(jìn)行通用互換，模塊是在部件級(jí)甚至子系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行通用互換。機(jī)車(chē)車(chē)輛應(yīng)按照功能設(shè)計(jì)成若干個(gè)能夠完全互換的模塊，模塊應(yīng)便于單獨(dú)測(cè)試；模塊更換后一般不需進(jìn)行調(diào)整，若必須調(diào)整時(shí)，應(yīng)能單獨(dú)進(jìn)行；模塊大小與質(zhì)量一般應(yīng)考慮拆裝、搬運(yùn)等條件。

（4）等（倍）壽命。不同設(shè)計(jì)壽命年限，對(duì)產(chǎn)品性能、使用維修等會(huì)提出不同要求，進(jìn)而直接影響制造成本、采購(gòu)價(jià)格、年均購(gòu)置分?jǐn)傎M(fèi)用等，最后綜合體現(xiàn)在LCC指標(biāo)的優(yōu)劣上。運(yùn)用可靠性技術(shù)，以LCC最低為目標(biāo)，根據(jù)運(yùn)用維修需求，規(guī)劃設(shè)計(jì)部件使用壽命和維修間隔期，哪些部件應(yīng)同壽命，哪些部件呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系，部件壽命和維修間隔期如何與整車(chē)維修級(jí)別和維修周期相匹配，既不因部件壽命不足造成運(yùn)用維修短板，也不因部件壽命過(guò)度冗余造成浪費(fèi)。

（5）免維修。免維修是指不對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)定的維修工作。按照設(shè)計(jì)要求，在規(guī)定運(yùn)用條件下，機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)架等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件在全生命周期內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)影響功能的嚴(yán)重破損和缺陷，但允許局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后進(jìn)行必要的修復(fù)性維修。因此，上述部件除必要的不解體檢查、測(cè)試外，可不進(jìn)行預(yù)防維修。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用長(zhǎng)壽命部件，并開(kāi)展抗疲勞、耐久性和損傷容限設(shè)計(jì)，使部件不易損傷，即使出現(xiàn)局部損傷也不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)功能的喪失。DB公司提出了許多免維修、少維修項(xiàng)目要求，包括車(chē)體油漆可維持15年等。

3.3 安全性設(shè)計(jì)

安全性設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)中預(yù)想各種部件和系統(tǒng)的故障，并在設(shè)計(jì)階段采取針對(duì)性措施，消除和控制各種風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的安全性，包括進(jìn)行消除和降低危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中采用安全和告警裝置及編制專(zhuān)用規(guī)程和培訓(xùn)教材等。

（1）機(jī)車(chē)車(chē)輛采用裂紋緩慢擴(kuò)展設(shè)計(jì)原則，通過(guò)材料或應(yīng)力水平的選擇，使輪對(duì)、構(gòu)架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在由最長(zhǎng)初始裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋期間（稱(chēng)裂紋擴(kuò)展壽命）至少有2次以上檢查機(jī)會(huì)，并以此原則確定探傷周期。

（2）與安全直接相關(guān)的部件或參數(shù)都留有一定安全余量，如輪對(duì)、構(gòu)架、車(chē)體等結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)臨界速度等。

（3）機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)以故障-安全為原則，采取多種主動(dòng)安全與被動(dòng)安全措施。主動(dòng)安全措施主要包括：接近預(yù)警、地震預(yù)警、煙火報(bào)警系統(tǒng)；失穩(wěn)、軸溫、受電弓監(jiān)測(cè)；過(guò)壓、過(guò)流、高壓、欠壓、防滑、超溫、接地保護(hù)等。被動(dòng)安全措施主要包括：碰撞吸能裝置，脫線(xiàn)防護(hù)裝置，滅火器（干粉和水基），阻燃、低煙、無(wú)毒（低毒）、無(wú)鹵的非延燃性材料或防火材料等。

3.4 測(cè)試性設(shè)計(jì)

測(cè)試性是指便于確定產(chǎn)品及其子系統(tǒng)狀態(tài)并檢測(cè)、診斷故障的一種設(shè)計(jì)特性。測(cè)試性設(shè)計(jì)具有如下要求：

（1）產(chǎn)品需要具備能被監(jiān)測(cè)到的參數(shù)，包括機(jī)械、電子、聲音、溫度等信號(hào)參數(shù)；

（2）監(jiān)測(cè)裝置的故障率應(yīng)低于被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的故障率；

（3）應(yīng)嚴(yán)格控制誤報(bào)率和漏報(bào)率。

在機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)階段，應(yīng)全面、系統(tǒng)考慮測(cè)試性要求，合理布置測(cè)點(diǎn)，從源頭上構(gòu)建PHM系統(tǒng)，同時(shí)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)預(yù)留加裝測(cè)試設(shè)備接口，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修提供支撐。狀態(tài)修是指通過(guò)對(duì)產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)及其變化進(jìn)行直接或間接、連續(xù)或定期的檢測(cè)或監(jiān)測(cè)，以確定其功能和狀態(tài)，決定是否需要進(jìn)行維修工作。針對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛建立完善的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)，通過(guò)持續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和PHM分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和精準(zhǔn)檢修，可在保證機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用安全的前提下最大限度發(fā)揮產(chǎn)品的剩余壽命，有效避免過(guò)度修。復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組通過(guò)加裝各類(lèi)車(chē)載監(jiān)控裝置，使很多項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)檢測(cè)，檢修周期延長(zhǎng)20%。

3.5 節(jié)能設(shè)計(jì)

機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備的先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在高速度，更體現(xiàn)在低能耗、低噪聲、低排放。在動(dòng)車(chē)組、機(jī)車(chē)的LCC中，能耗費(fèi)用占比最高，能耗優(yōu)化效果最顯著，機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮節(jié)能要求。

具體節(jié)能設(shè)計(jì)措施包括：通過(guò)優(yōu)化氣動(dòng)特性降低運(yùn)行阻力；采用寬禁帶半導(dǎo)體材料、新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等新技術(shù)提高牽引傳動(dòng)效率；通過(guò)采用新材料、新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化，采用輔助/自動(dòng)駕駛優(yōu)化列車(chē)操縱，降低牽引能耗；通過(guò)采用變頻空調(diào)和LED照明，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)及通風(fēng)鏈路，降低輔助能耗。

4 運(yùn)用維修提升造修一體化水平

機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用維修階段是全生命周期中最長(zhǎng)的階段，也是體現(xiàn)和發(fā)揮設(shè)計(jì)功能、直接產(chǎn)生效益的階段。機(jī)車(chē)車(chē)輛的可用性、維修性、可靠性等各項(xiàng)指標(biāo)都會(huì)在運(yùn)用維修階段得到充分體現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)用考驗(yàn)還可充分暴露潛在的設(shè)計(jì)、制造缺陷。通過(guò)持續(xù)強(qiáng)化運(yùn)用維修對(duì)設(shè)計(jì)制造的閉環(huán)反饋，不斷改進(jìn)機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，提升造修一體化水平。

4.1 運(yùn)用維修推動(dòng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

（1）效能指標(biāo)評(píng)估驗(yàn)證。盡管在機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)研發(fā)制造時(shí)已充分考慮修程修制、RAMS設(shè)計(jì)、LCC優(yōu)化，但能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)和效果，需要在運(yùn)用、檢修實(shí)踐中對(duì)其指標(biāo)符合性進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，必要時(shí)進(jìn)行改進(jìn)提升。例如：瑞典X2000型動(dòng)車(chē)組在交付使用后，依據(jù)合同要求對(duì)可靠性、維修性、LCC等指標(biāo)符合性進(jìn)行了為期6個(gè)月的運(yùn)營(yíng)考核驗(yàn)證；德國(guó)也規(guī)定在列車(chē)交付后按規(guī)定對(duì)動(dòng)車(chē)組故障率進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

（2）閉環(huán)反饋提升。經(jīng)過(guò)符合性驗(yàn)證的機(jī)車(chē)車(chē)輛，在長(zhǎng)期運(yùn)用檢修實(shí)踐中仍會(huì)發(fā)現(xiàn)許多不適于檢修和運(yùn)用的設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)對(duì)該類(lèi)缺陷的消除和改進(jìn)，可大幅提高機(jī)車(chē)車(chē)輛的可靠性和維修性。為此，應(yīng)充分利用故障反饋分析與糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）等手段和管理機(jī)制，將運(yùn)用檢修需求及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)研發(fā)部門(mén)，以利于產(chǎn)品的進(jìn)一步提升和改進(jìn)。機(jī)車(chē)車(chē)輛源頭質(zhì)量整治工作就是針對(duì)新型機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用初期的突出慣性質(zhì)量問(wèn)題，聯(lián)合運(yùn)用、檢修、新造部門(mén)共同開(kāi)展整治工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛可靠性和維修性的提升。目前動(dòng)車(chē)組、和諧型機(jī)車(chē)已將源頭質(zhì)量整治作為一項(xiàng)持續(xù)開(kāi)展的常規(guī)性工作，通過(guò)不斷整治，裝備的性能和效能獲得大幅提升，取得顯著效果。

（3）持續(xù)維修優(yōu)化。機(jī)車(chē)車(chē)輛應(yīng)基于長(zhǎng)期運(yùn)用檢修實(shí)踐中積累的大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，充分利用動(dòng)車(chē)組可靠性、維修性和測(cè)試性特點(diǎn)，以確保安全性為前提，在現(xiàn)代維修理論指導(dǎo)下，在計(jì)劃預(yù)防修為主的原則下，合理運(yùn)用狀態(tài)修、定期修、換件修、均衡修、委托修等維修方式和策略，持續(xù)優(yōu)化檢修范圍、周期和級(jí)別，以達(dá)到提高動(dòng)車(chē)組檢修、運(yùn)用效率和降低全生命周期費(fèi)用的目的。如動(dòng)車(chē)組及和諧型機(jī)車(chē)修程修制改革、檢修規(guī)程的持續(xù)修訂優(yōu)化、動(dòng)車(chē)組一級(jí)修周期延長(zhǎng)等，顯著提升了機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修效率和效益。

4.2 修程修制優(yōu)化促進(jìn)挖潛提效

對(duì)于機(jī)車(chē)車(chē)輛高價(jià)值裝備，充分利用多年積累運(yùn)用檢修數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，在確保安全的前提下持續(xù)優(yōu)化修程修制，完善動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段，增設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備、升級(jí)車(chē)載設(shè)備，以降低LCC總成本。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)鐵集團(tuán)）目前正在大力推進(jìn)動(dòng)車(chē)組和和諧型機(jī)車(chē)修程修制改革，著力建立符合裝備發(fā)展水平的鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)保證質(zhì)量安全、減少檢修頻次、降低檢修成本、提高運(yùn)用效率的目標(biāo)［5］。修程修制改革主要措施包括：延長(zhǎng)檢修間隔、優(yōu)化檢修范圍、優(yōu)化檢修方式。

（1）延長(zhǎng)檢修間隔。機(jī)車(chē)車(chē)輛在長(zhǎng)期運(yùn)用檢修中積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用現(xiàn)代維修理論和可靠性方法進(jìn)行分析論證，在不降低可靠性的情況下延長(zhǎng)檢修間隔，減少其全生命周期內(nèi)的檢修頻次，可顯著降低LCC。例如：我國(guó)CRH2A/380A平臺(tái)動(dòng)車(chē)組經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)驗(yàn)證，三級(jí)修周期有望由60萬(wàn)km延長(zhǎng)至120萬(wàn)km；復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組高級(jí)修檢修間隔周期逐步延長(zhǎng)至165萬(wàn)km、和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組（CRH2A/2C/380A平臺(tái)除外）高級(jí)修檢修間隔周期延長(zhǎng)至145萬(wàn)km以及一、二級(jí)修里程周期和時(shí)間周期延長(zhǎng)驗(yàn)證工作，已取得動(dòng)車(chē)組一級(jí)修平均里程間隔顯著延長(zhǎng)、運(yùn)用率上升、高級(jí)修費(fèi)用降低等階段成效。

（2）優(yōu)化檢修范圍。采用失效模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）等方法分析機(jī)車(chē)車(chē)輛故障模式及其影響，根據(jù)RCM邏輯決斷圖科學(xué)界定預(yù)防修范圍，篩選出后果嚴(yán)重或發(fā)生概率高的部件作為預(yù)防修重點(diǎn)，使預(yù)防修的范圍和項(xiàng)目大大簡(jiǎn)化，從而減少檢修成本和停時(shí)，提高可用性。目前，動(dòng)車(chē)組三、四級(jí)檢修規(guī)程已取消對(duì)給排水及衛(wèi)生系統(tǒng)、內(nèi)裝設(shè)備及設(shè)施、車(chē)體油漆等不影響安全和運(yùn)用項(xiàng)目的檢修要求，由鐵路局集團(tuán)公司根據(jù)送修動(dòng)車(chē)組實(shí)際情況靈活制定具體檢修要求，提高維修精準(zhǔn)性。

（3）優(yōu)化檢修方式。根據(jù)機(jī)車(chē)車(chē)輛產(chǎn)品故障機(jī)理和規(guī)律不同，按照適用而有效的原則，科學(xué)細(xì)化和界定維修對(duì)象全生命周期管理策略和方式，充分運(yùn)用維修性設(shè)計(jì)、測(cè)試性設(shè)計(jì)，構(gòu)建PHM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)部件狀態(tài)可知、檢修可達(dá)、失效預(yù)警，由計(jì)劃預(yù)防修逐步向精準(zhǔn)狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。如電力電子部件主要以狀態(tài)檢查和性能測(cè)試為主，實(shí)現(xiàn)全生命周期管理。動(dòng)車(chē)組修程修制改革具體項(xiàng)目包括齒輪箱、空調(diào)、油壓減振器等30項(xiàng)，除匹配整車(chē)檢修周期延長(zhǎng)外，檢修方式優(yōu)化也是一項(xiàng)重要內(nèi)容。如CRH2A/2C/380A平臺(tái)動(dòng)車(chē)組油壓減振器三級(jí)修分解檢修、側(cè)門(mén)四級(jí)修分解檢修、牽引/制動(dòng)/網(wǎng)絡(luò)板卡五級(jí)修更新均優(yōu)化為狀態(tài)修。

4.3 運(yùn)用監(jiān)測(cè)維修助推PHM成長(zhǎng)及完善

PHM是基于狀態(tài)維修的視情維修的升級(jí)發(fā)展，通過(guò)合理布置各類(lèi)傳感器多維度采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助智能推理算法（如模糊邏輯、專(zhuān)家知識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、機(jī)理建模）診斷系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合各種可利用的資源信息和歷史數(shù)據(jù)提供一系列的運(yùn)維保障措施，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修。視情維修強(qiáng)化設(shè)備管理中的狀態(tài)判斷，監(jiān)控設(shè)備健康狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，從而大幅提高運(yùn)維的針對(duì)性。

高速動(dòng)車(chē)組和交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)修程修制改革基于整車(chē)及主要系統(tǒng)和部件的PHM，充分利用車(chē)地檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性預(yù)防修向數(shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修轉(zhuǎn)變，同步實(shí)現(xiàn)降低成本的目標(biāo)［5］。按照邊研究、邊應(yīng)用、邊見(jiàn)效的思路，推進(jìn)PHM需統(tǒng)籌車(chē)載、地面檢測(cè)監(jiān)測(cè)信息資源，完善造修單位關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)采集和傳輸范圍，實(shí)現(xiàn)新造、運(yùn)用、檢修、車(chē)載安全監(jiān)控和檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)主機(jī)企業(yè)模型或模型計(jì)算結(jié)果接入，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、預(yù)警和數(shù)字化視情維修建議，并與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程貫通，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

4.3.1 車(chē)載設(shè)備

機(jī)車(chē)車(chē)載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）具備空氣制動(dòng)安全監(jiān)測(cè)、防火監(jiān)控、高壓絕緣檢測(cè)、列車(chē)供電監(jiān)測(cè)、走行部故障監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控及記錄等功能，采用多系統(tǒng)關(guān)聯(lián)、多傳感器冗余設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)、分析診斷及報(bào)警，是通過(guò)整體研究設(shè)計(jì)形成的平臺(tái)化安全防護(hù)裝置。6A系統(tǒng)在機(jī)車(chē)安全事故防護(hù)、運(yùn)行事故分析、運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面發(fā)揮了較大作用，解決了機(jī)車(chē)運(yùn)用中最突出的安全問(wèn)題，對(duì)保障鐵路機(jī)車(chē)的運(yùn)行安全具有重要意義，有效提升了我國(guó)機(jī)車(chē)安全防護(hù)系統(tǒng)整體水平。

動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制及信息系統(tǒng)（TCMS）集成車(chē)輛各處傳感器采集的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)診斷運(yùn)行故障，出現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警或預(yù)警，并根據(jù)安全策略自動(dòng)采取限速或停車(chē)。設(shè)置在車(chē)輛系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的各種傳感器也為PHM系統(tǒng)構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，部分鐵路局集團(tuán)公司基于車(chē)載傳感器數(shù)據(jù)，開(kāi)展動(dòng)車(chē)組變壓器、變流器、牽引電機(jī)冷卻裝置濾網(wǎng)視情維修。據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)施視情維修后，濾棉更換作業(yè)量減少70%以上，散熱裝置沖洗作業(yè)量減少90%以上，同時(shí)裙板拆裝次數(shù)和股道占用時(shí)間也大幅減少，避免了過(guò)度修，減少了檢修費(fèi)用。

客車(chē)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS）通過(guò)對(duì)軸溫、基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)、供電、車(chē)下電源、空調(diào)、防滑器、車(chē)門(mén)和轉(zhuǎn)向架、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，可有效避免熱軸、火災(zāi)、車(chē)輪擦傷等事故故障，同時(shí)為轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)、供電等系統(tǒng)維修提供決策依據(jù)，為保障客車(chē)安全運(yùn)輸發(fā)揮了重要作用。

4.3.2 地面設(shè)備

地對(duì)車(chē)安全監(jiān)控系統(tǒng)是提升技術(shù)裝備現(xiàn)代化的重要安全防范系統(tǒng)。目前，我國(guó)鐵路線(xiàn)路上設(shè)置有車(chē)輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS）、動(dòng)車(chē)組運(yùn)行故障圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TEDS）、鐵路客車(chē)故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TVDS）、貨車(chē)故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）、鐵道車(chē)輛滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）、鐵道車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)軌旁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）設(shè)備，對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛的軸溫、圖像、軸承聲學(xué)特征、輪軌力進(jìn)行定點(diǎn)檢測(cè)，與車(chē)載設(shè)備相互補(bǔ)充、完善，構(gòu)建起機(jī)車(chē)車(chē)輛安全防護(hù)體系。這些監(jiān)控裝置不僅服務(wù)于運(yùn)行安全，還能夠?yàn)閿?shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修提供支撐。例如：利用TADS提前發(fā)現(xiàn)軸箱軸承缺陷，在故障早期即進(jìn)行更換維修；利用TPDS檢測(cè)輪對(duì)工作狀態(tài)，合理設(shè)定閾值，為輪對(duì)視情鏇修提供依據(jù)；冬季利用TEDS觀察動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架結(jié)冰情況，提前準(zhǔn)備融冰除雪所需資源。

此外，在動(dòng)車(chē)所還設(shè)置有輪對(duì)踏面故障診斷系統(tǒng)（LY）、受電弓診斷系統(tǒng)（SJ）等檢測(cè)設(shè)備，在動(dòng)車(chē)組入所時(shí)即可對(duì)輪對(duì)踏面和受電弓進(jìn)行快速檢測(cè)。部分鐵路局集團(tuán)公司已開(kāi)展動(dòng)車(chē)組一級(jí)修機(jī)檢作業(yè)，機(jī)檢作業(yè)是指利用車(chē)載和地面檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)車(chē)組狀態(tài)檢查的作業(yè)［6］，主要包括：利用動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)（WTDS）對(duì)動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控及分析；利用TEDS對(duì)走行部及裙底板狀態(tài)進(jìn)行檢查；利用LY對(duì)輪對(duì)踏面狀態(tài)進(jìn)行檢查；利用SJ對(duì)受電弓技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢查；利用受電弓視頻監(jiān)控裝置（或供電3C設(shè)備）對(duì)車(chē)頂高壓設(shè)備進(jìn)行檢查。

5 設(shè)計(jì)壽命末期造修經(jīng)濟(jì)性決策

為了確保機(jī)車(chē)車(chē)輛絕對(duì)安全，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)取較大的安全系數(shù)，甚至某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件按照無(wú)限壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得機(jī)車(chē)車(chē)輛實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)壽命。為減少新車(chē)購(gòu)置成本壓力，機(jī)車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)對(duì)整車(chē)報(bào)廢非常慎重，設(shè)計(jì)壽命到期的機(jī)車(chē)車(chē)輛經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)估后，進(jìn)行延期使用或翻新重造已成趨勢(shì)。

5.1 延壽使用

對(duì)于服役時(shí)間超出設(shè)計(jì)壽命的機(jī)車(chē)車(chē)輛，在主體結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，通過(guò)合理擴(kuò)大范圍的檢修仍能獲得良好的運(yùn)行品質(zhì)；甚至對(duì)于運(yùn)行品質(zhì)下降的機(jī)車(chē)車(chē)輛通過(guò)降級(jí)（降速、降負(fù)載）使用，也可獲得很好的使用經(jīng)濟(jì)性。目前，第1批時(shí)速250 km和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組已運(yùn)行10多年，后續(xù)將陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，屆時(shí)可根據(jù)動(dòng)車(chē)組狀態(tài)和運(yùn)輸需求，進(jìn)行測(cè)試評(píng)估后考慮降級(jí)使用。

5.2 翻新重造

翻新重造是指在機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)壽命到期時(shí)，對(duì)其主要部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壽命、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)估，可行時(shí)進(jìn)行全面更新、升級(jí)和改造，使其主要性能、可靠性等指標(biāo)達(dá)到或接近新造水平，進(jìn)而延長(zhǎng)機(jī)車(chē)車(chē)輛使用壽命。德國(guó)第一代高速動(dòng)車(chē)組ICE1型動(dòng)車(chē)組最初設(shè)計(jì)壽命為25年，中間經(jīng)過(guò)一次翻新改造后使用壽命達(dá)到30年，后又經(jīng)過(guò)第二次翻新改造，將目標(biāo)使用壽命延長(zhǎng)至40年，以相對(duì)較少的費(fèi)用支出獲得非常顯著的經(jīng)濟(jì)收益。

6 結(jié)論與建議

從源頭設(shè)計(jì)、運(yùn)用維修、壽命末期等不同階段開(kāi)展機(jī)車(chē)車(chē)輛造修一體化研究，主要結(jié)論及建議如下：

（1）必須在機(jī)車(chē)車(chē)輛研發(fā)階段就開(kāi)展維修規(guī)劃工作，實(shí)現(xiàn)修程修制正向設(shè)計(jì)和裝備造修一體化。國(guó)鐵集團(tuán)作為我國(guó)最大的機(jī)車(chē)車(chē)輛使用單位，運(yùn)用維修的機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)型高達(dá)數(shù)百種，數(shù)量近百萬(wàn)輛，積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，應(yīng)深度參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制定，以用戶(hù)需求為牽引，掌握機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)主導(dǎo)權(quán)。

（2）貫通機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用、維修技術(shù)，持續(xù)強(qiáng)化運(yùn)用、維修對(duì)設(shè)計(jì)、制造的閉環(huán)反饋，提升造修一體化水平，使得機(jī)車(chē)車(chē)輛不僅安全可靠、先進(jìn)高效，而且好用好修、經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

（3）構(gòu)建機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修技術(shù)研究體系，加強(qiáng)檢修技術(shù)專(zhuān)業(yè)研究，統(tǒng)籌鐵路局集團(tuán)公司、主機(jī)企業(yè)、主要供應(yīng)商、科研院所等技術(shù)力量開(kāi)展造修一體化研究。根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司機(jī)車(chē)車(chē)輛主修車(chē)型和配屬車(chē)型，按照就近檢修、平臺(tái)一致、車(chē)型集中、主次結(jié)合的原則，安排相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司承擔(dān)某種車(chē)型平臺(tái)的技術(shù)主導(dǎo)，組建技術(shù)隊(duì)伍，牽頭負(fù)責(zé)主導(dǎo)車(chē)型檢修規(guī)程優(yōu)化、技術(shù)工藝研究和造修一體化研究，并積極收集其他相關(guān)單位意見(jiàn)和建議。

（4）借鑒先進(jìn)理念與成功經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展多種模式交流合作。與DB公司、法國(guó)鐵路公司等鐵路運(yùn)輸企業(yè)和中國(guó)中車(chē)股份有限公司、德國(guó)西門(mén)子股份公司、法國(guó)阿爾斯通公司、加拿大龐巴迪公司等機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)制造企業(yè)，以及其他運(yùn)輸行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)、高新技術(shù)裝備企業(yè)深入交流合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同提高，不斷提升機(jī)車(chē)車(chē)輛造修一體化水平。