基于故障率曲線和設備故障危害度的地鐵車輛維修策略選擇

黃 挺 王 磊 晏 鑫 王伯銘

(1.南京南車浦鎮城軌車輛有限責任公司，210031，南京;2.西南交通大學機械工程學院，610031，成都∥第一作者，工程師)

目前，我國很多城市都在大力發展地鐵交通，地鐵已經成為城市公共交通的重要組成部分。運營單位必須保證地鐵在運行過程中的可靠性與安全性，但由于地鐵車輛的結構組成較為復雜，要確保地鐵車輛的安全運營，就必須有一整套完善合理的維修保養制度。目前，國內各大地鐵運營單位均根據設備供應商的意見制定了維修保養計劃，維修保養計劃一般都偏保守，所以，只有制定更加合理的維修計劃才能進一步提高車輛維修效率、降低車輛維修成本。

1 國內地鐵運營單位所采用的基本維修策略

目前，應用于地鐵車輛的維修方式基本可以分為:定期維修、狀態維修和事后維修3 種。表1 總結了3 種維修方式的內涵、存在弊端及適用的故障類型。

從表1 的3 種維修方式對比可以看出，定期維修和狀態維修都屬于預防性的維修，事后維修則屬于非預防性維修。定期維修是按時間標準或者走行公里數進行維修;狀態維修是按設備實際技術狀態標準進行維修;而事后維修則不控制維修時間。3種維修方式都各有特點和適用范圍。從現階段車輛維修的實際情況分析，它們并沒有先進、落后之分，關鍵是要根據設備的具體工作情況及其故障類型來選擇恰當的維修方式［1］。

表1 地鐵車輛3 種維修方式的比較

2 設備故障率曲線

在進行系統可靠性研究過程中，通過對大量設備故障率的統計分析發現，隨著時間的推進，設備故障率是遵循一定規律的。研究人員根據統計結果繪制了6 種基本的故障率曲線。這6 種基本的故障率曲線見文獻［2］，這里不再贅述。6 種基本的故障率曲線代表了具有不同故障規律的設備，可以通過對照設備的故障率曲線來選擇適合該設備的維修策略。

3 地鐵車輛關鍵部件維修策略的選擇

地鐵車輛作為一個集成度很高的機電設備，一般由以下8 個部分組成:①車體;②轉向架;③牽引緩沖連接裝置;④制動裝置;⑤受流裝置;⑥車輛內部裝置;⑦車輛電器系統;⑧列車信息網絡控制系統。

地鐵車輛的各個組成部分由于工作狀態的差異，其故障規律也有所不同。所以，在制定車輛維修策略時就不能一概而論，而是要在供應商提供的維保建議的基礎上，結合各個設備在日后使用過程中的工作狀態及故障規律，來制定符合實際情況的維修計劃。現以地鐵車輛的制動系統為例，說明如何基于故障率曲線和設備故障危害度計算來制定合理的維修策略。

3.1 根據故障數據統計分析結果來制定系統的總體維修計劃

國內某地鐵公司新線開通2年內，對車輛制動系統運營維護過程中的故障統計數據如表2所示。

通過采用Matlab 軟件中的曲線擬合工具箱cftool 的polynomial 多項式函數，對表2 中的故障數據進行曲線擬合，得到該地鐵車輛制動系統的故障率曲線如圖1所示。

通過將圖1所展示的車輛制動系統故障月發生率曲線與基本的典型故障率曲線進行對比后可以看出:該車輛制動系統在開始使用之后，基本上保持了一個穩定的故障率;在設備使用達到一年半之后，故障率明顯開始上升，設備開始進入磨損期。而目前國內定修間隔時間一般都為1年，這樣就明顯造成了過剩維修。結合車輛制動系統各部件的功能及目前所發生的故障，可通過以下方式制定該制動系統所應采取的維修策略:

表2 某地鐵公司2年內車輛制動系統的故障統計結果

圖1 某地鐵開通運營23 個月以來車輛制動系統故障月發生率曲線圖

1)車輛上線運行之后，在定期維修計劃開展之前，制動系統也會偶有故障發生，所以平時也需要對制動系統進行一定程度的維護。從車輛日常運行的結果來看，這段時期內制動系統所發生的故障大多數都是偶發性故障，其中很多都能夠通過車載診斷系統反映出來。比如，經常會報故障代碼的新風閥和廢排閥故障、制動風管壓力不足等。所以，針對這些能夠通過車載診斷系統實時監測的故障，應該制定以狀態修為主的維修計劃。

2)對于車輛整個制動系統而言，雖然其組成十分復雜，各個組成設備的故障規律也各有不同，但從以往的維修經驗來看，針對整個系統制定定期的維修計劃對于保證系統良好工作狀態也是十分有效的。所以，根據制動系統故障的月發生率統計分析的結果可制定如下的車輛維修計劃:在車輛運營達到17～18 個月的時候可選擇定期維修方式，對車輛制動系統進行比較深入的維修工作，以改善整個制動系統的工作狀態。這相對國內地鐵普遍采用的年檢周期來說，延長了維修周期，提高了維修效率。

3.2 根據故障模式的故障危害度大小對設備進行分類

由于車輛制動系統的組成復雜，不同設備的故障機理及故障危害程度也不相同，所以，對制動系統各個組成設備要采取具有針對性的檢修策略。現通過FMECA(故障模式、影響分析以及危害度分析)方法來確定系統檢修的重點設備。

3.2.1 設備故障危害度定量計算

FMECA 法對設備故障危害度的定量計算方法如下:

1)故障模式比率αj:若某產品的故障模式有j種(j=1，2，…，n)，每種故障模式出現的故障次數為mj，則故障模式比率如式1所示。

由式(1)可知，∑αj=1，各種 αj可以從故障率數據或相應的試驗和運用數據推導出來。

2)故障影響概率βj:βj表示系統某個故障模式發生時，導致系統確定的故障危害度等級最終影響的條件概率。由于影響βj的因素很多，所以目前的計算通常是按表3 的規定進行定量估計。

表3 βj的選擇范圍

3)故障模式危害度和系統故障危害度計算:

式中:

cm(j)——系統的某一種故障模式在工作時間t內發生第j 類故障的危害度;

λp——該系統的基本故障率，一般計算時取其平均值。

根據對現場故障數據統計結果進行分析計算，就能得出制動系統不同故障模式及不同故障模式發生故障時對整個系統的危害度。具體的計算結果如表 4所示［3］。

表4 故障模式危害度計算

3.2.2 對制動系統組成設備進行分類并制定設備級的維修策略

從表4 中能看出，漏風和滑行的故障對制動系統功能正常實現的危害度最大，所以在進行檢修的過程中應把涉及到這2 種故障的設備作為重點的檢修項目。表5 就是根據危害度計算的結果對整個制動系統的主要設備組成進行了相應的分類。

按照對制動系統各組成設備的分類來制定與之相應的維修策略:

1)第一類設備:這一類設備對于車輛安全運行具有關鍵作用。所以，這類設備就是檢修工作的重點，要定期對其進行維修，而且檢修頻次相應要高于其他類設備。除了要在日常檢修中對其進行具有針對性的功能檢查及設備故障恢復，還要在定期維修中，比如年檢時對其進行比較全面的狀態更新。

2)第二類設備:這一類設備發生故障之后可能會影響車輛的安全運行。此類設備的故障頻率并不很高，一般都為偶發性故障;而且這類設備設計制造的集成性及可靠性都相對較高，比如各種閥類，頻繁的拆卸檢修可能會因為過度修而降低其使用性能。所以，第二類設備的檢修頻次可以適當降低一些，不需要在各個級別的維修中都進行檢修作業;不過，可以對能夠表明其工作狀態的一些參數進行實時的監測，也就是重點采用狀態修的維修策略。

3)第三類設備:這一類設備故障并不會對車輛安全運行產生影響，而且設備故障的頻率也很低。所以，針對第三類設備采用事后維修的策略是十分合適的，也不會影響車輛的正常運營。不過為了避免意外的出現，可以在平時定期維修工作中，對其進行一定程度的狀態檢測。

表5 制動系統關鍵組成設備分類

4 結語

本文通過對地鐵列車使用過程中故障數據的統計分析，得到了地鐵車輛的設備故障率曲線，并以此為基礎初步定性地選擇了系統所應采用的維修策略。在此基礎上，又采用FMECA 方法，對設備的故障作進一步分類，并且計算出了不同故障模式的危害度;根據故障模式危害度的大小，又進一步對設備組成進行了分類，對不同類型的零部件制定了更加詳細的維修策略。通過分析結果與地鐵車輛的實際運營情況比較能得出以下幾點結論:

1)車輛運營單位應在設備供應商所給意見的基礎上，結合設備具體使用情況，合理地制定并及時地調整設備維修策略。目前，車輛運營單位主要依據設備供應商給出的意見進行設備維修策略的制定，一般情況下此維修意見都比較保守，以此為基礎所制定的維修策略也就會造成過剩維修。比如，本文所分析的制動系統一年檢的維修周期可以放寬到17～18 個月，這樣就能夠明顯地降低車輛維修頻次和維修成本。

2)地鐵車輛在日常運營過程中，制動系統的故障主要是漏風和滑行，這與本文分析結果相吻合，說明故障模式危害度計算結果具有一定的可靠性。從本文制動系統維修策略的制定過程中可以看出，本文提出的維修選擇方法并沒有特定系統的限制，故具有通用性，從事車輛維修工作的技術人員可以應用此方法來確定地鐵車輛檢修工作的重點。

3)目前的車輛維修策略制定還是建立在以往維修經驗的基礎上，但由于設備生產廠商技術的不斷更新及現代高新科技的應用，地鐵車輛采用的各種設備也在不斷地復雜化。僅僅采用目前的維修策略并不能最大限度地實現高效率、低成本地完成車輛維修任務。所以，伴隨著設備集成度的提高，更加合理、全面的設備維修理論也是以后探索的主要方面。

［1］何宗華，汪松滋，何其光.城市軌道交通車輛運行與維修［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［2］楊景輝，康建設.機械設備故障規律與維修策略研究［J］.科學技術與工程，2007(16):4143.

［3］吳波，丁毓峰，黎明發.機械系統可靠性維修及決策模型［M］.北京:化學工業出版社，2006.