基于維修性預計的機車網側柜設計改進*

李希寧，李忠厚，張奕奕

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

基于維修性預計的機車網側柜設計改進*

李希寧1，李忠厚2，張奕奕1

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

基于時間累積法，介紹機車維修性預計的常用方法和程序。通過分析網側柜維修性預計結果，提出網側柜設計存在的問題及改進措施。最后闡述了維修性預計對機車設計的指導作用以及在設計階段開展維修性預計的重要性。

網側柜；維修性預計；平均修復時間；故障率

和諧型機車已陸續進入相應的修程，機車的維護檢修成本越來越受到鐵路運輸部門的重視。在機車全壽命周期成本構成中，運用維修成本約占機車全壽命周期成本的70～80%左右。因此，如何減少運用維修成本，是降低機車全壽命周期成本的關鍵。

對機車運用維修成本的控制，與機車的可靠性和維修性密切相關。機車的可靠性和維修性是設計賦予的固有特性，一旦產品定型，其可靠性和維修性基本上已經確定下來。因此，在設計初期重視維修性設計與分析工作，以較少的投入，可減少后續產品的維修停時、簡化維修，從而提高機車的可用度，降低全壽命周期成本，這對于高速重載運輸具有重要的經濟效益。

以某和諧機車網側柜為例，說明基于時間累計法的網側柜維修性預計的過程。根據網側柜維修性預計結果，分析網側柜設計存在的問題，及時采取相應的解決措施。闡述了利用維修性預計分析結果指導設計改進的重要性，強調在產品性能設計的同時，關注維修性設計，對于提高機車的維修性具有重要意義。

1　機車維修性及維修性預計簡介

維修性是指在規定的條件下，使用規定的程序和資源進行維修時，對于給定使用條件下的產品在規定的時間區間內，能完成指定的實際維修工作的可能性。機車維修性可以從定性和定量兩個方面進行評價。維修性定性要求是滿足定量指標的必要條件，而定量指標又是通過定性特點在保障條件約束下來實現的。定性要求通常是指維修性設計準則，如可達性設計、維修簡化設計、維修安全性設計、標準化和模塊化設計、檢測診斷設計、防差錯/標識設計等。定量要求是指明確選用的評價參數和指標，如平均修復時間（M ean Time to Restore，M T T R）和平均維修時間（M ean Time to M aintenance，M T T M）等。本文采用平均修復時間對機車及其部件進行維修性評價。

維修性預計通常以歷史經驗和類似產品的維修性數據為基礎，針對新產品的設計方案或已有的設計方案，預估在規定條件下開展維修時的機車維修性水平，以了解設計滿足維修要求的程度。

我國的維修性工程起步較晚，直到進入20世紀80年代，才在軍工產品上開始應用。隨著中國鐵路的快速發展，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域內的應用已成為非常迫切的要求。與可靠性預計相比，維修性預計的難度要大一些，因為它不僅與產品的結構、可靠性等內在屬性有關，而且與機車的維修方法、維修體制等綜合后勤保障因素有關，例如維修人員的技能水平，以及所使用的工具、測試設備、保障設施等，因此，維修性預計必須考慮與規定的保障條件相一致。

目前，維修性預計方法主要依據軍用標準GJB/Z 57—1994提供的205時間累計法，這是由于目前機車可靠性、維修性數據積累有限，而時間累計法具有較強的可操作性和工程實用性，在工程中已得到了廣泛的應用，被認為是進行維修性預計的首先方法。時間累計法是一種比較細致的維修性預計方法。它根據歷史經驗或現有的數據、圖表，對照機車的設計方案和維修保障條件，逐步確定每個在線可更換單元（Line Removable Unit，LR U）、每項維修活動甚至每項基本維修作業所需的時間，然后通過累加或加權進行維修性預計，計算出系統的平均修復時間，其數學模型如下：

式中Tn為第n 個L R U的平均修復時間；λnk為第n個L R U的第k種故障模式的模式故障率；Tnk為對第n個L R U的第k種故障模式進行的所有維修活動耗時，每項維修活動耗時等于對應的各項基本維修作業耗時之和；K 為第n個L R U的故障模式總數。

式中M T T Rn為系統的平均修復時間；λn為第n個L R U的故障率，通過可靠性預計得出或由供應商提供；N為L R U的總數量。

2　機車網側柜維修性預計分析

在機車設計期間，同步開展了機車維修性預計工作。根據機車整車維修性預計結果，發現供電子系統平均修復時間較大，是對整車修復性維修貢獻最大的子系統。現將供電子系統維修性預計過程說明如下。

供電系統是電力機車的子系統之一，主要包括受電弓、真空主斷路器、高壓接地開關、高壓隔離開關、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、高壓隔離開關、高壓電壓互感器、避雷器安裝在網側柜；主變壓器含油泵、布赫繼電器、A端子等部件。供電子系統系統分解見表1。

根據式（1），計算得出供電子系統各L R U的平均修復時間見表2。

根據式（2），供電系統平均修復時間預計結果如下：

供電子系統λnTn分布如圖1。

從圖1分析可以得出，供電系統網側柜中主斷路器的平均修復時間與其故障率的乘積值較高，是對供電子系統的維修性水平貢獻較大的零部件，決定了供電子系統的修復性維修水平。因此，影響供電子系統修復性維修水平的關鍵部件是網側柜中的真空主斷路器。必須加以改進，才能降低供電子系統平均修復時間，確保機車整車平均修復時間較低。

表1　供電系統系統分解表（以某8軸機車為例）

表2　供電系統平均修復時間計算

圖1　供電子系統λnTn分布圖

3　網側柜維修性設計存在的問題及分析

機車網側柜內安裝部件包括真空主斷路器、高壓接地開關、高壓隔離開關、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側柜底部。

根據檢修要求，真空主斷路器在每年冬季之前需排放氣路，以免積水凍結氣動元件而產生誤操作；真空斷路器調壓閥、儲風缸每年在冬季來臨之前需進行一次排水。

真空主斷路器需要排水的儲風缸和調壓閥排水口位于底板下方。在原設計方案中，斷路器氣路機構安裝有保護罩，沒有預留調壓閥排水的空間，導致調壓閥無法直接排水，需要將頂蓋吊開后將主斷路器從網側柜中吊出排水，檢修時間大大增加，給檢修帶來較大困難，檢修執行難度大，具體見圖2、圖3。

圖2　機車網側柜布置圖　

圖3　儲風缸、調壓閥位置示意圖

要提高真空主斷路器的維修性水平，可以通過降低網側柜的平均修復時間或者降低網側柜的故障率來降低供電子系統以及整車的平均修復時間，具體做法是重新選型或者改進設計，使其更加方便維修，從而減少網側柜的平均修復時間。其核心目的是實現在無需吊頂蓋的情況下，實現主斷路器的排水。

4　網側柜維修性設計改進

為了在不吊頂蓋的情況下便于真空斷路器調壓閥、儲風缸的排水，對真空斷路器的維修性設計改進如下：

（1）采用針式排泄閥取代儲風缸排放口處的銅管堵，便于真空斷路器儲風缸排水；

（2）在保護罩調壓閥的安裝位置加開調壓閥排水孔，經現場操作，可以通過該孔對調壓閥進行排水。

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

經過維修性設計改進，真空主斷路器的排水無需吊頂蓋，即可在機械間內實現排水操作，大大簡化了機車維護檢修工作。

對設計改進后的機車供電子系統再次進行維修性預計，其維修性顯著提高，M T T R降低為5.58 h，供電子系統λnTn分布如圖4。

圖4　網側柜設計改進后的供電子系統λnTn分布圖

5　結束語

維修性預計是機車設計和設計改進過程中必不可少且費用效益較好的維修性工作。機車維修性的好壞直接影響著維修工時、維修費用及維修質量。通過改善維修性可顯著降低維修成本，提高機車效能。作為生產制造廠家，往往更多地關注產品的性能設計，對維修性設計考慮不夠，這種狀態很容易導致運用檢修成本的增加。維修性預計可在機車施工設計完成之前，對機車可能達到的維修性水平做出估計，以便及早避免設計的盲目性。同時，維修性預計是分析性工作，投入較少，而賦予機車較高的可靠性、較好的維修性，有利于提高機車的可用度，降低全壽命周期成本。

［1］ GJB/Z 57-1994.維修性分配與預計手冊［S］.

［2］ GJB/Z 145-2006.維修性建模指南［S］.

［3］ 甘茂治.維修性設計與驗證［M］.北京：國防工業出版社，1995.

［4］ 董錫明.機車車輛運用可靠性工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］ 張奕奕.基于時間累積法的機車維修性預計分析［J］.電力機車與城軌車輛，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

*中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（2013J006-A）

李希寧（1974—）男，教授級高級工程師（2015-05-12）