地鐵車輛的故障分布特點及其可靠性驗證方法

杜銀兵 張彥華 杜玉峰

摘 要：簡要介紹了軌道列車的故障特點，使用IEC 61124標準的原因和某地鐵項目的可靠性驗證過程。

關鍵詞：IEC;61124;可靠性驗證;故障率

目前，國內已有30個城市開通地鐵，地鐵線路超5000公里，這些地鐵項目對車輛可靠性提出了很高的要求，并將通過可靠性驗證與質保期關聯，以往可靠性驗證方法采用MTBF的算術平均值，即點估計。針對區間估計，目前已經有國際通用標準IEC 61124（可靠性試驗-恒定故障率和恒定故障強度的符合性試驗）及國軍標GJB899A。本文介紹了軌道列車故障特點，點估計和區間估計優缺點，并介紹了基于IEC 61124標準驗證的某地鐵項目實例。

1 軌道列車的故障特點[1]

1.1 復雜裝備系統的故障規律

對于簡單的機械類產品，其故障規律比較單一，大多符合浴盆曲線。

軌道列車系統設計專業范圍廣，除了具有復雜的機械部件外，還具有動力系統、電氣系統、電子控制系統、液壓系統等，集機電一體化。軌道列車的系統的工作環境也多種多樣，可能受溫度、壓力、震動、沖擊、潮濕等因素影響以外，還可能有沙塵、高熱、雨水、鹽分及輻射等環境的影響，導致不同系統的故障模式種類繁多，故障概率分布形式也各不相同。這給故障的研究帶來很大困難。

美國聯合航空公司對大批航空技術裝備的故障特征進行的調查統計分析表明，復雜航空裝備系統的故障率曲線不是單一的浴盆曲線，而是有六種形式。下圖是航空技術裝備統計的故障特征及占比。

現代復雜裝備系統的六種故障率曲線

由航空裝備系統得出來的這些故障規律，在軌道列車上也得到了驗證，根據統計表明符合A、B、C型故障曲線的約占5%～10%，符合D、E、F型的故障率曲線的約占90%～95%。由此可看出絕大部分復雜技術裝備技術沒有耗損故障期，現代復雜的軌道列車在正確設計，制造（沒有慣性故障），及時維修情況下，其可靠性可以不隨運行時間的延長而下降。對于車輛來說是因為存在設計、制造、加工、裝配等質量薄弱環節，在通過磨合期發現并解決問題，消除早期故障之后，車輛進入偶然失效區，故障分布服從指數分布。

1.2 復雜裝備系統更新的故障率曲線

德雷尼克在1960年發表了復雜裝備的故障定律：“可修復的復雜裝備，不管其故障率分布類型如何（例如指數分布，正態分布），故障件修復或更新以后，復雜裝備的故障率隨著時間的增加而趨于常數。”

它表明：“不管復雜裝備的故障件的分布如何，故障件更新以后，經過一段時間的工作，裝備的故障率趨于某個常數——平均故障間隔時間MTBF的倒數。”他的物理解釋是：復雜裝備系統的故障是由許多不同的故障模式組成的，而每種故障模式會在不同的時間發生，它具有偶然性。如果出現故障就及時排除，即執行更新過程的話，那么故障件的更新也具有偶然性，因而使得裝備系統的總故障率為一常數。即復雜裝備系統的故障服從指數分布。

2 可靠性試驗方法

此方法為點估計，點估計的優點是簡單直觀。但點估計只是給出一個近似估計值，這種估計值是通過樣本觀測值利用公式得到的。上述公式即為樣本的函數，它是一個統計量，這個統計量稱為MTBF的“點估計量”，利用樣本觀測值對點估計量的計算結果稱為點估計值。不同樣本觀測值得到的點估計值也不同，因此點估計量是一個隨機變量。根據經驗，這種方法要求故障數大于等于201。根據國內地鐵的情況，單月發生的關鍵故障遠遠小于20次，發生20次故障的時間一般在6個月以上.國內地鐵項一般都要求按月進行驗證，連續6個月或12個月達到要求，時間上很難滿足要求。

IEC 61124標準描述了恒定故障率產品的可靠性驗證的四種區間估計方法，其中固定時間/故障終止試驗最小的試驗時間要求為MTBF的1.08倍（標準中表3，試驗計劃B.8），相對點估計法，可以在較短時間內做出接收或拒收判決。

地鐵車輛屬于可修復產品，且要求按月驗證，即定時截尾。通過上一章節的描述我們知道地鐵車輛故障服從指數分布，故障率為常數。因此，為了在短時間得到驗證結果，在考慮一定風險的前提下，可采用IEC 61124標準。目前基于IEC 61124的可靠性驗證也已經在上海、廣州、南寧、武漢等多個項目展開。

固定時間/故障終止的試驗計劃的特點是當用于終止的試驗時間已經達到時或者當容許的故障數量已經超過時用于接受或拒收的符合性的決策規則。具體將以實例在下文進行介紹。

3 某地鐵項目可靠性驗證實例

3.1 合同規定的可靠性要求（m0）

3.2 運行數據

3.3 試驗方案設計

4 結果評估

針對服務故障，發生故障數為1次，小于規定的故障數2次;總運營時間8736h，大于要求的試驗時間6480h，驗證通過;

針對晚點故障，發生故障數為1次，小于規定的故障數4次;總運營時間為8736h，大于要求的試驗時間5640h，驗證通過;

針對碎修、列檢故障，總運營時間為8736h，大于要求試驗時間8115h，發生故障數為61次，小于可接收的故障數66次，驗證通過。

如果出現驗證不通過，則需對存在問題進行原因分析、并提出整改方案。

5 結語

通過以上內容，得到以下結論和可靠性驗證需要注意的問題：

（1）通過對復雜裝備的故障分布特點介紹，證明地鐵車輛的故障服從指數分布，其可靠性驗證適用IEC 61124標準。并比較了點估計法的優缺點，說明了選擇IEC 61124標準驗證的原因。

（2）通過可靠性驗證的實例，可以看出在驗證前必須根據假設的運行數據與業主確定生產方、消費方風險，鑒別比，可靠性目標是檢驗上限還是檢驗下限，及故障記錄原則，以制定合適的驗證計劃。

（3）由于國內項目驗證要求按月進行，在設計試驗計劃時，可能會有月度運營時間低于可靠性目標的情況，即樣本量無法滿足驗證要求，這時可采取雙月驗證或雙月迭代或累積更長時間的方法;還有一種情況是在標準中已給出的試驗方案中無法選取適合的方案時，可根據標準中提到的電子表格程序自行設計試驗方案。對于碎修，列檢故障，樣本量足夠大，也可直接采用點估計進行驗證。

參考文獻：

[1]董錫明.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性：RAMS.北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]IEC 61124-2012，恒定失效率和恒定失效強度的可靠性驗證驗證[S].