軌道交通車輛全壽命周期檢修需求設計

王海濤,萬國強,劉 余,徐志鋒

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266000;2.上海慧程航空科技有限公司,上海 200241)

0 引言

在軌道車輛市場競爭中，用戶除了關心采購價格外，更關心車輛全壽命周期檢修成本和車輛可用性。需要在車輛設計初期充分考慮用戶及市場對檢修的需求，從設計源頭出發將檢修需求貫徹到車輛設計過程，避免檢修設計不合理的“初始設計缺陷”問題，減少車輛投入使用后改型成本。

軌道交通領域在國際化和競爭日趨激烈背景下，各車輛制造商均將全壽命維修成本和可靠性融入到產品設計中來。瑞典國家鐵路公司(SJ)向瑞典ADtranz公司訂購X2000新時速高速擺式動車組時，提出高可靠性要求外，還特別提出了列車的壽命周期成本和維修性要求[1]。德國斯圖加特公交集團(SSB)基于維修成本的考慮，對供應商提供的產品質量和服務品質提出很高的要求[2]。奧地利聯邦鐵路機車車輛維修采用以可靠性為中心的維修(RCM)方法，對鐵道機車車輛維修提出盡可能高的可靠性、盡可能低的維修費用[3]。

我國車輛制造商在車輛設計時，一般只考慮滿足客戶提出的性能、技術指標、保證列車的可靠性、安全性，盡量降低列車的造價，并沒有將車輛投入使用后是否便于維修、維修費用是否合理作為設計目標去一并考慮[1]。因此，如何將用戶需求轉化為檢修需求并貫徹至車輛設計，是與國際接軌、拓展海外市場、提升產品競爭力的必要保證。

車輛制造商在車輛全壽命檢修需求設計過程中，需要解決幾個核心問題：首先，用戶對車輛的期望或需求是什么？如何將用戶對車輛需求轉化為車輛的檢修設計要求？其次，如何將設計要求傳遞至系統/子系統/部件？再次，如何確認車輛設計是否符合設計要求？當設計不符合要求時，如何優化設計使之符合設計要求？最后，車輛投入運營后是否達到了用戶的期望？若不滿足用戶需求，如何改進？

基于相關標準研究[4-5]，對標航空研究應用[6-7]，結合軌道交通車輛研制特點，給出了檢修需求設計指標體系及全壽命周期檢修需求設計方法。

1 車輛全壽命周期檢修需求指標體系

檢修需求設計目的是將服務可靠性、維修成本、帶故障運行、檢修間隔要求、維修性、工具/設備/工裝等相關的維修需求有效落實至軌道車輛設計過程中，在確保車輛運行安全性基礎上，以最少的檢修時間、維修花費及維修資源來維持車輛高可用性，實現“降費增效”。為將用戶需求轉化為車輛檢修設計要求并約束車輛設計，從用戶車輛維修成本和服務可靠性需求角度出發，建立車輛檢修需求指標體系，包括直接維修成本和服務可靠性。

參考WATOG國際標準[6]，定義軌道交通車輛直接維修成本(direct maintenance costs，DMC)如下：DMC是指在完成車輛或設備維修所需的工作中直接花費的人工時和材料費用，單位為：元/公里或元/萬公里。

車輛服務可靠性直接影響客戶滿意度，通過車輛在故障后引發的影響來定義服務可靠性指標，通常用出庫中斷率、晚點率、任務中斷率各類故障發生率來衡量車輛服務可靠性，車輛服務可靠性指標見表1。

表1 車輛服務可靠性指標體系

車輛DMC和服務可靠性是反映車輛設計水平的綜合設計指標，通過直觀可度量的指標體系，反映用戶最關注的車輛設計需求，可有效的約束車輛設計，車輛安全性、可靠性、維修性、可用性水平高低，車輛檢修規程，檢修工藝水平均會體現在DMC和服務可靠性上面。例如增加冗余或保護措施，可提升車輛安全性，但降低了車輛的基本可靠性，導致服務可靠性提升，DMC升高。改善車輛維修性水平(如可達性、模塊化、免維修設計等)，可有效的縮短維修人工時，降低DMC，提高車輛可用時間。服務可靠性和DMC又息息相關，可靠性提升可采用更長的計劃維修間隔，并降低部件故障修頻次(平均故障時間，MTBF)可減少DMC，而直接維修成本可反向驅動的可靠性要求(如：平均故障時間/無故障發現率，MTBF/NFF)。直接維修成本和服務可靠性是綜合性設計指標，能夠有效的約束車輛設計。

2 檢修需求全壽命周期設計

2.1 檢修需求設計流程

檢修需求設計指標體系建立后，需要建立車輛全壽命周期檢修需求設計流程(如圖1所示)。在車輛設計階段，需將檢修設計需求定量化并貫徹至車輛設計中，包括檢修需求目標確定、分配、預計與控制，將各層級檢修需求及其定量指標分配至系統/子系統/部件，并通過預計結果與分配至比較，判斷是否滿足分配指標，當不滿足要求時進行車輛設計優化。在車輛交付使用后，根據車輛運維數據，監控檢修需求指標，持續改進車輛設計，實現全壽命周期檢修需求設計閉環管理。

2.2 檢修需求目標確定

根據相似車型數據和新研制車型設計方案，結合市場和用戶要求建立檢修需求(直接維修成本和服務可靠性)目標，提出車輛設計要求/準則。

整車DMC目標值確定，需要充分搜集競爭車型數據，涉及：車輛組成、利用率、設計使用壽命、計劃維修成本數據、故障維修成本數據等；出于市場競爭角度考慮，新開發車型全壽命周期DMC目標值應比競爭車型低10%～15%左右。

車輛服務可靠性目標值綜合考慮市場要求、中斷費用成本、運維經驗三個方面。數據收集，從市場需求角度給出一個大致的服務可靠性要求，但還要從費用和運維經驗方面來綜合考慮，來確定整車服務可靠性目標。以任務中斷成本為考核指標確定服務可靠性。已知競爭車型任務可靠度為95%，任務中斷費用見表2，來確定新研制車型任務可靠度。

表2 任務中斷成本對比結果

圖1 軌道交通車輛全壽命周期檢修需求管理流程

通過對比分析，可知新研車型任務可靠度必須高于96.61%(即：160 000×(1- 95%)≥236 000×(1-新車型任務可靠度))時在成本方面具有優勢。

2.3 檢修需求指標分配

檢修需求指標分配目的是將檢修需求目標分解至系統或部件級別，此過程需要與供應商確認，并將檢修需求分配值和檢修需求設計要求/準則、詳細的工作計劃納入供應商采購技術合同。

目前，DMC以及服務可靠性相關的檢修需求指標分配方法已經比較成熟。文獻[7]給出了DMC分配方法。當只有一種競爭車型DMC成本已知時，可按照競爭車型成比例地進行分配：

(1)

其中：i指第i個系統，DMCi-新指新開發車型第i系統的直接維修成本分配值，DMCi-競爭指競爭車型第i系統的DMC成本值，DMC新指新開發車型整車DMC值，DMC競爭指競爭車型整車DMC值。

服務可靠性分配同樣采用比例分配法(同公式1)，同時需要遵循以下幾條原則：

1)對于復雜度高的子系統、設備等，應分配較低的可靠性指標。因為系統越復雜，其組成單元就越多，要達到高可靠性就越困難，并且費用越高。

2)對于技術上不成熟的系統，應分配較低的可靠性指標。對于這種產品提出高可靠性要求會延長研制時間，增加研制費用。

3)對于在惡劣環境條件下工作的系統，應分配較低的可靠性指標。因為惡劣的環境會增加系統的故障率。

4)對于需要長期工作的系統，應分配較低的可靠性指標。因為產品的可靠度隨著工作時間的增加而降低。

5)對于重要度高的產品，應分配較高的可靠性指標。因為重要度高的系統故障會影響行車安全或秩序。

6)對于已有可靠性指標的貨架產品或技術成熟的系統，不再參與可靠性分配。同時，在進行可靠性分配時，要從總指標中剔除這些單元的可靠性指標值。

2.4 檢修需求預計與控制

檢修需求預計與控制，隨著車輛設計深入，檢修需求由下至上進行預計，從部件、系統向整車級別匯總，并與各層級分配指標進行對比，針對不符合分配要求的項點，給出設計更改措施，直至滿足整車的檢修需求目標。

針對維修任務的預計是所有預計的基礎，DMC維修任務預計采用如下方法計算：

DMC=F·Q·(H+M)

(2)

服務可靠性檢修需求指標主要是任務中斷率，預計模型如下：

MIRC=QTYC×λC×F任務中斷×D運行

(3)

其中：QTYC為車輛上某部件數量；λC為部件失效率；F任務中斷為任務中斷系數，表示部件可能引起車輛任務中斷的LRU的故障模式占部件故障模式的比例；D運行為任務運行載客階段平均運行里程。

將分配指標與預計值對比分析，當預計值不滿足分配要求時，執行根因分析，判斷是否設計更改，設計更改后需重新指標預計。檢修需求設計實現途徑如圖2所示。

圖2 檢修需求設計實現途徑

2.5 檢修需求監控與反饋

檢修需求監控與反饋，指車輛投入使用后，搜集用戶運維數據和高級修數據，統計檢修需求(直接維修成本和服務可靠性)，并與檢修需求擔保值對比，若不符合檢修需求擔保要求，則進行根因分析[8]，改進修程、工藝、車輛設計，并為用戶提供擔保與索賠服務，并總結既往經驗，在新車型研制過程中規避既往問題，形成閉環控制。以牽引電機SS傳感器出庫可靠性低為例，當運用過程中統計其任務可靠度超過分配指標時，執行根因分析，給出設計更改措施，如圖3所示。

圖3 牽引電機根因分析

3 試驗結果與分析

為驗證全壽命周期檢修需求設計，開展了針對檢修需求指標DMC的軌道交通車輛全壽命周期檢修需求設計。以新型軌道交通車輛CRH380A系列動車組空調機組為例，空調機組DCM分配指標為2 000元/萬公里，維修任務輸入數據來自以可靠性為中心的維修(RCM)的分析結果[9]。

依據DMC預計模型，獲得矩陣F、Q、H、M。

其中，頻次陣F為1行13列矩陣。

數量陣Q為13行13列矩陣，人工成本陣H為13行1列矩陣，材料成本陣M為13行1列矩陣。

將空調系統所有維修任務DMC匯總，計算結果為2 696.31元/萬公里。不符合分配要求(超出分配指標2000元/萬公里，35%)，需要進行設計更改。通過審查DMC成本構成，發現“空調機組檢查及清潔”成本為1 066.67元，占比最高為40%，開展根因分析。通過根因分析發現，該任務排水作業時，排水堵與車輛結構干涉(如圖4所示)，需要拆卸底板后才能拆下排水堵，導致維修時間過長，建議進行設計改進。

依據圖2給出設計實現途徑給出設計更改措施：通過提高可達性來降低排水作業時間，既有車輛增加結構開口，新造車輛重新布置排水堵位置，解決可達性差問題。

圖4 空調排水堵與結構干涉

經過設計改進，該維修任務人工時由2小時降低至0.5小時，DMC由1 066.67降低至266.67元/萬公里，空調系統運用過程預防性維修成本降低至1 896.31元/萬公里，滿足分配指標要求，通過設計優化解決了維修性差“初始設計缺陷”問題，降低了車輛大批量投入使用后的車輛改型成本。

4 結束語

在軌道交通車輛設計早期，通過構建合理的檢修需求指標體系，將直接維修成本和服務可靠性納入車輛設計要求，隨著車輛設計深入，通過檢修需求預計與控制可發現車輛設計缺陷，避免了車輛交付后因改型造成的成本浪費，提高了車輛設計水平。在車輛使用階段通過檢修需求監控與反饋，持續改進車輛設計，提升了車輛維修性、可用性和經濟性，實現全壽命周期檢修需求管理，對提高車輛市場競爭力和用戶滿意度具有重要意義。