基于某公鐵車的可靠性技術研究

劉美惠，劉辛夷，肖傳棟

(1.青島中車四方軌道車輛有限公司，山東 青島 266000；2.大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著軌道交通產業的蓬勃發展，公鐵兩用車作為軌道交通產業的配套產品，需求量日漸增長。因此，用戶對公鐵兩用車的可靠性問題越來越關注，本文結合某公鐵兩用車項目來闡述公鐵兩用車的可靠性設計。

1 可靠性設計分析工作概述

可靠性設計分析的主要工作內容包括可靠性建模、可靠性分配、基本可靠性預計、維修性預計等相關工作，目的是落實總體單位可靠性研制總要求，從而完成產品可靠性設計分析工作。

2 某公鐵兩用車可靠性設計總體要求

2.1 項目背景

某公鐵車由牽引車和拖車組成，共6輛。牽引車主要用于消防員和簡易消防工具的運輸以及同類車的救援牽引或牽引軌道拖車，其運行模式為公路模式和鐵路模式，兩種模式均為后橋膠輪驅動。拖車為純軌道運行非動力車輛，主要用于消防材料和簡易消防工具的運輸。

2.2 可靠性設計總體要求

客戶要求的項目可靠性相關指標如表1所示。

表1 項目可靠性相關指標

3 公鐵兩用車可靠性設計具體步驟

3.1 公鐵兩用車總體結構

公鐵兩用運輸車總體結構如圖1所示，主要由車體及連掛裝置、電氣系統、走行系統、液壓系統、制動系統和司機室等組成。車體為整車的安裝及承載主體，是所有主要設備件結構安裝及承載的載體。

圖1 公鐵兩用電動運輸車(軌道拖車)平面示意圖

車體的前后端設置連掛及被救援用的連接裝置(車鉤)；車體的下方布置前后鐵路走行部、轉向橋、電驅動橋、液壓系統、制動系統、電氣柜以及驅動電機等；車體上方布置司機室、蓄電池及管理系統以及運送消防員的護欄平臺等。

司機室內部按照右側駕駛設置，主要有操縱臺、1個駕駛座椅、2個副駕駛座椅、2個側門、2個滅火器、后視鏡、扶手以及其他設備件。駕駛座椅前后、上下可調，副駕駛座椅為前后可調，每個座椅均配置安全帶。司機室兩側面轉軸平開門，門上設置推拉窗、門鎖。拖車主要由鐵路走行、車體、連掛裝置及移動式護欄等組成。

車體為簡易類平板結構，其下面設計安裝兩條鐵路走行輪系，每一軸系配置一電磁制動器，具備停放制動及手動操作功能；鋼結構兩端各設置一連接裝置，用于與牽引車連掛。

3.2 系統可靠性建模

3.2.1 系統可靠性數學模型

車輛系統的基本可靠性采用串聯模型，因此通過所有子系統故障率的總和得到系統故障率。系統可靠度Rs(t)的計算公式如下：

(1)

其中：Ri(t)為第i子系統的可靠度；λs為系統的故障率。

系統故障率為：

(2)

其中：λi為第i子系統的故障率。系統的故障率λs是組成串聯系統的子系統的故障率之和。整車的平均無故障時間為：

(3)

整車的故障率為：

(4)

3.2.2 系統的基本可靠性方框圖

系統的基本可靠性為全串聯模型，可靠性框圖如圖2所示。

圖2 公鐵兩用電動運輸車(軌道拖車)基本可靠性框圖

3.3 系統可靠性分配

3.3.1 方法選擇

公鐵兩用電動運輸車(軌道拖車)項目采用評分分配法對可靠性指標進行分配，在可靠性數據非常缺乏的情況下，通過有經驗的設計人員或專家對影響可靠性的幾種因素評分，對評分進行綜合分析而獲得各子系統之間的可靠性相對比值，再根據相對比值來給每個子系統或設備分配可靠性指標。

3.3.2 評分分配法

(1) 評分因素有復雜度、技術水平、工作時間、環境條件。

(2) 評分原則如下：

復雜度：最復雜的評10分，最簡單的評1分。

技術水平(成熟程度)：水平最低的評10分，水平最高的評1分。

工作時間：子系統工作時間最長的評10分，最短的評1分。

環境條件：子系統工作過程中會經受極其惡劣而嚴酷環境條件的評10分，環境條件最好的評1分。

(3) 相關計算公式如下：

(5)

(6)

Ci=ωi/ω.

(7)

(8)

3.3.3 可靠性分配結果

車輛的初步可靠性分配結果見表2。

表2 車輛的初步可靠性分配結果

3.4 產品可靠性及可維修性預計

3.4.1 產品可靠性及可維修性預計概念

車輛系統的可靠性、可維修性預計分析是從局部到整體的一個系統綜合的過程，通過可靠性、可維修性分析發現影響產品可靠性、可維修性的主要因素和薄弱環節，以便采取設計和工藝措施實施改進，利用系統可靠性分析方法對公鐵兩用電動運輸車(軌道拖車)進行可靠性、可維修性預計，預估整車的故障率。

3.4.2 可靠性及可維修性預計

可靠性及可維修性預計步驟如下：

(1) 列出車輛各系統所包含的組件、數量及設備故障率和來源。

(2) 將導致車輛故障的故障率相加，計算整車的可靠性及可維修性指標。

按上述步驟計算各子系統MTBF及故障率，根據公司對類似產品的數據統計、估算，與子系統供應商的協商、分析，得出車輛子系統的可靠性及可維修性數據，見表3。

表3 車輛可靠性及可維修性預計表

MTBF=1 573.69 h>1 300 h.

MTTR=2.19 h<8 h.

整車固有可用性：

(9)

3.5 產品現場故障數據

已交付2臺產品，質保期從2019年2月～2020年1月，將質保期內故障進行統計,如表4所示。

表4 質保期內故障統計

3.6 整機的可靠性計算

根據現場的故障信息進行整機的可靠性計算。MTBF和MTTR由故障率值計算如下:

MTBF=累積工作時間/累積故障次數.

MTTR=累積故障修復時間/累積故障次數.

產品可靠性結論見表5。

表5 產品可靠性結論

4 總結

(1) 對某公鐵車的可靠性進行研究，通過可靠性建模計算及預計等，結果表明其可以滿足用戶的可靠性要求。同時針對容易發生故障的部件選用了可靠性較高的部件,并采取了針對性的措施，在產品運營考核期間通過收集現場故障數據，證明產品可靠性設計是滿足用戶需求的。

(2) 本研究填補了公鐵兩用車可靠性研究的技術空白，為公鐵兩用車可靠性數據收集、公鐵兩用車大量推廣奠定了基礎。