基于RAMS的軌道交通轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件狀態(tài)評(píng)估

劉俊潔,徐永能,馬文軍,張斌峰

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

轉(zhuǎn)向架是軌道交通車(chē)輛運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，它具有承載重量、導(dǎo)向、減震、牽引、制動(dòng)等功能，軌道交通車(chē)輛的運(yùn)行離不開(kāi)轉(zhuǎn)向架。因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的運(yùn)維狀態(tài)進(jìn)行全方面的評(píng)估，來(lái)保證轉(zhuǎn)向架維持平穩(wěn)正常的工作狀態(tài)。

RAMS分析包含可靠性分析、安全性分析、可用性分析以及維修性分析。將其運(yùn)用在轉(zhuǎn)向架時(shí)，需要利用到轉(zhuǎn)向架在實(shí)際運(yùn)行中的大量故障數(shù)據(jù)，并以此作為分析基礎(chǔ)。而目前針對(duì)部件運(yùn)行中的RAMS分析，將RAMS中所有分析結(jié)合起來(lái)研究卻很少。如在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)或電動(dòng)汽車(chē)中將可靠性、安全性與維修性結(jié)合分析研究。在軌道交通領(lǐng)域亦是如此，如信號(hào)系統(tǒng)安全性和可靠性分析；列控系統(tǒng)可靠性及可用性分析；車(chē)載部件可靠性、安全性及維修性分析。對(duì)于轉(zhuǎn)向架而言，RAMS分析基本只有可靠性運(yùn)用在轉(zhuǎn)向架部件層次分析或系統(tǒng)層次的分析，也有針對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中某個(gè)特定部件的分析(如構(gòu)架、側(cè)架等)。因此有必要針對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵部件，并利用RAMS理論進(jìn)行全面評(píng)估，來(lái)保證軌道交通車(chē)輛安全運(yùn)行。為了驗(yàn)證方法的科學(xué)性，基于某地鐵公司一號(hào)線的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證，首先篩選出轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，然后基于RMAS對(duì)關(guān)鍵部件在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的可靠性、安全性、可用性以及維修性進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。

2 轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件篩選模型

根據(jù)國(guó)內(nèi)外地鐵先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及管理實(shí)踐，為了確定研究對(duì)象，因此利用ABC分類(lèi)法對(duì)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件進(jìn)行篩選。其中，A表示關(guān)鍵部件(前30%部件)、B表示重要部件、C表示一般部件。圍繞管理目標(biāo)并結(jié)合部件特點(diǎn)，根據(jù)部件常見(jiàn)的故障狀態(tài)對(duì)部件進(jìn)行評(píng)分，共分為5類(lèi)單項(xiàng)指標(biāo)與相應(yīng)的評(píng)分細(xì)則(表1)。

轉(zhuǎn)向架的部件一般由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、輔助裝置等組成。專(zhuān)家依據(jù)表1中每項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分細(xì)則對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中選定部件各項(xiàng)指標(biāo)打分，每個(gè)部件的指標(biāo)打分結(jié)果按表1中各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重加權(quán)計(jì)算，按總得分由高到低排序，取前30%為關(guān)鍵部件然后利用RAMS進(jìn)行分析。

表1 關(guān)鍵部件篩選指標(biāo)評(píng)分細(xì)則Table 1 Scoring rules for key equipment screening indicators

3 基于RAMS的部件評(píng)估方法

3.1 可靠性分析方法

可靠性是指部件在規(guī)定時(shí)間區(qū)間以及規(guī)定條件下，完成規(guī)定功能的能力。對(duì)部件運(yùn)行時(shí)進(jìn)行可靠性分析，首先需要處理大量歷史數(shù)據(jù)，除了故障模式，還要擬合確定部件故障時(shí)間間隔故障分布函數(shù)。從歷史故障時(shí)間間隔繪制的直方圖可以找出故障規(guī)律確定故障分布函數(shù)。常用的故障分布函數(shù)有以下幾個(gè)：

1)指數(shù)分布

()=exp-

(1)

2) 正態(tài)分布

(2)

3) 威布爾分布

(3)

其中：為尺度參數(shù)；為形狀參數(shù)。

為了判斷故障時(shí)間間隔符合哪個(gè)故障分布分?jǐn)?shù)，可以借助AD檢驗(yàn)判斷，某故障分布函數(shù)的AD值越小越可能符合該函數(shù)。

3.2 可用性分析方法

可用性是指在要求的外部資源得到保證的前提下，部件在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)刻或時(shí)間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力，其具體評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是可用度表述。部件在運(yùn)行時(shí)的運(yùn)營(yíng)可用度()如下式所示：

(4)

式中：為部件平均無(wú)故障時(shí)間(h)；為故障排除時(shí)間和停機(jī)時(shí)間之和的平均值(h)。

利用值可依照標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)估關(guān)鍵部件是否需采用新的維修措施。

3.3 安全性分析方法

安全性主要體現(xiàn)在部件抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，部件運(yùn)行中的安全性分析是針對(duì)部件運(yùn)行中發(fā)生的各種故障模式來(lái)分析，同時(shí)依據(jù)指標(biāo)劃分等級(jí)，其中常用的方法就是基于風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)()的方法，它是由嚴(yán)酷度等級(jí)(，即故障發(fā)生后果的影響程度)、故障發(fā)生頻度等級(jí)(，也即故障發(fā)生的可能性大小)、故障被檢測(cè)難易程度()組成。計(jì)算公式如下所示：

=××

(5)

對(duì)以上3個(gè)指標(biāo)的量化具體要求如表2、表3以及表4所示。

表2 嚴(yán)酷度等級(jí)Table 2 Severity level table

表3 故障發(fā)生頻度等級(jí)Table 3 Failure frequency level table

表4 被檢測(cè)難度等級(jí)Table 4 Test difficulty level table

對(duì)于部件的安全性分析，以上3個(gè)指標(biāo)的等級(jí)均不能大于6，否則需要采取措施來(lái)降低該項(xiàng)指標(biāo)等級(jí)，且值不能大于或等于125，否則會(huì)對(duì)部件安全運(yùn)行有很大威脅。

3.4 維修性分析方法

維修性體現(xiàn)的是RAMS最終狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，維修性可分為維修措施制定以及維修狀態(tài)評(píng)估兩部分，維修措施制定方法從事后維修到預(yù)防性維修不斷更新，如今以可靠性為中心的部件維修措施制定方法應(yīng)用最多。為了使RAMS理論中各部分結(jié)合更加緊密，除了從可靠性考慮維修措施制定，還可以依據(jù)安全性(表5)。

表5 基于RPN值的維修方式表Table 5 Maintenance mode table based on RPN value

基于RAMS的狀態(tài)評(píng)估方法的評(píng)估流程可用圖1進(jìn)行概述。

圖1 基于RAMS的狀態(tài)評(píng)估流程框圖Fig.1 RAMS based state evaluation process block diagram

4 實(shí)例分析

依據(jù)某地鐵公司的一號(hào)線轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展RAMS分析，數(shù)據(jù)從2013年12月22日至2020年6月11日共606條故障數(shù)據(jù)。在對(duì)故障數(shù)據(jù)處理前，選定軸箱、車(chē)輪、齒輪箱、一系彈簧、二系彈簧、中心牽引裝置、液壓減振器、構(gòu)架、輪緣潤(rùn)滑裝置、聯(lián)軸節(jié)以及抗側(cè)滾扭桿進(jìn)行篩選(表6)。

表6 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)關(guān)鍵部件篩選Table 6 Screening of key equipment of bogie system

經(jīng)過(guò)專(zhuān)家打分后，確定軸箱、車(chē)輪、齒輪箱、一系彈簧以及二系彈簧為轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在劃分轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的關(guān)鍵部件后，利用直方圖分析關(guān)鍵部件的故障時(shí)間間隔(圖2)。

圖2 關(guān)鍵部件故障時(shí)間間隔直方圖Fig.2 Histogram of failure time interval distribution of key equipment

通過(guò)圖2可以直觀看出，轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件故障都屬于早期故障，因此判斷轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的故障分布函數(shù)為指數(shù)分布或者威布爾分布。對(duì)部件的指數(shù)分布、威布爾分布利用Minitab軟件進(jìn)行擬合(圖3和圖4)，2種分布擬合的檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

圖3 關(guān)鍵部件故障時(shí)間間隔指數(shù)分布函數(shù)擬合曲線Fig.3 Fitting curve of exponential distribution function of failure time interval of key equipment

圖4 關(guān)鍵部件故障時(shí)間間隔威布爾分布函數(shù)擬合曲線Fig.4 Fitting curve of Weibull distribution function for failure time interval of key equipment

表7 關(guān)鍵部件故障分布函數(shù)擬合檢驗(yàn)值Table 7 Fitting test value of fault distribution function of key equipment

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，車(chē)輪的故障分布函數(shù)為：

(6)

軸箱的故障分布函數(shù)為：

(7)

二系彈簧的故障分布函數(shù)為：

(8)

一系彈簧的故障分布函數(shù)為：

(9)

齒輪箱的故障分布函數(shù)為：

(11)

在獲得關(guān)鍵部件的故障分布函數(shù)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出部件運(yùn)行時(shí)間與可靠度的關(guān)系如表8所示。

表8 關(guān)鍵部件可靠度隨時(shí)間變化結(jié)果Table 8 Reliability change results of key equipment with time

從關(guān)鍵部件的故障分布函數(shù)來(lái)看，車(chē)輪、軸箱運(yùn)行2 d后可靠度就會(huì)下降到0.75、0.74，二系彈簧、一系彈簧運(yùn)行3 d后下降到0.74、0.72，而齒輪箱在運(yùn)行5 d后才會(huì)下降到0.75，因此有必要針對(duì)不同的關(guān)鍵部件制定不同的維修時(shí)間間隔來(lái)提高維修經(jīng)濟(jì)性。在完成轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)關(guān)鍵部件可靠性分析后，對(duì)關(guān)鍵部件的運(yùn)營(yíng)可用性進(jìn)行計(jì)算(計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9)。

表9 關(guān)鍵部件運(yùn)營(yíng)可用性計(jì)算結(jié)果Table 9 Calculation results of operational availability of key equipment

由關(guān)鍵部件的運(yùn)營(yíng)可用性可以看出，車(chē)輪以及一系彈簧的運(yùn)營(yíng)可用性均低于99%，需要采取措施提升可用性。完成轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件可用性評(píng)估后，得出關(guān)鍵部件的安全性以及對(duì)應(yīng)等級(jí)的維修方式分析結(jié)果(表10)。

表10 關(guān)鍵部件安全性及維修性分析結(jié)果Table 10 Safety and maintainability analysis results of key equipment

對(duì)關(guān)鍵部件的RMAS狀態(tài)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)車(chē)輪以及一系彈簧的運(yùn)營(yíng)可用性較低，需要采用新的維修措施，軸箱、齒輪箱以及二系彈簧可以不進(jìn)行維修措施調(diào)整，但仍對(duì)新的維修措施進(jìn)行說(shuō)明，在實(shí)際情況下可根據(jù)其他需求來(lái)判斷是否需要調(diào)整。

5 結(jié)論

建立了基于RAMS的軌道交通轉(zhuǎn)向架狀態(tài)評(píng)估方法。以某地鐵公司的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)為例，首先確定車(chē)輪、一系彈簧、二系彈簧、齒輪箱以及軸箱為關(guān)鍵部件，通過(guò)運(yùn)營(yíng)可用性、安全性及維修性分析結(jié)果確定各個(gè)關(guān)鍵部件的維修措施以及車(chē)輪和一系彈簧必要的新維修措施，二系彈簧、齒輪箱以及軸箱可保持現(xiàn)狀。這種RAMS評(píng)估方法可用于軌道交通轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的運(yùn)維工程實(shí)踐。