基于RCM的地鐵車輛維保技術研究

潘 瑩

上海軌道交通設備發展有限公司

0 概述

隨著中國城市化的發展，城市軌道交通如雨后春筍般蓬勃發展，截至2020年中國地鐵車輛的保有量已突破7 000輛，其中北京、上海、廣州等中、大型城市，地鐵線路開通早，目前將近有三分之一的車輛已經達到架大修的年限，地鐵維保的需求也應運而生。地鐵維保按照運營里程和使用年限主要分為日常維保和架大修兩大類，日常維保是通過基本的日常維護和保養，保證車輛運營的安全性和可靠性，架大修是對達到5年和10年及10年以上的車輛進行全面的維修作業，使車輛恢復到新造時的狀態。維保業務將是未來軌道交通行業的重點工作之一。現有的維保模式主要是根據車輛各系統的維修手冊以及技術文件制定檢修規程，對車輛設備開展預防維修和故障維修作業，但沒有對車輛系統設備的關鍵性進行區別，也沒有通過故障模式和影響分析明確設備采取的維修方式的合理性。

針對傳統維保模式存在的問題，提出了以可靠性為中心的維修（RCM）理念。RCM是通過對系統設備的可靠性進行分析，即以故障模式和影響分析為基礎，以維修的適應性、合理性、有效性和經濟性為基本準則，確定是否進行預防性維修工作，并確定維修內容、維修類型、維修級別和維修間隔等［1］。RCM維修理念打破了傳統計劃預防維修的觀念，認為不是維修間隔越短越好，維修內容越多越好，而是在保證裝備或產品安全的基礎上，以可靠性為中心，使維修內容簡單而有效。傳統維修和RCM維修的區別見表1。

表1 傳統維修和RCM維修理念對比表[1-2]

RCM維修是以故障統計為基礎，以故障模式分析作為決策支持，合理地確定地鐵車輛的維修需求，優化目前使用的地鐵車輛維保方式［3］，其特點是從故障后果的嚴重程度出發，盡可能避免或至少減輕故障后果，改變了過去根據設備故障的技術特性對故障本身進行預防的傳統觀念。

1 RCM分析

1.1 RCM理論

RCM理論認為不同產品和設備全壽命周期內的故障率曲線不都是服從浴盆曲線。美國航空界通過長期對產品的故障數據進行統計分析發現，僅有4%的產品故障率符合浴盆曲線，而大部分復雜產品的故障率曲線在早期呈現下降趨勢，隨后進入恒定期，故障率保持穩定［1-2］。故大部分產品無耗損故障，進行定時維修工作有害無益。因此，對于不同的產品要根據其故障機理，采取有針對性的維修工作。產品故障率曲線見圖1。

圖1 產品故障率曲線圖

1.2 RCM分析流程

RCM分析的核心是故障模式影響及危害性分析FMECA。在現有使用環境下，用戶需要關鍵部件提供什么功能及相關的性能指標，在何種情況下關鍵部件無法實現其功能，能引起各功能故障的原因，故障發生時，會出現什么現象，故障屬于哪一種故障后果，什么工作能預防或預測故障發生，如果無法預防或預測故障模式，如何管理其故障及后果等，通過FMECA分析確定故障模式、故障影響和故障后果，隨后根據邏輯決斷分析確定維修工作類型，制定合理的維修策略，最后開展維修計劃編制和維修作業執行［4-5］。

FMECA分析：根據安全性、任務性以及經濟性的影響來確定重要功能產品，然后對每個重要功能產品開展故障模式、影響及危害性分析。

邏輯決斷分析：根據FMECA分析中關鍵設備的故障后果來確定維修工作類型。

維修策略制定：提出維修間隔期后，須根據維修任務和使用要求、維修的技術條件和維修的經濟性等因素，提出各項維修工作的維修級別建議。一般應將維修工作確定在耗費最低的維修級別上。詳細的RCM分析流程見圖2。

圖2 RCM分析流程圖

2 RCM在車輛維保中的應用

本文以上海15號線全自動駕駛項目的受電弓系統為例，詳細闡述RCM分析方法。上海15號線是A型鋁型材料的電動客車，最高運行速度為100 km/h，列 車 編 組 型 式 為-TC＊MP＊M=M＊MP＊TC-，采用DC 1 000 V-1 800 V的架空接觸網受流方式。其受電弓的基本結構見圖3。

圖3 受電弓結構圖

2.1 系統關鍵件確定

根據關鍵件的確定原則——失效可能性和后果等級的綜合考慮，對受電弓的各組成部件進行分析。產品關鍵性等級見表2。

復合絕緣子的功能主要是起支撐和絕緣的作用，當絕緣子發生故障時，受電弓將無法工作。

驅動裝置是驅動受電弓工作的主要裝置，當驅動裝置發生故障時，受電弓將無法工作。

升弓彈簧的功能是驅動受電弓升起，當升弓彈簧破損、斷裂，受電弓將無法升起。

弓頭彈簧是弓頭彈性裝置、弓頭組裝負責支撐碳滑板、上臂組裝和下導管裝配是受電弓的主體結構，它們和碳滑板一起實現受流功能，當上臂組裝不能保持正常位置或者弓頭彈簧、下導管和滑板中的任何一個部件發生故障，受電弓將會受流不良。

節流閥是用于控制受電弓的升弓速度，當節流閥漏氣時，受電弓將無法調整升弓速度。

氮氣彈簧的功能是驅動受電弓降弓，當氮氣彈簧失效時，受電弓將無法降弓。受電弓無法工作和無法升弓的后果是不可接受的。因此，復合絕緣子、驅動裝置和升弓彈簧是關鍵件。受電弓受流不良一般不影響運營，但根據以往項目的故障統計發現弓頭彈簧和碳滑板的數量較多，失效概率高，因此也為關鍵件。另外受電弓無法降弓也是不影響運營的故障，且失效概率較低，在可容忍的范圍內。因此，氮氣彈簧不屬于關鍵件。

表2 產品關鍵性等級

2.2 FMECA分析

在確定關鍵件后，對上海15號線受電弓系統進行FMECA分析，主要對關鍵件的故障模式、故障影響以及危害性進行分析。上海15號線受電弓系統FMECA分析詳見表3。

2.3 維修決策

通常確定維修方式的基本原則是：對安全生產、經濟效益影響較大的設備，若可用狀態監測手段探測故障征兆，應采用狀態維修，否則采用計劃性預防維修；對處于連續性運作且沒有備用的設備，應采用計劃性預防維修；對安全性和經濟性影響不大或有備用的設備，應采用事后維修；對以隨機故障為主要故障形式，故障征兆無法有效監測的設備，應采用事后維修。本文依據圖4邏輯決斷圖進行逐級判斷［4］。

表3 上海15號線受電弓系統FMECA分析表

圖4 邏輯決斷分析圖

1）絕緣子的斷裂不屬于隱性故障和關鍵模式故障，且經過統計其故障率為2．40195E-09，在可接受的水平，故絕緣子在設計選材時較為嚴格，該故障通常選擇事后維修。

2）絕緣子緊固件如果發生松脫掉落故障，將引起救援故障，但此類故障的故障率極低，因此針對這類故障，需要定期對防松標記進行檢查。這類故障是屬于關鍵模式、關鍵原因，且不能進行狀態監測的故障類型，故采用計劃預防維修。

3）弓頭彈簧的疲勞斷裂故障雖不影響運營，但其故障率水平不在可接受的范圍，需要調整其維修周期，通常的保護減輕措施是對材料進行要求，且每3個月進行檢查。

4）驅動裝置故障屬于顯性故障、關鍵模式和關鍵原因故障，且故障機理與時間壽命有關，其狀態可通過弓網在線監測系統進行視頻監控和圖像識別，同時根據壽命預估，需每5年進行一次更換。

5）滑板掉塊故障將導致降級服務，也屬于顯性故障、關鍵模式和關鍵原因故障，且故障機理與時間壽命有關，但其狀態不可監測，故一般選擇進口滑板且每3個月進行定期檢修。

6）升弓彈簧的疲勞斷裂故障屬于顯性故障、關鍵模式和關鍵原因故障，且故障機理與時間壽命有關，其狀態可通過弓網在線監測系統進行視頻監控和圖像識別，同時根據壽命預估，需每5年進行一次更換。

RCM維修理念是以可靠性理論為基礎，根據不同設備的特性、運行方式、重要性程度、故障特點等綜合因素有針對性地采取維修措施，可以將傳統的定期維修方式、狀態監測技術和日常點檢工作有機結合，合理確定維修周期和維修項目，加強維修數據的管理，為維修工作提供科學依據；建立質量保證體系，提高維修質量，使受電弓系統設備在保持較高可靠性水平的同時盡可能降低維修成本。

3 總結

RCM分析的車輛維保理念相比于傳統的計劃檢修，在維保效率和質量上有了很大的進步和提高。通過可靠性分析，對關鍵設備的故障模式和后果進行深入研究，確定其合理的預防性維修方式。但是對于設備的維修周期還需進一步優化，周期過長或過短都會引起不必要的損失，未來地鐵車輛維保將在RCM的基礎上對設備維修數據、故障數據、故障機理、故障后果及預防措施進一步深入研究，從而持續優化檢修規程，不斷完善車輛維保技術和維保管理。同時維修性設計需進一步加強，為適應車輛檢修要求，在設計初期應加強產品的可達性設計、可維護性設計、維修安全性設計、檢測診斷智能化設計、防差錯/標識設計等設計工作，提高車輛系統的可維修性能、簡化維修工作、降低維修成本、縮短維修時間，并能確保機車的安全性和可靠性。