铁路内燃机车系统可靠性评价模型的研究

董晓岩,狄 威,刘 军

(北京交通大学 交通运输学院,北京100044)

现阶段我国铁路内燃机车的维修采用“计划预防维修”制度,按照经验或统计方法,以主要机械部件的可靠性确定机车的检修周期,实现“定时维修”方式,保证机车的正常运转[1]。但内燃机车的机械设备和电子部件的磨损规律和可靠性水平并不相同,存在因固定检修周期造成的过剩维修现象,导致“维修不足”和“维修过剩”现象并存,在此情况下,通过不断检测和监测机车整体或者部件的损耗是否达到维修临界点,采用“视情维修”方式,确定机车的维修时机以及维修内容,这就迫切需要合理确定内燃机车系统整体可靠性的变化规律,评价内燃机车整体的可靠性水平。而目前国内对内燃机车可靠性研究集中于关键部件的可靠性计算,缺少内燃机车这一机电系统整体可靠性的计算方法[2]。为解决这一问题,本文在现有的机电部件可靠性研究基础上,利用内燃机车系统关键部件的串并联关系,评估了系统整体的可靠性,分析和预测系统发生故障的可能性,进而为机车维修与否给出评判依据。

1 内燃机车系统可靠性分析

按照系统工程理论,可靠性是指系统在规定时间内能够维持正常功能的可能性(概率)。对于内燃机车系统而言,其可靠性可以定义为:给定的作业条件下,特定维修周期内能正常执行内燃机车牵引功能的概率[1]。根据国际电工委员会提出的标准IEC 62278—2002《铁路应用——铁道可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)规范及说明》,内燃机车系统的可靠性与安全性、可用性和可维护性紧密相关,而其中系统可靠性的研究更是这4个因素中的基础[4,5]。

内燃机车是我国铁路的主要牵引动力装备,新型内燃机车属于机电一体化的复杂系统,组成系统的部件和子系统规模庞大、类型繁多,相互间关系复杂。按照系统、子系统、设备、部件(组件)4个层次,结合模块的主要功能和结构特点,可以将内燃机车系统划分为8个大的系统,如图1所示。

图1 内燃机车总体结构分解

而从系统的重要程度上可以分为关键子系统和非关键子系统两个部分,其中空调、采暖属于非关键子系统,其他则属于关键子系统,并可以按照功能模块和基本结构组成进一步分解。由于这些设备的损耗原理不同,表示磨损规律的故障率曲线通常可以分为如下几类:

(1)典型的“浴盆”曲线类型

大部分的机械设备均符合这类设备故障率曲线图(图2)。按照机械磨损理论,产品的故障率随着时间的变化大致分为早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。早期故障主要是设计、制造上的缺陷所致,或使用不当造成的。当进入偶发故障期,设备故障率大致处于稳定状态。在设备使用后期,由于设备零部件的磨损、疲劳、老化、腐蚀等,故障率不断上升。

对于内燃机车中以机械系统为主的子系统和关键设备,其故障率基本符合这类曲线变化规律,可以利用统计数据确定其可靠性和可维护性等指标。而电子设备和控制设备的磨损曲线则不符合这一类型。

图2 浴盆曲线类的设备故障率曲线

(2)其他类型的磨损曲线

对于大部分的电子设备,具有相对恒定的故障率。但是当到达设计寿命后,则进入明显的磨损期,如图3中的A所示。曲线B显示了缓慢增长的故障率,但没有明显的磨损期。曲线C显示了新设备从刚出厂的低故障率,急剧地增长到一个恒定的故障率。曲线D显示设备的故障为恒定值,出现的故障常常是偶然因素造成的。而曲线E显示设备开始有高的初期故障率,然后急剧下降到一个恒定的或者是增长极为缓慢的故障率。

图3 其他类型的磨损曲线

根据系统可靠性的相关理论,评价设备和部件可靠性的指标通常包括[5-7]:(1)反映系统或部件使用寿命一类指标,即通过建立失效概率密度及分布函数,以失效时间Tr描述失效事件发生前的工作时间(即使用寿命)。(2)反映部件可靠性水平的可靠度指标,记为可靠度R(t)或不可靠度R′(t)。(3)反映部件或系统故障状态的故障率指标,被称为失效率h(t)。这3类评价指标均是从不同角度对系统部件可靠性水平的刻画,其本质是相同的,并且可以通过表1所示的公式进行相互转换[7]。这也说明,针对不同类型的部件建立的可靠性评价指标,可以将其统一,以便于计算系统整体的可靠性水平。

表1 系统可靠性指标转换关系[7]

2 内燃机车系统可靠度评价模型

铁路内燃机车是机电一体化的系统,按照其结构和功能,可以划分为柴油机及辅助装置、整流装置、主发电机及牵引电机系统、车体及走行系统、空气制动系统、电气及仪表系统、微机控制系统和空调采暖系统等8个部分。由于机械、电子设备在磨损规律和可靠性水平方面的差异,其可靠性评估需要综合考虑这些关键设备的影响。

若从内燃机车系统功能的角度出发,各个关键子系统和功能模块相互关联,共同保证机车系统的有效运行,因而构成了一类串并联混合的系统结构。本文针对这类系统体系结构特点,提出机电一体化系统的可靠性评价方法和模型,将评价过程划分为两个部分:第一阶段基于功能的系统结构和模块的划分;第二阶段是基于部件可靠性的内燃机车系统整体可靠性计算。

2.1 内燃机车系统的关键模块划分

为了更清晰地了解上述各重要功能系统间的逻辑关系,图4给出了内燃机车重要功能系统可靠性结构框图。

内燃机车系统可靠性框图从系统功能的角度,描述了各关键子系统和部件的逻辑关系,并将其作为计算系统整体可靠性的依据。

2.2 基于部件可靠性的内燃机车整体可靠性评价

内燃机车系统中机械系统、电力系统、电气系统的磨损规律和损耗原理差别较大,通常情况下,部件设备的可靠性水平或平均寿命均表现为一类随时间变化的随机变量,服从于特定的概率分布,而这种规律一方面可以由部件设备的生产厂商提供,另一方面也可以由维修部门根据历史数据统计分析得到。根据前面的分析,描述不同部件可靠性的3类方式,只要获得失效时间的分布函数、可靠度函数和故障率函数中的任何一个,就能够通过转换公式将其统一,以此计算系统整体的可靠性水平。

图4 内燃机车重要功能系统可靠性框图

假设内燃机车系统具有N个关键子系统,每个子系统具有Mi(i∈N)个部件,每个部件m∈Mi的失效属于独立的随机事件,失效时间的概率密度函数表示为f m(t)。那么根据串联结构系统的可靠度计算公式,则子系统i从t=0时刻开始,在t=T时刻的可靠性水平为Ri(T)=。而根据图4所示,由若干关键子系统组成的内燃机车系统整体可靠度可以表示为:

由公式(1)可知,当子系统数量和部件数目较大时,系统整体可靠度数值将显著降低,并趋近于0。更为一般的情况是在实际评估内燃机车系统整体的可靠性水平时,各关键子系统的影响并不相同,在内燃机车系统中的地位和重要性也有差异。因此,为表现不同子系统对系统总体可靠性水平贡献的差异,可以进一步考虑引入权重系数,表现各子系统相对于机电系统整体的重要程度。

在公式(2)中,当子系统的权重系数αi=1时,其可靠度为 R*i(T)=Ri(T)αi=Ri(T);当 αi=0 时,R*i(T)=Ri(T)αi=1。在处理具体问题时,每个子系统的权重系数αi可以采用专家评判或者其他方法加以确定。

3 算例分析

以内燃机车F为例,若大修周期为T=90万km,假设在T时刻系统中各部件的可靠度(可根据部件寿命曲线、可靠度曲线等计算)如表2所示,则此时系统总体可靠度水平的计算方法如下。

大修周期T=90万km时,各个关键子系统的权重系数均为 1的情况下,系统总体可靠度为:Rs(t)=R1(t)◦R2(t)◦R3(t)◦R4(t)◦R5(t)◦R6(t)◦R7(t)=0.601 9。

表2 T时刻系统各部件的可靠度

表3 无备份情况下可靠度指标

根据以上计算结果,可知:(1)内燃机车系统整体可靠性水平是由其关键子系统的可靠性水平共同决定的。(2)模块化的内燃机车系统关键子系统数量和部件规模决定了系统整体可靠性水平,数量越多,则出现问题的几率也越大。在某个T时刻,其系统总体可靠性水平也随着部件规模的增加而降低。(3)针对内燃机车关键子系统的部件,可以根据其不同类型确定相应的寿命曲线、故障率曲线,并统一转化为基于时间的可靠性评价指标,以此作为系统可靠度计算的依据。

4 结束语

以可靠性为中心的维修思想正逐步得到铁路机车车辆维修部门的重视,而对内燃机车系统整体可靠性评价则成为维修理论研究首先要解决的问题。本文从内燃机车系统的功能特点和结构划分入手,确定了内燃机车关键子系统的可靠性框图,提出了基于部件可靠度到系统可靠度,利用串并联系统关系建立了内燃机车系统整体可靠度评价模型,并结合算例给出一种系统可靠度的计算方法。

[1]董锡明.机车车辆维修理论与发展[J].铁道机车车辆,2004,24(2):50-55.

[2]董锡明.我国铁道机车车辆可靠性工程研究[J].中国铁路,1996,(1):9-12.

[3]董锡明.机车车辆故障与可靠性分析[J].铁道机车车辆,2004,24(6):42-47.

[4]严云升.铁道机车车辆电子产品的RAMS[J].机车电传动,2003,(6):1-4.

[5]贾希胜,贾云献,温 亮.以可靠性为中心的维修及其模型支持[J].军械工程学院学报,2004,16(1):15-18.

[6]Patrick D.T.O'Connor Practical Reliability Engineering Fourth Edition[M].北京:电子工业出版社,2005.

[7]郭永基.可靠性工程原理[M].北京:清华大学出版社,2002.