低地板有轨电车可靠性技术的规划和应用

■ 施青松

施青松：南车南京浦镇车辆有限公司，副总经理，总工程师，江苏 南京，210031

1 概述

低地板有轨电车是城市轨道交通工具的一种，尤其100%低地板有轨电车，以其节能、环保、投资较小、载客量适中、乘坐舒适性较好、后期维护费用较少等优点，迅速吸引了国内城市的关注和研究。作为产品基本质量目标之一，可靠性在轨道车辆的设计过程中越来越受到重视。探讨在低地板有轨电车中如何规划可靠性活动，以实现可靠性与设计的有效结合，提高车辆可靠性水平，增强产品竞争力。

1.1 低地板有轨电车发展现状

低地板有轨电车是指地板面距轨面高度在350～400 mm以下的轨道交通车辆[1]，经历了3个发展阶段：部分低地板、70%低地板和100%低地板。车辆入口高度低，不需设置高站台，轨道可直接铺设在路面上，或利用原来有轨电车轨道，车辆能够通过半径很小的曲线，适应于城市地面路况，可显著降低线路造价[1]。

20世纪80年代以来，低地板有轨电车在城市轨道交通中取得了快速发展，几乎遍布欧洲大陆，以及加拿大、美国、澳大利亚、日本等国家和地区。在国内，随着经济的发展及社会活动的逐渐丰富，城市对交通流畅和节能减排的要求日益迫切，低地板有轨电车的自主研发正悄然进行，已逐渐成为城市公共交通市场的发展趋势。目前，沈阳100%低地板有轨电车已于2013年8月正式开通运营，而南京、苏州、上海、天津、北京、广州等众多城市有轨电车线路也已建成或正在建设。在未来10～20年，开行现代有轨电车将是国内诸多城市发展公共交通的智慧选择。

1.2 可靠性理论发展现状

可靠性是产品在规定条件下和规定时间间隔（t1，t2）内完成规定功能的能力[2]。20世纪60年代，可靠性工程进入了蓬勃发展阶段，逐渐形成一门学科，以后逐步扩展到维修性和安全性，分别成为一门独立学科，在各领域得到了广泛应用。但在轨道交通行业起步较晚，且缺乏系统性和完整性，随着科学技术的发展和市场竞争的需要，现代轨道交通系统的可靠性、可用性、可维护性及安全性方面工作逐渐得到重视，也日趋成熟。

1999年欧洲发布了EN 50126《铁路应用 可靠性，可用性，可维护性和安全性技术条件和验证（RAMS）》，2002年该标准上升为IEC 62278《轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS）规范及示例》，促进了RAMS工程在轨道交通系统中的应用和发展。2008年，我国也发布了相应标准GB/T 21562《轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范和示例》，对我国轨道交通装备RAMS水平的提高起到了极大的推动作用。

2 可靠性技术的规划与应用

低地板有轨电车的设计决定了其固有可靠性，因此，可靠性工作在设计、研制阶段就应得到充分重视。可靠性工作或形式主要有可靠性分配、功能故障模式、影响及危害度分析（FMECA）、硬件故障模式、影响分析（FMEA）、可靠性方框图（RBD）分析、故障报告、分析及纠正措施系统（FRACAS）等。以满足顾客规定的可靠性指标为牵引，将可靠性工作的关键步骤划分为：（1）可靠性分配；（2）可靠性控制；（3）可靠性预测；（4）可靠性验证。

2.1 可靠性工作前提

2.1.1 明确故障定义

开展可靠性工作首先要了解用户提出的可靠性要求。可靠性要求分为定性和定量两种。定性要求是用一种非量化的形式设计、评价和保证低地板有轨电车的可靠性性能；定量要求即是用户规定的低地板有轨电车可靠性指标及其相应的验证方法。重点讨论如何保证、满足用户提出的可靠性定量要求，即可靠性指标。

可靠性指标是用户根据系统需求提出的、作为评定车辆保持特定性能能力的标准。评定对象不同，可靠性指标值也会不同。因此，首先应了解可靠性指标适用的对象及范围，即故障的定义。

低地板有轨电车故障定义主要分为两类：运营故障和内在故障。内在故障囊括了车辆运用中发生的所有故障，包括检修中发现的故障，使用参数平均无故障时间（MTBF）进行考核；运营故障根据故障对运营的影响又划分为延误（正线上停车时间超过5 min）、未出库（晚投入运营时间超过5 min）、掉线（车辆退出商业运营）、清客（需要疏散乘客，车辆空车返回车辆段）、救援（需要另外车辆将故障车辆拖回车辆段）等，使用参数平均无故障距离（MDBF）进行考核。

2.1.2 车辆功能分解

车辆功能分解是开展所有可靠性工作的前提和基础，根据技术规格书中规定的设备功能，将整车划分为十个子系统（见表1），以便可靠性指标的分配和实现。

2.2 可靠性分配

低地板有轨电车设计初期，设计人员会制定产品的总体框架，以将顾客要求转化为产品的总体方案和系统技术方案，此时应同步开展可靠性指标分配工作，即将整车可靠性指标按照给定准则逐级分配，使得各级设计人员和各供应商在早期明确可靠性设计要求，设计时予以全面考虑，从而保证整车的可靠性水平。这是一个从大到小、自上而下的分解过程，应考虑车辆各组成单元的重要程度、故障率、使用环境、工作模式等因素[3]。

根据可靠性数据的统计量、设计的不同阶段及限制条件的不同，常用的分配方法有：等分配法、评分分配法、比例组合法。工程实际中，应综合应用各种方法，并兼顾产品的设计方案、工艺水平、元器件和原材料水平、货架产品现状、供应商能力等，经反复试算、迭代，才能完成一个复杂系统的分配。

低地板有轨电车主要参照国内外相似项目的运营统计数据，采用比例组合法对低地板有轨电车开展可靠性指标分配，将整体指标分配至每个子系统。

表1 车辆功能分解

2.3 可靠性控制

随着低地板有轨电车设计的拓展和深入，设计人员对产品的一级大部件或系统的设计进行细化，但此时各零部件设计尚未完成，没有详细的零部件明细表，可采用FMECA对车辆的功能原理开展分析，列出车辆各项功能的所有故障模式，分析可能导致某项功能故障模式的原因及其影响，自上而下，识别方案中可能影响车辆运营可靠性及安全性的薄弱环节。

应用FMECA的优点：（1）通过分析各子系统的功能故障模式，将可靠性指标分配至各故障模式，实现设备及电路的可靠性指标控制；（2）可识别每项功能可能影响运营的关键故障模式，有针对性地制定措施，避免或预防此类故障的发生；（3）得到的功能故障模式还可作为后期开展可靠性定量分析的顶事件。

2.4 可靠性预测

随着设计的进一步细化和信息量的不断扩大，产品层次定义更加明确，已具备了原理图、装配图或其他资料等，此时宜采用RBD分析、硬件故障模式、FMEA方法开展可靠性预测工作，主要识别低地板有轨电车设计中元件或零部件的弱点，制定纠正措施，并对车辆可靠性水平做出评估。

2.4.1 RBD分析

RBD分析是根据低地板有轨电车各组成单元间的逻辑关系，用方框图构建各组成单元故障导致车辆故障的逻辑图，经过分析，生成致力于车辆运营可靠性的路集，得到可靠性关键件，并开展整车运营可靠性的定量分析。

由于低地板有轨电车是一个结构较为复杂、功能多样的系统，若直接以车辆为目标进行RBD分析，生成的逻辑图逻辑关系较为复杂，不易理解。为了避免RBD分析的这一局限性，可与FMECA相结合。通过FMECA分析识别出所有影响运营可靠性及安全性的功能故障模式，针对这些故障模式，逐一建模，简化整车定量分析，逻辑较为清楚，易于理解。

低地板有轨电车RBD分析常用模型有：串联模型和并联模型。串联模型即在一个系统中，任何一个单元（子系统或零部件）发生故障，都会导致整个系统发生故障；并联模型即在一个系统中，组成系统的所有单元同时工作，只要有其中一个还工作，则整个系统就能完成规定的功能[3]。实际分析中应将两种模型综合应用。

2.4.2 硬件FMEA分析

硬件FMEA分析是根据车辆每个元件或零部件的故障模式，分析可能导致该故障模式的原因及其影响。与FMECA相比，硬件FMEA较为严格明确，一般从元器件级直至装备级，自下而上，分析单个部件故障对子系统及车辆运营可靠性及安全性的影响，得到的是单点故障模式，可与RBD分析的结果互为补充。

2.5 可靠性验证

车辆交付后，用户会要求根据现场故障情况开展可靠性指标验证工作，证明车辆的实际可靠性水平能否满足前期合同规定的要求。可靠性验证工作是一项比较复杂、耗费较大而又重要的工作，直接决定了车辆能否顺利通过质保及质保金的收回。因此，现场发生故障的及时改进及实现可靠性的持续增长尤为重要。

为了便于验证工作的顺利开展，低地板有轨电车可靠性工作应要求建立故障报告、分析及纠正措施系统（FRACAS系统），记录现场发生的故障，统计、计算、分析车辆及设备的故障信息，了解车辆及其各子系统、主要设备的实际可靠性水平。

FRACAS系统是通过对工作流程的有效控制及管理来实现对故障的有效闭环管理，工作流程见图1[4]。

FRACAS系统的本质是对故障进行闭环管理，根据其工作流程及特征，FRACAS系统还可用于：

（1）为建立公司故障模式库提供数据支撑。将FRACAS系统中收集的系统性故障、重大故障纳入公司故障模式库进行管理，并作为新项目的设计输入，设计人员在设计初期就制定针对性强的措施，避免或减少故障的再次发生，从源头上提高低地板有轨电车的可靠性。

（2）为建立公司元器件故障率库提供数据支撑。故障率数据是可靠性分析和评估的基础，目前数据来源有三种：源于数据库的历史数据；实验室的试验结果；现场故障信息统计结果。第三种数据最能说明产品的可靠性特征，已逐渐成为数据来源的主要趋势[5]。

2.6 可靠性技术实施程序

综上所述，在低地板有轨电车项目周期中，可靠性工作的实施程序、相应的工作内容及技术应用见图2。

图1 FRACAS工作流程

图2 可靠性工作实施程序、相应的工作内容及技术应用

3 结束语

市场经济以用户为导向，赢得用户才能占领市场，可靠性工作是提高车辆设计制造、运营水平和用户满意度的重要基础。因此，在项目执行初期就应做好可靠性工作的规划，关注各项工作的性质、作用、内容及相互间的关联，使得可靠性工作与设计同步、匹配，将可靠性要求落实到设计中，切实提高产品的可靠性水平，创造更大的经济和社会效益。

[1]赵大斌，任利惠．70%低地板轻轨车辆的型式比较[J]．城市轨道交通研究，2007(4)：29-33．

[2]GB/T 21562—2008 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例[S]．

[3]董锡明．轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性（RAMS）[M]．北京：中国铁道出版社，2009．

[4]GJB 841—1990 故障报告、分析和纠正措施系统[S]．

[5]顾文娟，薛淑胜．故障报告、分析及纠正措施系统在列车寿命周期内的应用[J]．城市轨道交通研究，2010(10)：74-76．