基于故障率曲线和设备故障危害度的地铁车辆维修策略选择

黄 挺 王 磊 晏 鑫 王伯铭

(1.南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司，210031，南京;2.西南交通大学机械工程学院，610031，成都∥第一作者，工程师)

目前，我国很多城市都在大力发展地铁交通，地铁已经成为城市公共交通的重要组成部分。运营单位必须保证地铁在运行过程中的可靠性与安全性，但由于地铁车辆的结构组成较为复杂，要确保地铁车辆的安全运营，就必须有一整套完善合理的维修保养制度。目前，国内各大地铁运营单位均根据设备供应商的意见制定了维修保养计划，维修保养计划一般都偏保守，所以，只有制定更加合理的维修计划才能进一步提高车辆维修效率、降低车辆维修成本。

1 国内地铁运营单位所采用的基本维修策略

目前，应用于地铁车辆的维修方式基本可以分为:定期维修、状态维修和事后维修3 种。表1 总结了3 种维修方式的内涵、存在弊端及适用的故障类型。

从表1 的3 种维修方式对比可以看出，定期维修和状态维修都属于预防性的维修，事后维修则属于非预防性维修。定期维修是按时间标准或者走行公里数进行维修;状态维修是按设备实际技术状态标准进行维修;而事后维修则不控制维修时间。3种维修方式都各有特点和适用范围。从现阶段车辆维修的实际情况分析，它们并没有先进、落后之分，关键是要根据设备的具体工作情况及其故障类型来选择恰当的维修方式［1］。

表1 地铁车辆3 种维修方式的比较

2 设备故障率曲线

在进行系统可靠性研究过程中，通过对大量设备故障率的统计分析发现，随着时间的推进，设备故障率是遵循一定规律的。研究人员根据统计结果绘制了6 种基本的故障率曲线。这6 种基本的故障率曲线见文献［2］，这里不再赘述。6 种基本的故障率曲线代表了具有不同故障规律的设备，可以通过对照设备的故障率曲线来选择适合该设备的维修策略。

3 地铁车辆关键部件维修策略的选择

地铁车辆作为一个集成度很高的机电设备，一般由以下8 个部分组成:①车体;②转向架;③牵引缓冲连接装置;④制动装置;⑤受流装置;⑥车辆内部装置;⑦车辆电器系统;⑧列车信息网络控制系统。

地铁车辆的各个组成部分由于工作状态的差异，其故障规律也有所不同。所以，在制定车辆维修策略时就不能一概而论，而是要在供应商提供的维保建议的基础上，结合各个设备在日后使用过程中的工作状态及故障规律，来制定符合实际情况的维修计划。现以地铁车辆的制动系统为例，说明如何基于故障率曲线和设备故障危害度计算来制定合理的维修策略。

3.1 根据故障数据统计分析结果来制定系统的总体维修计划

国内某地铁公司新线开通2年内，对车辆制动系统运营维护过程中的故障统计数据如表2所示。

通过采用Matlab 软件中的曲线拟合工具箱cftool 的polynomial 多项式函数，对表2 中的故障数据进行曲线拟合，得到该地铁车辆制动系统的故障率曲线如图1所示。

通过将图1所展示的车辆制动系统故障月发生率曲线与基本的典型故障率曲线进行对比后可以看出:该车辆制动系统在开始使用之后，基本上保持了一个稳定的故障率;在设备使用达到一年半之后，故障率明显开始上升，设备开始进入磨损期。而目前国内定修间隔时间一般都为1年，这样就明显造成了过剩维修。结合车辆制动系统各部件的功能及目前所发生的故障，可通过以下方式制定该制动系统所应采取的维修策略:

表2 某地铁公司2年内车辆制动系统的故障统计结果

图1 某地铁开通运营23 个月以来车辆制动系统故障月发生率曲线图

1)车辆上线运行之后，在定期维修计划开展之前，制动系统也会偶有故障发生，所以平时也需要对制动系统进行一定程度的维护。从车辆日常运行的结果来看，这段时期内制动系统所发生的故障大多数都是偶发性故障，其中很多都能够通过车载诊断系统反映出来。比如，经常会报故障代码的新风阀和废排阀故障、制动风管压力不足等。所以，针对这些能够通过车载诊断系统实时监测的故障，应该制定以状态修为主的维修计划。

2)对于车辆整个制动系统而言，虽然其组成十分复杂，各个组成设备的故障规律也各有不同，但从以往的维修经验来看，针对整个系统制定定期的维修计划对于保证系统良好工作状态也是十分有效的。所以，根据制动系统故障的月发生率统计分析的结果可制定如下的车辆维修计划:在车辆运营达到17～18 个月的时候可选择定期维修方式，对车辆制动系统进行比较深入的维修工作，以改善整个制动系统的工作状态。这相对国内地铁普遍采用的年检周期来说，延长了维修周期，提高了维修效率。

3.2 根据故障模式的故障危害度大小对设备进行分类

由于车辆制动系统的组成复杂，不同设备的故障机理及故障危害程度也不相同，所以，对制动系统各个组成设备要采取具有针对性的检修策略。现通过FMECA(故障模式、影响分析以及危害度分析)方法来确定系统检修的重点设备。

3.2.1 设备故障危害度定量计算

FMECA 法对设备故障危害度的定量计算方法如下:

1)故障模式比率αj:若某产品的故障模式有j种(j=1，2，…，n)，每种故障模式出现的故障次数为mj，则故障模式比率如式1所示。

由式(1)可知，∑αj=1，各种 αj可以从故障率数据或相应的试验和运用数据推导出来。

2)故障影响概率βj:βj表示系统某个故障模式发生时，导致系统确定的故障危害度等级最终影响的条件概率。由于影响βj的因素很多，所以目前的计算通常是按表3 的规定进行定量估计。

表3 βj的选择范围

3)故障模式危害度和系统故障危害度计算:

式中:

cm(j)——系统的某一种故障模式在工作时间t内发生第j 类故障的危害度;

λp——该系统的基本故障率，一般计算时取其平均值。

根据对现场故障数据统计结果进行分析计算，就能得出制动系统不同故障模式及不同故障模式发生故障时对整个系统的危害度。具体的计算结果如表 4所示［3］。

表4 故障模式危害度计算

3.2.2 对制动系统组成设备进行分类并制定设备级的维修策略

从表4 中能看出，漏风和滑行的故障对制动系统功能正常实现的危害度最大，所以在进行检修的过程中应把涉及到这2 种故障的设备作为重点的检修项目。表5 就是根据危害度计算的结果对整个制动系统的主要设备组成进行了相应的分类。

按照对制动系统各组成设备的分类来制定与之相应的维修策略:

1)第一类设备:这一类设备对于车辆安全运行具有关键作用。所以，这类设备就是检修工作的重点，要定期对其进行维修，而且检修频次相应要高于其他类设备。除了要在日常检修中对其进行具有针对性的功能检查及设备故障恢复，还要在定期维修中，比如年检时对其进行比较全面的状态更新。

2)第二类设备:这一类设备发生故障之后可能会影响车辆的安全运行。此类设备的故障频率并不很高，一般都为偶发性故障;而且这类设备设计制造的集成性及可靠性都相对较高，比如各种阀类，频繁的拆卸检修可能会因为过度修而降低其使用性能。所以，第二类设备的检修频次可以适当降低一些，不需要在各个级别的维修中都进行检修作业;不过，可以对能够表明其工作状态的一些参数进行实时的监测，也就是重点采用状态修的维修策略。

3)第三类设备:这一类设备故障并不会对车辆安全运行产生影响，而且设备故障的频率也很低。所以，针对第三类设备采用事后维修的策略是十分合适的，也不会影响车辆的正常运营。不过为了避免意外的出现，可以在平时定期维修工作中，对其进行一定程度的状态检测。

表5 制动系统关键组成设备分类

4 结语

本文通过对地铁列车使用过程中故障数据的统计分析，得到了地铁车辆的设备故障率曲线，并以此为基础初步定性地选择了系统所应采用的维修策略。在此基础上，又采用FMECA 方法，对设备的故障作进一步分类，并且计算出了不同故障模式的危害度;根据故障模式危害度的大小，又进一步对设备组成进行了分类，对不同类型的零部件制定了更加详细的维修策略。通过分析结果与地铁车辆的实际运营情况比较能得出以下几点结论:

1)车辆运营单位应在设备供应商所给意见的基础上，结合设备具体使用情况，合理地制定并及时地调整设备维修策略。目前，车辆运营单位主要依据设备供应商给出的意见进行设备维修策略的制定，一般情况下此维修意见都比较保守，以此为基础所制定的维修策略也就会造成过剩维修。比如，本文所分析的制动系统一年检的维修周期可以放宽到17～18 个月，这样就能够明显地降低车辆维修频次和维修成本。

2)地铁车辆在日常运营过程中，制动系统的故障主要是漏风和滑行，这与本文分析结果相吻合，说明故障模式危害度计算结果具有一定的可靠性。从本文制动系统维修策略的制定过程中可以看出，本文提出的维修选择方法并没有特定系统的限制，故具有通用性，从事车辆维修工作的技术人员可以应用此方法来确定地铁车辆检修工作的重点。

3)目前的车辆维修策略制定还是建立在以往维修经验的基础上，但由于设备生产厂商技术的不断更新及现代高新科技的应用，地铁车辆采用的各种设备也在不断地复杂化。仅仅采用目前的维修策略并不能最大限度地实现高效率、低成本地完成车辆维修任务。所以，伴随着设备集成度的提高，更加合理、全面的设备维修理论也是以后探索的主要方面。

［1］何宗华，汪松滋，何其光.城市轨道交通车辆运行与维修［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］杨景辉，康建设.机械设备故障规律与维修策略研究［J］.科学技术与工程，2007(16):4143.

［3］吴波，丁毓峰，黎明发.机械系统可靠性维修及决策模型［M］.北京:化学工业出版社，2006.