动车组故障率统计分析方法

王华胜，李　昊，朱庆龙，钱小磊，艾厚溥

(1.中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京　100081；2.北京纵横机电科技开发公司，北京　100094)

随着我国高速铁路运输的快速发展，高速动车组在运营里程、开行列数、交路距离、运行环境、载客数量等方面均创造了世界之最，产生了很好的经济效益和社会效益。但在各种复杂运行环境和因素的影响下，动车组也不可避免地出现一些故障，如何借助运用维修大数据对各类故障进行统计分析，揭示故障规律，采取科学有效措施预防和控制故障及其影响，成为目前动车组迫切需要解决的问题。

故障率作为可靠性基本概念在诸多文献中均有论述[1-4]，这些论述主要集中在基于瞬时故障率的可靠性理论分析，以及可靠性试验中简单产品或部件的平均故障率统计分析方面。但对于像动车组这样集软、硬件为一体的大型复杂、可修机电系统，不仅结构功能复杂而且故障模式及影响种类繁多，如何针对其实际运用和管理特点进行故障率定义、计算、统计和分析尚未见到相关文献介绍。

本文针对动车组故障影响特点和运用管理要求，对动车组事故和故障进行分类，初步建立动车组可靠性指标体系；给出动车组百万公里故障率指标定义及其计算式；提出动车组故障率统计分析方法，并以某型动车组为例进行实例分析。

1　动车组事故和故障的分类及定义

故障是指产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态[5]。不同的故障其机理、原因、规律、影响可能均不相同，为此，应从不同角度对故障进行分类。铁路运输的主要目标是安全、正点地运送旅客至目的地，并在途中为旅客提供必要的服务和环境，为此，铁路行业在长期运输生产中制定了较完善的事故、故障、维修及管理等相关规定，如《铁路交通事故应急救援和调查处理条例》、《铁路交通事故调查处理规则》、《铁路技术管理规程》、《铁路动车组运用维修规程》等。

依据上述规则和规程，并根据动车组实际运营和管理特点，建议从动车组故障影响的安全性、运用性和舒适性3方面，对动车组的事故和故障进行分类和定义。

1)动车组事故

《铁路交通事故调查处理规则》按照后果严重程度不同，将事故分为特别重大事故、重大事故、较大事故、一般A类事故、一般B类事故、一般C类事故和一般D类事故[6]，并对各类事故的损失和情形给出明确界定，其中包含了动车组车辆设备故障导致的事故情形，可以作为动车组事故分类和定义的标准和依据。

2)动车组故障

(1)动车组A类故障。在规定的运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组途中非正常停车时间大于20 min、小于1 h的故障。

(2)动车组B类故障。在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组途中非正常停车少于20 min的故障。

(3)动车组C类故障。在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组出入站晚点，以及在功能受限模式下运行的故障。

(4)动车组D类故障。不影响动车组正常运行的其他各类故障。

依据各类故障后果的严重程度不同，动车组故障主要包括以下几类：

(1)途中非正常停车。该故障发生时动车组不仅影响同方向后续列车的运行，而且通常需要随车机械师下车对故障进行复核，进而造成邻线封闭，对高铁运输影响较大。途中非正常停车的动车组超过规定时间若不能恢复运行，通常会启动途中应急救援等措施，可能需要车、机、工、电、辆等多部门配合工作，对高铁运输造成更大的影响。为此，参考《铁路动车组运用维修规程》等相关规定[7]，按照途中非正常停车时间是否大于20 min，将其划分为A类故障和B类故障。

(2)出入站晚点。该故障主要指始发和终到站晚点及途经站的发车、到达晚点。数据分析发现，牵引、制动功能部分丧失导致的运缓、限速是造成动车组入站晚点的主要因素；侧门关闭不良等故障是导致动车组出站晚点的主要原因。由于晚点期间动车组位于站内，不会影响正线其他列车运行，故障后果远小于途中非正常停车，为此把该类故障归为C类故障。

(3)功能受限模式运行。主要指动车组局部功能故障导致牵引力、制动力不足，速度受限；空调、侧门、卫生间等出现严重或多处故障，进而影响旅客乘车的舒适性，但动车组仍可维持运行。其故障包括且不限于：①牵引系统局部功能故障，切除部分牵引动力限速运行；②制动系统局部功能故障，切除部分制动力限速运行；③空气弹簧故障导致限速运行；④动车组中任意一辆车空调故障导致车内空调功能完全丧失；⑤相邻两辆车所有卫生间故障隔离禁用；⑥相邻两辆车同侧所有乘客侧门故障隔离禁用。动车组在上述故障模式下虽可维持运行，但运行品质和旅客乘坐舒适度较差，为此把该类故障也归为C类故障。

2　动车组故障率计算方法

故障率作为动车组可靠性的重要评价参数，反映了动车组故障的规律和趋势，可分为瞬时故障率和平均故障率。

瞬时故障率λ(t)是指在规定条件下运用到时刻t尚未发生故障的动车组，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，即

(1)

式中：Ns(t)为到t时刻尚未发生故障的动车组列数； dr(t)为t时刻后dt时间段内故障的动车组列数。

由式(1)可以看出：瞬时故障率是动车组运用时间的函数，也称故障率函数；而可靠性理论中时间的概念通常是广义的，这里主要以动车组的运行里程作为时间评价尺度。

(2)

式中：Δr(t)为时间间隔(t,t+Δt)内发生故障的动车组列数；r(t)为0～t时间段内累积故障的动车组列数；N0为初始时刻投入运用的动车组总列数； Δt为所取时间间隔。

由式(2)可以看出，Δt取值越小得到的平均故障率越接近瞬时故障率，当式(2)中Δt→0时便得到式(1)，即

(3)

鉴于动车组运行速度快，故障率通常较低，为方便评价，一般可采用列车百万km故障率作为评价指标。设在第i(i=1,2,…)个运行间隔[iΔt～(i+1)Δt]内有Ni列某型动车组投入运行，期间累积发生Δri次故障，则该运行间隔内动车组总累积运行里程为NiΔt，其在iΔt时刻的百万km平均故障率为

(4)

设某型动车组统计样本共60列，在第1个10万km内累计走行600万km，共发生A类故障3次，则该型动车组在第1个10万km内的A类故障率为0.5次·百万km-1。

3　动车组故障率分析方法

3.1　动车组寿命周期内故障规律分析

动车组及其部件在寿命周期内不同的时期和阶段，故障率呈现不同特点，通过故障率统计分析可以揭示其在寿命周期不同阶段以及不同影响因素下故障率的变化规律和特征，为运用维修决策提供参考依据。

寿命周期内某型动车组A类故障和B类故障每隔10万km的百万公里故障率随走行里程变化情况如图1所示。由图1可以看出：动车组 A类故障率基本保持在1.0次·百万km-1左右，相对于B类故障基本处于平稳波动状态；B类故障率波动较大，前期较高，在100～130万km区间内的故障率出现峰值，可能存在支配型惯性故障，进一步分析发现，惯性故障主要集中在轴温误报、侧门故障、制动误报等典型故障；自140万km开始，动车组故障率出现明显下降并保持稳定；因此，可在动车组运行至120～130万km左右的首轮三级修时，结合高级修对上述惯性故障进行彻底源头质量整治，使相关故障得到有效控制。

图1　某型动车组百万km故障率变化趋势

3.2　动车组高级修效果分析

按照目前动车组修程设置和要求，一、二级修属于动车组运用检修，三、四和五级修属于高级修。高级修的特点是检修范围大、检修程度深，特别是某些系统和部件需要分解检修，如：三级修时转向架、牵引电机需要分解检修；四级修时还需要解编，对车钩、制动装置、空调等进行分解检修，动车组高级修在维持车辆固有可靠性和确保运行安全方面发挥重要作用。按照现代维修理论，对于有耗损故障趋势的产品，及时、恰当地分解检修可有效控制故障率上升，但在实际中若检修范围和时机掌握不好时，分解检修常常会带来早期故障，反而导致故障率上升，为此，可采用故障率统计分析方法对动车组高级修有效性进行分析评价。

某型动车组首轮三级修(周期为120万km)、四级修(周期为240万km)和次轮三级修(周期为360万km)发生前后各30万km内、每隔5万km的百万km故障率变化情况如图2所示，图中：高级修之前走行公里为负值，之后为正值。由图2可以看出：首轮三级修前该型动车组可能存在惯性故障，导致故障率较高，经过三级修整治后，故障率明显下降并趋于稳定，说明首轮三级修在故障率控制方面发挥了积极作用；四级修前后故障率变化趋势初步反映了定期维修典型作用规律，修前故障率呈现逐渐上升趋势，修后呈现微弱的早期故障期，随后明显下降，体现出维修的作用和效果；次轮三级修前后故障率均比较低且波动不明显，高级修作用体现不明显，由于还有相当数量的动车组没有进入次轮三级修，还需要进一步积累数据样本探究其规律。

图2　某型动车组高级修前后故障率变化趋势

3.3　特定部件周期性故障规律分析

动车组空调系统具有很强的季节性运用特点，如制冷功能主要在夏季高负荷运转，制热功能主要在冬季使用，由此导致其故障率变化呈现明显季节特征[8]。鉴于空调系统部件及其故障模式种类繁多，在此仅对丧失主要功能、影响旅客乘坐舒适性的严重故障进行统计分析。某型动车组空调系统近几年1月—12月累计的故障率变化趋势如图3所示。由图3可以看出：从每年5月开始，全国自南到北陆续进入炎热夏季，5—9月是动车组空调系统运用的高峰时段，长时间、高负荷运转导致其发生的故障频次逐渐增多，尤其在7月空调系统故障率达到峰值，直至9月随着气温下降空调系统故障率才回落到较低水平；从每年11月到次年3月全国大部分地区处于冬季，空调系统主要启用制热功能，运用故障发生频次不高，主要与空调系统加热装置结构相对简单且质量稳定有关系。

根据上述规律，建议每年5月前对动车组空调系统进行1次集中整备维护，以应对夏季恶劣工作负荷的挑战，同时在5—9月强化空调系统的维修保障和应急处置工作，降低其故障率和故障影响。

图3　动车组空调系统故障率趋势

4　结　论

(1)基于动车组管理规章和要求，按照后果严重程度不同，对动车组事故和故障进行分类，制定了动车组A类故障、B类故障、C类故障和D类故障的可靠性指标。

(2)依据可靠性工程理论，给出动车组瞬时故障率、平均故障率定义及其计算方法，在此基础上结合我国动车组运用管理实际状况，提出动车组百万km故障率指标及其计算式。

(3)对某型动车组寿命周期内百万km故障率变化规律进行统计分析发现，早期支配型惯性故障经过有效整治后，故障率显著降低并持续平稳。

(4)对某型动车组高级修前后百万km故障率变化趋势分析表明，修前故障率呈现逐渐上升趋势，修后呈现微弱的早期故障期，随后明显下降，揭示了高级修典型作用和效果。

(5)对动车组空调系统季节性故障率变化规律进行分析证明，空调系统在每年夏季的6—8月间具有明显的故障率峰值，在此期间应强化维修保养措施。

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