基于RCM的地铁车辆维保技术研究

潘 莹

上海轨道交通设备发展有限公司

0 概述

随着中国城市化的发展，城市轨道交通如雨后春笋般蓬勃发展，截至2020年中国地铁车辆的保有量已突破7 000辆，其中北京、上海、广州等中、大型城市，地铁线路开通早，目前将近有三分之一的车辆已经达到架大修的年限，地铁维保的需求也应运而生。地铁维保按照运营里程和使用年限主要分为日常维保和架大修两大类，日常维保是通过基本的日常维护和保养，保证车辆运营的安全性和可靠性，架大修是对达到5年和10年及10年以上的车辆进行全面的维修作业，使车辆恢复到新造时的状态。维保业务将是未来轨道交通行业的重点工作之一。现有的维保模式主要是根据车辆各系统的维修手册以及技术文件制定检修规程，对车辆设备开展预防维修和故障维修作业，但没有对车辆系统设备的关键性进行区别，也没有通过故障模式和影响分析明确设备采取的维修方式的合理性。

针对传统维保模式存在的问题，提出了以可靠性为中心的维修（RCM）理念。RCM是通过对系统设备的可靠性进行分析，即以故障模式和影响分析为基础，以维修的适应性、合理性、有效性和经济性为基本准则，确定是否进行预防性维修工作，并确定维修内容、维修类型、维修级别和维修间隔等［1］。RCM维修理念打破了传统计划预防维修的观念，认为不是维修间隔越短越好，维修内容越多越好，而是在保证装备或产品安全的基础上，以可靠性为中心，使维修内容简单而有效。传统维修和RCM维修的区别见表1。

表1 传统维修和RCM维修理念对比表[1-2]

RCM维修是以故障统计为基础，以故障模式分析作为决策支持，合理地确定地铁车辆的维修需求，优化目前使用的地铁车辆维保方式［3］，其特点是从故障后果的严重程度出发，尽可能避免或至少减轻故障后果，改变了过去根据设备故障的技术特性对故障本身进行预防的传统观念。

1 RCM分析

1.1 RCM理论

RCM理论认为不同产品和设备全寿命周期内的故障率曲线不都是服从浴盆曲线。美国航空界通过长期对产品的故障数据进行统计分析发现，仅有4%的产品故障率符合浴盆曲线，而大部分复杂产品的故障率曲线在早期呈现下降趋势，随后进入恒定期，故障率保持稳定［1-2］。故大部分产品无耗损故障，进行定时维修工作有害无益。因此，对于不同的产品要根据其故障机理，采取有针对性的维修工作。产品故障率曲线见图1。

图1 产品故障率曲线图

1.2 RCM分析流程

RCM分析的核心是故障模式影响及危害性分析FMECA。在现有使用环境下，用户需要关键部件提供什么功能及相关的性能指标，在何种情况下关键部件无法实现其功能，能引起各功能故障的原因，故障发生时，会出现什么现象，故障属于哪一种故障后果，什么工作能预防或预测故障发生，如果无法预防或预测故障模式，如何管理其故障及后果等，通过FMECA分析确定故障模式、故障影响和故障后果，随后根据逻辑决断分析确定维修工作类型，制定合理的维修策略，最后开展维修计划编制和维修作业执行［4-5］。

FMECA分析：根据安全性、任务性以及经济性的影响来确定重要功能产品，然后对每个重要功能产品开展故障模式、影响及危害性分析。

逻辑决断分析：根据FMECA分析中关键设备的故障后果来确定维修工作类型。

维修策略制定：提出维修间隔期后，须根据维修任务和使用要求、维修的技术条件和维修的经济性等因素，提出各项维修工作的维修级别建议。一般应将维修工作确定在耗费最低的维修级别上。详细的RCM分析流程见图2。

图2 RCM分析流程图

2 RCM在车辆维保中的应用

本文以上海15号线全自动驾驶项目的受电弓系统为例，详细阐述RCM分析方法。上海15号线是A型铝型材料的电动客车，最高运行速度为100 km/h，列 车 编 组 型 式 为-TC＊MP＊M=M＊MP＊TC-，采用DC 1 000 V-1 800 V的架空接触网受流方式。其受电弓的基本结构见图3。

图3 受电弓结构图

2.1 系统关键件确定

根据关键件的确定原则——失效可能性和后果等级的综合考虑，对受电弓的各组成部件进行分析。产品关键性等级见表2。

复合绝缘子的功能主要是起支撑和绝缘的作用，当绝缘子发生故障时，受电弓将无法工作。

驱动装置是驱动受电弓工作的主要装置，当驱动装置发生故障时，受电弓将无法工作。

升弓弹簧的功能是驱动受电弓升起，当升弓弹簧破损、断裂，受电弓将无法升起。

弓头弹簧是弓头弹性装置、弓头组装负责支撑碳滑板、上臂组装和下导管装配是受电弓的主体结构，它们和碳滑板一起实现受流功能，当上臂组装不能保持正常位置或者弓头弹簧、下导管和滑板中的任何一个部件发生故障，受电弓将会受流不良。

节流阀是用于控制受电弓的升弓速度，当节流阀漏气时，受电弓将无法调整升弓速度。

氮气弹簧的功能是驱动受电弓降弓，当氮气弹簧失效时，受电弓将无法降弓。受电弓无法工作和无法升弓的后果是不可接受的。因此，复合绝缘子、驱动装置和升弓弹簧是关键件。受电弓受流不良一般不影响运营，但根据以往项目的故障统计发现弓头弹簧和碳滑板的数量较多，失效概率高，因此也为关键件。另外受电弓无法降弓也是不影响运营的故障，且失效概率较低，在可容忍的范围内。因此，氮气弹簧不属于关键件。

表2 产品关键性等级

2.2 FMECA分析

在确定关键件后，对上海15号线受电弓系统进行FMECA分析，主要对关键件的故障模式、故障影响以及危害性进行分析。上海15号线受电弓系统FMECA分析详见表3。

2.3 维修决策

通常确定维修方式的基本原则是：对安全生产、经济效益影响较大的设备，若可用状态监测手段探测故障征兆，应采用状态维修，否则采用计划性预防维修；对处于连续性运作且没有备用的设备，应采用计划性预防维修；对安全性和经济性影响不大或有备用的设备，应采用事后维修；对以随机故障为主要故障形式，故障征兆无法有效监测的设备，应采用事后维修。本文依据图4逻辑决断图进行逐级判断［4］。

表3 上海15号线受电弓系统FMECA分析表

图4 逻辑决断分析图

1）绝缘子的断裂不属于隐性故障和关键模式故障，且经过统计其故障率为2．40195E-09，在可接受的水平，故绝缘子在设计选材时较为严格，该故障通常选择事后维修。

2）绝缘子紧固件如果发生松脱掉落故障，将引起救援故障，但此类故障的故障率极低，因此针对这类故障，需要定期对防松标记进行检查。这类故障是属于关键模式、关键原因，且不能进行状态监测的故障类型，故采用计划预防维修。

3）弓头弹簧的疲劳断裂故障虽不影响运营，但其故障率水平不在可接受的范围，需要调整其维修周期，通常的保护减轻措施是对材料进行要求，且每3个月进行检查。

4）驱动装置故障属于显性故障、关键模式和关键原因故障，且故障机理与时间寿命有关，其状态可通过弓网在线监测系统进行视频监控和图像识别，同时根据寿命预估，需每5年进行一次更换。

5）滑板掉块故障将导致降级服务，也属于显性故障、关键模式和关键原因故障，且故障机理与时间寿命有关，但其状态不可监测，故一般选择进口滑板且每3个月进行定期检修。

6）升弓弹簧的疲劳断裂故障属于显性故障、关键模式和关键原因故障，且故障机理与时间寿命有关，其状态可通过弓网在线监测系统进行视频监控和图像识别，同时根据寿命预估，需每5年进行一次更换。

RCM维修理念是以可靠性理论为基础，根据不同设备的特性、运行方式、重要性程度、故障特点等综合因素有针对性地采取维修措施，可以将传统的定期维修方式、状态监测技术和日常点检工作有机结合，合理确定维修周期和维修项目，加强维修数据的管理，为维修工作提供科学依据；建立质量保证体系，提高维修质量，使受电弓系统设备在保持较高可靠性水平的同时尽可能降低维修成本。

3 总结

RCM分析的车辆维保理念相比于传统的计划检修，在维保效率和质量上有了很大的进步和提高。通过可靠性分析，对关键设备的故障模式和后果进行深入研究，确定其合理的预防性维修方式。但是对于设备的维修周期还需进一步优化，周期过长或过短都会引起不必要的损失，未来地铁车辆维保将在RCM的基础上对设备维修数据、故障数据、故障机理、故障后果及预防措施进一步深入研究，从而持续优化检修规程，不断完善车辆维保技术和维保管理。同时维修性设计需进一步加强，为适应车辆检修要求，在设计初期应加强产品的可达性设计、可维护性设计、维修安全性设计、检测诊断智能化设计、防差错/标识设计等设计工作，提高车辆系统的可维修性能、简化维修工作、降低维修成本、缩短维修时间，并能确保机车的安全性和可靠性。