鐵路內燃機車系統可靠性評價模型的研究

董曉巖,狄 威,劉 軍

(北京交通大學 交通運輸學院,北京100044)

現階段我國鐵路內燃機車的維修采用“計劃預防維修”制度,按照經驗或統計方法,以主要機械部件的可靠性確定機車的檢修周期,實現“定時維修”方式,保證機車的正常運轉[1]。但內燃機車的機械設備和電子部件的磨損規律和可靠性水平并不相同,存在因固定檢修周期造成的過剩維修現象,導致“維修不足”和“維修過?！爆F象并存,在此情況下,通過不斷檢測和監測機車整體或者部件的損耗是否達到維修臨界點,采用“視情維修”方式,確定機車的維修時機以及維修內容,這就迫切需要合理確定內燃機車系統整體可靠性的變化規律,評價內燃機車整體的可靠性水平。而目前國內對內燃機車可靠性研究集中于關鍵部件的可靠性計算,缺少內燃機車這一機電系統整體可靠性的計算方法[2]。為解決這一問題,本文在現有的機電部件可靠性研究基礎上,利用內燃機車系統關鍵部件的串并聯關系,評估了系統整體的可靠性,分析和預測系統發生故障的可能性,進而為機車維修與否給出評判依據。

1 內燃機車系統可靠性分析

按照系統工程理論,可靠性是指系統在規定時間內能夠維持正常功能的可能性(概率)。對于內燃機車系統而言,其可靠性可以定義為:給定的作業條件下,特定維修周期內能正常執行內燃機車牽引功能的概率[1]。根據國際電工委員會提出的標準IEC 62278—2002《鐵路應用——鐵道可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)規范及說明》,內燃機車系統的可靠性與安全性、可用性和可維護性緊密相關,而其中系統可靠性的研究更是這4個因素中的基礎[4,5]。

內燃機車是我國鐵路的主要牽引動力裝備,新型內燃機車屬于機電一體化的復雜系統,組成系統的部件和子系統規模龐大、類型繁多,相互間關系復雜。按照系統、子系統、設備、部件(組件)4個層次,結合模塊的主要功能和結構特點,可以將內燃機車系統劃分為8個大的系統,如圖1所示。

圖1 內燃機車總體結構分解

而從系統的重要程度上可以分為關鍵子系統和非關鍵子系統兩個部分,其中空調、采暖屬于非關鍵子系統,其他則屬于關鍵子系統,并可以按照功能模塊和基本結構組成進一步分解。由于這些設備的損耗原理不同,表示磨損規律的故障率曲線通?？梢苑譃槿缦聨最?

(1)典型的“浴盆”曲線類型

大部分的機械設備均符合這類設備故障率曲線圖(圖2)。按照機械磨損理論,產品的故障率隨著時間的變化大致分為早期故障期、偶發故障期和耗損故障期。早期故障主要是設計、制造上的缺陷所致,或使用不當造成的。當進入偶發故障期,設備故障率大致處于穩定狀態。在設備使用后期,由于設備零部件的磨損、疲勞、老化、腐蝕等,故障率不斷上升。

對于內燃機車中以機械系統為主的子系統和關鍵設備,其故障率基本符合這類曲線變化規律,可以利用統計數據確定其可靠性和可維護性等指標。而電子設備和控制設備的磨損曲線則不符合這一類型。

圖2 浴盆曲線類的設備故障率曲線

(2)其他類型的磨損曲線

對于大部分的電子設備,具有相對恒定的故障率。但是當到達設計壽命后,則進入明顯的磨損期,如圖3中的A所示。曲線B顯示了緩慢增長的故障率,但沒有明顯的磨損期。曲線C顯示了新設備從剛出廠的低故障率,急劇地增長到一個恒定的故障率。曲線D顯示設備的故障為恒定值,出現的故障常常是偶然因素造成的。而曲線E顯示設備開始有高的初期故障率,然后急劇下降到一個恒定的或者是增長極為緩慢的故障率。

圖3 其他類型的磨損曲線

根據系統可靠性的相關理論,評價設備和部件可靠性的指標通常包括[5-7]:(1)反映系統或部件使用壽命一類指標,即通過建立失效概率密度及分布函數,以失效時間Tr描述失效事件發生前的工作時間(即使用壽命)。(2)反映部件可靠性水平的可靠度指標,記為可靠度R(t)或不可靠度R′(t)。(3)反映部件或系統故障狀態的故障率指標,被稱為失效率h(t)。這3類評價指標均是從不同角度對系統部件可靠性水平的刻畫,其本質是相同的,并且可以通過表1所示的公式進行相互轉換[7]。這也說明,針對不同類型的部件建立的可靠性評價指標,可以將其統一,以便于計算系統整體的可靠性水平。

表1 系統可靠性指標轉換關系[7]

2 內燃機車系統可靠度評價模型

鐵路內燃機車是機電一體化的系統,按照其結構和功能,可以劃分為柴油機及輔助裝置、整流裝置、主發電機及牽引電機系統、車體及走行系統、空氣制動系統、電氣及儀表系統、微機控制系統和空調采暖系統等8個部分。由于機械、電子設備在磨損規律和可靠性水平方面的差異,其可靠性評估需要綜合考慮這些關鍵設備的影響。

若從內燃機車系統功能的角度出發,各個關鍵子系統和功能模塊相互關聯,共同保證機車系統的有效運行,因而構成了一類串并聯混合的系統結構。本文針對這類系統體系結構特點,提出機電一體化系統的可靠性評價方法和模型,將評價過程劃分為兩個部分:第一階段基于功能的系統結構和模塊的劃分;第二階段是基于部件可靠性的內燃機車系統整體可靠性計算。

2.1 內燃機車系統的關鍵模塊劃分

為了更清晰地了解上述各重要功能系統間的邏輯關系,圖4給出了內燃機車重要功能系統可靠性結構框圖。

內燃機車系統可靠性框圖從系統功能的角度,描述了各關鍵子系統和部件的邏輯關系,并將其作為計算系統整體可靠性的依據。

2.2 基于部件可靠性的內燃機車整體可靠性評價

內燃機車系統中機械系統、電力系統、電氣系統的磨損規律和損耗原理差別較大,通常情況下,部件設備的可靠性水平或平均壽命均表現為一類隨時間變化的隨機變量,服從于特定的概率分布,而這種規律一方面可以由部件設備的生產廠商提供,另一方面也可以由維修部門根據歷史數據統計分析得到。根據前面的分析,描述不同部件可靠性的3類方式,只要獲得失效時間的分布函數、可靠度函數和故障率函數中的任何一個,就能夠通過轉換公式將其統一,以此計算系統整體的可靠性水平。

圖4 內燃機車重要功能系統可靠性框圖

假設內燃機車系統具有N個關鍵子系統,每個子系統具有Mi(i∈N)個部件,每個部件m∈Mi的失效屬于獨立的隨機事件,失效時間的概率密度函數表示為f m(t)。那么根據串聯結構系統的可靠度計算公式,則子系統i從t=0時刻開始,在t=T時刻的可靠性水平為Ri(T)=。而根據圖4所示,由若干關鍵子系統組成的內燃機車系統整體可靠度可以表示為:

由公式(1)可知,當子系統數量和部件數目較大時,系統整體可靠度數值將顯著降低,并趨近于0。更為一般的情況是在實際評估內燃機車系統整體的可靠性水平時,各關鍵子系統的影響并不相同,在內燃機車系統中的地位和重要性也有差異。因此,為表現不同子系統對系統總體可靠性水平貢獻的差異,可以進一步考慮引入權重系數,表現各子系統相對于機電系統整體的重要程度。

在公式(2)中,當子系統的權重系數αi=1時,其可靠度為 R*i(T)=Ri(T)αi=Ri(T);當 αi=0 時,R*i(T)=Ri(T)αi=1。在處理具體問題時,每個子系統的權重系數αi可以采用專家評判或者其他方法加以確定。

3 算例分析

以內燃機車F為例,若大修周期為T=90萬km,假設在T時刻系統中各部件的可靠度(可根據部件壽命曲線、可靠度曲線等計算)如表2所示,則此時系統總體可靠度水平的計算方法如下。

大修周期T=90萬km時,各個關鍵子系統的權重系數均為 1的情況下,系統總體可靠度為:Rs(t)=R1(t)?R2(t)?R3(t)?R4(t)?R5(t)?R6(t)?R7(t)=0.601 9。

表2 T時刻系統各部件的可靠度

表3 無備份情況下可靠度指標

根據以上計算結果,可知:(1)內燃機車系統整體可靠性水平是由其關鍵子系統的可靠性水平共同決定的。(2)模塊化的內燃機車系統關鍵子系統數量和部件規模決定了系統整體可靠性水平,數量越多,則出現問題的幾率也越大。在某個T時刻,其系統總體可靠性水平也隨著部件規模的增加而降低。(3)針對內燃機車關鍵子系統的部件,可以根據其不同類型確定相應的壽命曲線、故障率曲線,并統一轉化為基于時間的可靠性評價指標,以此作為系統可靠度計算的依據。

4 結束語

以可靠性為中心的維修思想正逐步得到鐵路機車車輛維修部門的重視,而對內燃機車系統整體可靠性評價則成為維修理論研究首先要解決的問題。本文從內燃機車系統的功能特點和結構劃分入手,確定了內燃機車關鍵子系統的可靠性框圖,提出了基于部件可靠度到系統可靠度,利用串并聯系統關系建立了內燃機車系統整體可靠度評價模型,并結合算例給出一種系統可靠度的計算方法。

[1]董錫明.機車車輛維修理論與發展[J].鐵道機車車輛,2004,24(2):50-55.

[2]董錫明.我國鐵道機車車輛可靠性工程研究[J].中國鐵路,1996,(1):9-12.

[3]董錫明.機車車輛故障與可靠性分析[J].鐵道機車車輛,2004,24(6):42-47.

[4]嚴云升.鐵道機車車輛電子產品的RAMS[J].機車電傳動,2003,(6):1-4.

[5]賈希勝,賈云獻,溫 亮.以可靠性為中心的維修及其模型支持[J].軍械工程學院學報,2004,16(1):15-18.

[6]Patrick D.T.O'Connor Practical Reliability Engineering Fourth Edition[M].北京:電子工業出版社,2005.

[7]郭永基.可靠性工程原理[M].北京:清華大學出版社,2002.