接觸網RCM維修策略研究

關金發,吳積欽,王旭東,王 偉

接觸網RCM維修策略研究

關金發,吳積欽,王旭東,王 偉

(西南交通大學電氣工程學院,成都 610031)

現行的接觸網運營維修模式是按固定周期檢測、按設備狀態維修,隨著電氣化鐵路運營的日益繁忙,接觸網的天窗時間少,維修的工作時間也就少,為保持接觸網向電氣列車持續供電功能,要在有限時間完成維修任務,需要投入大量的人力物力執行維修計劃,這種運維模式日益暴露出其不足。提出一種以可靠性為中心維修(RCM)的接觸網維修策略,根據RCM方法結合接觸網的特點,建立接觸網RCM組成架構、數據流模型,然后給出接觸網RCM決策的流程,由接觸網RCM決策機構制定接觸網的維修計劃,意在減少維修項目,節省維修成本,提高維修效率。

電氣化鐵路;接觸網;維修策略;RCM;主動維修

標準IEC 60300-3-11《可信性管理—Part3-11:應用指南—以可靠性為中心的維修》中給出RCM的定義,RCM(Reliability-Centered Maintenance)即以可靠性為中心的維修,是一種辨識和篩選故障的管理策略,能夠有效地滿足系統運行的安全性、可用性和經濟性。故障管理策略包括維修活動、作業改變、設計修改或其他活動,其目的是根除故障后果[1]。RCM最早應用在商業活動是在20世紀60年代末期,成熟應用是在ATA MSG-3美國航空系統,此后RCM被各大行業所使用,如核工業、海航工業、化工業、石油工業等。RCM在鐵路上的應用也是越來越多,如歐盟的2000-RD.10810研究項目“通過提高鐵路基礎設施的可靠性來確保鐵路的安全性”,具體研究內容是RCM方法在鐵路基礎設施和后期保障管理中的應用[2]。

現行接觸網的檢修方式是按固定周期檢測、按設備狀態維修。根據鐵道部發布的《高速鐵路接觸網運行檢修暫行規程》里的內容,接觸網的維修巡視按固定周期進行[3],如表1所示。

表1 接觸網巡檢項目及周期

這種維修模式需要投入大量的人力、財力和物力,才能保持或接近接觸網的固有可靠性,隨著電氣化鐵路快速發展,這種人力和物力的投入也必須保持同步增長,而且隨著電氣化鐵路運輸的日益繁忙,鐵路運輸能夠提供的天窗時間與接觸網維修的工作量的矛盾也日益突出。上述只是現行接觸網檢修方式的一部分不足,從一定程度上說明現行接觸網檢修方式已不太能符合接觸網的維修管理現狀。

關于接觸網運營維修檢修的文獻有很多,如:方天濱提出客運專線綜合維修天窗開設的時間研究[4];胡曉悅提出一種對比接觸網檢測值與限制的專家系統[5];李雪提出一種求解最優接觸網維修計劃的混沌自適應進化算法[6]等。文獻[4-5]是采取一定手段優化現行接觸網的檢修方式,文獻[6]是用一種數學方法研究接觸網的運維模式,該方法在工程實際難以開展。

將RCM方法應用到接觸網專業已開展了一些研究,商奇志提出以RCM為指導的接觸網設備維修策略[7];詹廣振提出通過對設備的可靠性進行監控來優化維修時間[8]。雖然文獻[7- 8]已經試探性地把RCM的概念引入到接觸網的維修檢修中,但尚未給出一個完整的接觸網RCM維修策略。論文提出一種以RCM為研究方法的接觸網維修策略,是與以往的周期檢測、狀態維修不同的維修模式,可以提高接觸網的運行效率,節省維修成本,對優化接觸網的運維管理有積極意義。

1 接觸網RCM的組成及維修項目分類

美國宇航總署(NASA)的RCM包括了預防性維修、預測性測試和檢測、修理(也叫修復性維修)和主動性維修等一系列維修優化方法,目的是在滿足系統或設備需要的可靠性和可用性前提下,通過減少系統或設備生命周期內的維修和停機時間,以達到增加系統或設備的使用率,減少生命周期費用的效果[9]。參考NASA的RCM結構,結合接觸網的特點,給出接觸網RCM的基本組成如圖1所示。

接觸網RCM是以主動維修為主,非主動維修為輔的一套維修策略。主動維修是基于周期維修和檢測與監測維修的,利用FMECA和FRACAS等方法,建立以接觸網的設備或結構的狀態水平和關鍵度為基準的維修管理辦法。其中周期維修的維修項目主要是故障模式以磨耗為主的或故障模式已經確定的故障,如:檢修棘輪補償器,根據接觸網檢修工藝[10]中規定,棘輪的故障模式是ab值不符合標準、補償繩存在斷股散股或卡滯、棘輪卡滯、制動裝置不工作、墜砣破損等。檢測與監測維修主要是以隨機故障的維修項目,如:某根吊線斷股、某根電連接松脫、某個絕緣子破裂,某組腕臂的零件松脫等,這些故障可以通過檢測或監測的手段事先發現故障的征兆,預先維修,避免故障后產生的不良后果。檢測與監測維修還包括周期維修的大部分維修項目,如:支持裝置的檢修,可以通過作業車拍攝圖片的方式,對比以往數據,找出支持裝置有問題的地方,組織維修。非主動維修主要包括故障后維修和設備的更新,如:外界異物把接觸線拉斷導致鐵路運輸中斷,這種故障是突發性的,此時接觸網RCM應馬上組織搶修隊伍,針對預先制定的接觸網斷線搶修方案組織接觸線的搶修。非主動維修也不是完全不能預測的,接觸網的RCM應分析引起故障后維修的故障原因,通過一些糾正行動,避免同類故障的再次發生,或指定此類故障的搶修方案,以作備用。

圖1 接觸網RCM方法的組成部分

2 接觸網RCM數據流

接觸網RCM由上述幾方面內容組成,但這些內容絕不是簡單的拼湊就能完成一個維修策略的,接觸網RCM需要建立一個判斷決策機構來組織和執行相關的維修任務,首先應把握接觸網RCM的輸入輸出數據,如圖2所示。

圖2 接觸網RCM輸入輸出數據

接觸網RCM的輸入數據有設計施工資料、經驗數據、試驗數據和現場數據。設計施工資料包括接觸網設計和施工階段所有有關接觸網維修的資料,如接觸網的技術指標、接觸網的地理信息系統、接觸網的結構等,這些資料對建立接觸網的RCM模型尤為重要。經驗數據指的是既有的維修方式和檢修工藝,如:運行檢修暫行規程中對檢測監測的周期規定及內容。試驗數據包括了線路試驗、實驗室試驗、計算機仿真,這些數據對分析接觸網故障,尋找故障原因,根除故障隱患尤為重要。現場數據是來自現場維修時記錄的數據,包括現場環境和設備狀態,如:檢修接觸網接地裝置時,發現接地線夾有松脫跡象立即維修并記錄下損壞的情況。

接觸網RCM的輸出數據有接觸網反饋數據、狀態數據、主動或非主動維修計劃。反饋數據主要把維修時的環境條件和對日后接觸網整改有利的資料記錄下來,如:按周期維修時,維修環境的變化,可能與設計維修的環境不一致,接觸網設備可能工作在不良的狀態,在維修的同時應該把這些環境因素記錄下來,以便為日后的接觸網整改提供參考數據。接觸網設備狀態數據是提供給維修人員的參數,是指導維修的依據,在維修計劃完成后,須對設備的狀態進行評估,若達不到最低的設備功能狀態水平,則需要再次制定維修計劃,不是執行完維修計劃即完成維修任務。接觸網維修計劃,分主動維修和非主動維修,主動維修根據設備的關鍵度和設備的狀態水平來決定是否采取維修措施。非主動維修如搶修,若RCM中有預先制定好的搶修方案,可以立即開展搶修活動,若RCM中沒有預制好的搶修方案,須根據故障狀況和現場人員經驗開展相關搶修活動。

3 接觸網RCM決策流程

接觸網RCM是一個維修策略,它除了檢測監測手段外,還有故障判斷、故障原因分析,故障糾正行為和計算維修成本的功能,其中主動維修的決策流程見圖3。

圖3 接觸網RCM主動維修決策流程

根據圖3,接觸網RCM按照預先設定的主動維修周期進行設備維修和檢測監測,由RCM決策機構判斷接觸網是否需要維修,若不需要維修則繼續按周期維修和檢測,若需要維修則由RCM數據庫中調出維修項目,配備足夠的后勤保障,執行維修任務,維修后需要判斷設備的狀態是否達到規定的功能,以保持設備輸出的性能。

圖3中關鍵的單元是RCM模型和2個判斷依據。RCM模型的設計方法主要運用FMECA,FMECA是分析系統中每一產品所有可能產生的故障模式及其對系統造成的所有可能影響,并找出影響產品可靠性的薄弱環節。通過建立接觸網FMECA,列出每一種設備或結構的關鍵度,這對維修周期的確定是十分重要的。關鍵度高的設備或結構,應是檢測和監測的重要環節,此類設備性能稍有下降則需提出警報,需要提早下次檢測該設備的維修周期。對于如何建立FMECA的書籍有很多,如《系統可靠性與維修性的分析與設計》[11],這里只舉例說明,表2是接觸網部分的FMECA表格。

表2 部分接觸網FMECA表格_

接觸網RCM中對設備狀態水平應分多個評價等級,評價指標可以是設備的技術指標、外觀形狀指標或是能綜合反應設備狀態的系數,如:接觸線的狀態水平可以用接觸線高度、張力、磨耗等表示。

接觸網RCM是根據設備的關鍵度和當前、儲存狀態水平來決定是否進行維修,假設把關鍵度(Criticality)分為5個等級,每一等級的分數從低到高依次是1、2、3、4、5分。設備狀態(Status)分也分為5個等級,每一等級的分數從差到優依次是1、2、3、4、5分。

判斷是否維修有2個準則:

(1)檢測監測到當前設備狀態水平比儲存的狀態低2個級別及以上時應采取維修措施;

(2)根據圖4維修判斷矩陣中有‘’標志的,設備需要采取維修措施。

判斷準則一比二具有優先權,即,如果設備狀態滑落兩個等級及以上就需要維修,若只是滑落一個等級則根據判斷矩陣判斷是否進行維修。

圖4 維修判斷矩陣

接觸網RCM是一個維修策略,最終輸出的是維修計劃,維修計劃包括維修所需的后勤保障措施,如維修所需的機具、金具、備件等和維修的內容、方法,維修后需要驗證其是否達到規定功能的標準。

接觸網RCM是按設備的關鍵度和狀態水平制定維修周期的維修策略,如:接觸線的關鍵度是5,狀態水平是5,此時制定接觸線的維修周期為半年,但如果在下一次維修任務發現接觸線的狀態水平是4,此時應調整接觸線的維修周期為3個月,當接觸線的狀態達到5時又可以把接觸線的維修周期調整為半年。又如,一些零部件壞了完全不會影響接觸網的供電功能,其關鍵度為1,直至其故障損壞,才去維修。這樣動態的根據設備的重要性和狀態水平來調整維修計劃,能提高維修效率,節省維修成本。

4 結論

接觸網RCM是與以往接觸網運營維修模式有區別的一種維修策略,是一種動態的調整技術,旨在滿足接觸網功能性能包括可靠性、可用性、維修性、安全性等前提下,通過RCM決策機構,考慮設備的故障后果、維修成本和檢測監測設備狀態,及時調整維修周期,制定維修計劃,儲存并反饋接觸網維修數據。在設備狀態理想的情況下,延長維修周期,節省維修成本,在設備狀態不良的情況下,根據設備的重要性和故障后果,制定詳細的維修計劃,做到具體問題具體分析,優化接觸網維修管理。

[1] The British Standard.BS EN IEC 60300-3-11可信性管理—Part3-11:應用指南—以可靠性為中心的維修[S].The Standards Policy and Strategy Committee,2010.

[2] THE RAIL Consortium.Reliability centered maintenance(RCM) Approach for the Infrastructure and Logistics of railway operation [EB/OL],2002.http://arcos.inf.uc3m.es/～rail/intranet/.

[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵運[2011]10號高速鐵路接觸網運行檢修暫行規程[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[4] 方天濱.客運專線綜合維修天窗開設相關問題研究[D].北京:清華大學,2010.

[5] 胡曉悅.電氣化鐵路接觸網管理和狀態修系統的研究[J].鐵道運營技術,2009,15(4):1-3.

[6] 李雪.高速鐵路接觸網懸掛系統維修計劃的優化研究[J].鐵道學報,2010,32(2):24-30.

[7] 商奇志.電氣化鐵路接觸網設備維修策略研究[D].北京:清華大學,2008.

[8] 詹廣振.基于可靠性的接觸網檢修優化研究[D].北京:清華大學,2009.

[9] National Aeronautics and Space Administration.RCMGUIDE RELIABILITY-CENTERED MAINTENANCE GUIDE For Facilities and Collateral Equipment[EB/OL],2008.http://www.nasa.gov/ centers/hq/home/index.html.

[10]中鐵電化運營維護管理有限公司.QB/ZTYG-ZHA-187-2008-A運管公司接觸網檢修工藝(試行)[S].北京:中鐵電化運營維護管理有限公司,2008.

[11]章國棟.系統可靠性與維修性分析與設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1992.

Study on Optim ized Maintenance Strategy of Overhead Contact Line System Based on RCMTechnology

GUAN Jin-fa,WU Ji-qin,WANG Xu-dong,WANGWei
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

electrified railway;overhead contact line system;maintenance strategy;RCM; proactivemaintenance

U226.8

A

1004-2954(2013)07-0097-04

2012-11-22;

2012-11-29

鐵道部科技研究開發計劃“高速鐵路接觸網關鍵設備在線監測技術研究”(2011J017-A);國家科技支撐計劃“城軌交通基礎設施全息化移動檢測與運維關鍵技術及系統研制”(2011BAG01B04)

關金發(1986—),男,博士研究生,E-mail:kwanjinfa@ 163.com。

Abstract:Nowadays,two factors constitute the maintenance mode of overhead contact line system (OCS):inspection by fixed period,and condition-based maintenance.However,with the increasingly busy operation of electrified railways,themaintenancework time for OCShas becomes far less relatively. Moreover,for supplying power source continuously to electrified trains under this maintenance mode, there is always a need for carrying outmaintenance plan and task by great deal of human and material resourceswithin a limited time.In a word,the traditionalmaintenance mode is no longer suitable for railway development.For this reason,this paper provides a new maintenance strategy for OCS based on reliability-centered maintenance(RCM)technology.Firstly,according to RCMtechnology and combining with OCS characteristics,the RCMarchitecture and data flowmode should be setup.Next,a RCMdecision procedure forOCSshould be given,so thatamaintenance plan can beworked outby RCMdecision-making body.The new maintenance strategy for OCS can reduce maintenance items and cost, improving maintenance efficiency.