低地板有軌電車可靠性技術的規劃和應用

■ 施青松

施青松：南車南京浦鎮車輛有限公司，副總經理，總工程師，江蘇 南京，210031

1 概述

低地板有軌電車是城市軌道交通工具的一種，尤其100%低地板有軌電車，以其節能、環保、投資較小、載客量適中、乘坐舒適性較好、后期維護費用較少等優點，迅速吸引了國內城市的關注和研究。作為產品基本質量目標之一，可靠性在軌道車輛的設計過程中越來越受到重視。探討在低地板有軌電車中如何規劃可靠性活動，以實現可靠性與設計的有效結合，提高車輛可靠性水平，增強產品競爭力。

1.1 低地板有軌電車發展現狀

低地板有軌電車是指地板面距軌面高度在350～400 mm以下的軌道交通車輛[1]，經歷了3個發展階段：部分低地板、70%低地板和100%低地板。車輛入口高度低，不需設置高站臺，軌道可直接鋪設在路面上，或利用原來有軌電車軌道，車輛能夠通過半徑很小的曲線，適應于城市地面路況，可顯著降低線路造價[1]。

20世紀80年代以來，低地板有軌電車在城市軌道交通中取得了快速發展，幾乎遍布歐洲大陸，以及加拿大、美國、澳大利亞、日本等國家和地區。在國內，隨著經濟的發展及社會活動的逐漸豐富，城市對交通流暢和節能減排的要求日益迫切，低地板有軌電車的自主研發正悄然進行，已逐漸成為城市公共交通市場的發展趨勢。目前，沈陽100%低地板有軌電車已于2013年8月正式開通運營，而南京、蘇州、上海、天津、北京、廣州等眾多城市有軌電車線路也已建成或正在建設。在未來10～20年，開行現代有軌電車將是國內諸多城市發展公共交通的智慧選擇。

1.2 可靠性理論發展現狀

可靠性是產品在規定條件下和規定時間間隔（t1，t2）內完成規定功能的能力[2]。20世紀60年代，可靠性工程進入了蓬勃發展階段，逐漸形成一門學科，以后逐步擴展到維修性和安全性，分別成為一門獨立學科，在各領域得到了廣泛應用。但在軌道交通行業起步較晚，且缺乏系統性和完整性，隨著科學技術的發展和市場競爭的需要，現代軌道交通系統的可靠性、可用性、可維護性及安全性方面工作逐漸得到重視，也日趨成熟。

1999年歐洲發布了EN 50126《鐵路應用 可靠性，可用性，可維護性和安全性技術條件和驗證（RAMS）》，2002年該標準上升為IEC 62278《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）規范及示例》，促進了RAMS工程在軌道交通系統中的應用和發展。2008年，我國也發布了相應標準GB/T 21562《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規范和示例》，對我國軌道交通裝備RAMS水平的提高起到了極大的推動作用。

2 可靠性技術的規劃與應用

低地板有軌電車的設計決定了其固有可靠性，因此，可靠性工作在設計、研制階段就應得到充分重視?？煽啃怨ぷ骰蛐问街饕锌煽啃苑峙洹⒐δ芄收夏Ｊ?、影響及危害度分析（FMECA）、硬件故障模式、影響分析（FMEA）、可靠性方框圖（RBD）分析、故障報告、分析及糾正措施系統（FRACAS）等。以滿足顧客規定的可靠性指標為牽引，將可靠性工作的關鍵步驟劃分為：（1）可靠性分配；（2）可靠性控制；（3）可靠性預測；（4）可靠性驗證。

2.1 可靠性工作前提

2.1.1 明確故障定義

開展可靠性工作首先要了解用戶提出的可靠性要求。可靠性要求分為定性和定量兩種。定性要求是用一種非量化的形式設計、評價和保證低地板有軌電車的可靠性性能；定量要求即是用戶規定的低地板有軌電車可靠性指標及其相應的驗證方法。重點討論如何保證、滿足用戶提出的可靠性定量要求，即可靠性指標。

可靠性指標是用戶根據系統需求提出的、作為評定車輛保持特定性能能力的標準。評定對象不同，可靠性指標值也會不同。因此，首先應了解可靠性指標適用的對象及范圍，即故障的定義。

低地板有軌電車故障定義主要分為兩類：運營故障和內在故障。內在故障囊括了車輛運用中發生的所有故障，包括檢修中發現的故障，使用參數平均無故障時間（MTBF）進行考核；運營故障根據故障對運營的影響又劃分為延誤（正線上停車時間超過5 min）、未出庫（晚投入運營時間超過5 min）、掉線（車輛退出商業運營）、清客（需要疏散乘客，車輛空車返回車輛段）、救援（需要另外車輛將故障車輛拖回車輛段）等，使用參數平均無故障距離（MDBF）進行考核。

2.1.2 車輛功能分解

車輛功能分解是開展所有可靠性工作的前提和基礎，根據技術規格書中規定的設備功能，將整車劃分為十個子系統（見表1），以便可靠性指標的分配和實現。

2.2 可靠性分配

低地板有軌電車設計初期，設計人員會制定產品的總體框架，以將顧客要求轉化為產品的總體方案和系統技術方案，此時應同步開展可靠性指標分配工作，即將整車可靠性指標按照給定準則逐級分配，使得各級設計人員和各供應商在早期明確可靠性設計要求，設計時予以全面考慮，從而保證整車的可靠性水平。這是一個從大到小、自上而下的分解過程，應考慮車輛各組成單元的重要程度、故障率、使用環境、工作模式等因素[3]。

根據可靠性數據的統計量、設計的不同階段及限制條件的不同，常用的分配方法有：等分配法、評分分配法、比例組合法。工程實際中，應綜合應用各種方法，并兼顧產品的設計方案、工藝水平、元器件和原材料水平、貨架產品現狀、供應商能力等，經反復試算、迭代，才能完成一個復雜系統的分配。

低地板有軌電車主要參照國內外相似項目的運營統計數據，采用比例組合法對低地板有軌電車開展可靠性指標分配，將整體指標分配至每個子系統。

表1 車輛功能分解

2.3 可靠性控制

隨著低地板有軌電車設計的拓展和深入，設計人員對產品的一級大部件或系統的設計進行細化，但此時各零部件設計尚未完成，沒有詳細的零部件明細表，可采用FMECA對車輛的功能原理開展分析，列出車輛各項功能的所有故障模式，分析可能導致某項功能故障模式的原因及其影響，自上而下，識別方案中可能影響車輛運營可靠性及安全性的薄弱環節。

應用FMECA的優點：（1）通過分析各子系統的功能故障模式，將可靠性指標分配至各故障模式，實現設備及電路的可靠性指標控制；（2）可識別每項功能可能影響運營的關鍵故障模式，有針對性地制定措施，避免或預防此類故障的發生；（3）得到的功能故障模式還可作為后期開展可靠性定量分析的頂事件。

2.4 可靠性預測

隨著設計的進一步細化和信息量的不斷擴大，產品層次定義更加明確，已具備了原理圖、裝配圖或其他資料等，此時宜采用RBD分析、硬件故障模式、FMEA方法開展可靠性預測工作，主要識別低地板有軌電車設計中元件或零部件的弱點，制定糾正措施，并對車輛可靠性水平做出評估。

2.4.1 RBD分析

RBD分析是根據低地板有軌電車各組成單元間的邏輯關系，用方框圖構建各組成單元故障導致車輛故障的邏輯圖，經過分析，生成致力于車輛運營可靠性的路集，得到可靠性關鍵件，并開展整車運營可靠性的定量分析。

由于低地板有軌電車是一個結構較為復雜、功能多樣的系統，若直接以車輛為目標進行RBD分析，生成的邏輯圖邏輯關系較為復雜，不易理解。為了避免RBD分析的這一局限性，可與FMECA相結合。通過FMECA分析識別出所有影響運營可靠性及安全性的功能故障模式，針對這些故障模式，逐一建模，簡化整車定量分析，邏輯較為清楚，易于理解。

低地板有軌電車RBD分析常用模型有：串聯模型和并聯模型。串聯模型即在一個系統中，任何一個單元（子系統或零部件）發生故障，都會導致整個系統發生故障；并聯模型即在一個系統中，組成系統的所有單元同時工作，只要有其中一個還工作，則整個系統就能完成規定的功能[3]。實際分析中應將兩種模型綜合應用。

2.4.2 硬件FMEA分析

硬件FMEA分析是根據車輛每個元件或零部件的故障模式，分析可能導致該故障模式的原因及其影響。與FMECA相比，硬件FMEA較為嚴格明確，一般從元器件級直至裝備級，自下而上，分析單個部件故障對子系統及車輛運營可靠性及安全性的影響，得到的是單點故障模式，可與RBD分析的結果互為補充。

2.5 可靠性驗證

車輛交付后，用戶會要求根據現場故障情況開展可靠性指標驗證工作，證明車輛的實際可靠性水平能否滿足前期合同規定的要求?？煽啃则炞C工作是一項比較復雜、耗費較大而又重要的工作，直接決定了車輛能否順利通過質保及質保金的收回。因此，現場發生故障的及時改進及實現可靠性的持續增長尤為重要。

為了便于驗證工作的順利開展，低地板有軌電車可靠性工作應要求建立故障報告、分析及糾正措施系統（FRACAS系統），記錄現場發生的故障，統計、計算、分析車輛及設備的故障信息，了解車輛及其各子系統、主要設備的實際可靠性水平。

FRACAS系統是通過對工作流程的有效控制及管理來實現對故障的有效閉環管理，工作流程見圖1[4]。

FRACAS系統的本質是對故障進行閉環管理，根據其工作流程及特征，FRACAS系統還可用于：

（1）為建立公司故障模式庫提供數據支撐。將FRACAS系統中收集的系統性故障、重大故障納入公司故障模式庫進行管理，并作為新項目的設計輸入，設計人員在設計初期就制定針對性強的措施，避免或減少故障的再次發生，從源頭上提高低地板有軌電車的可靠性。

（2）為建立公司元器件故障率庫提供數據支撐。故障率數據是可靠性分析和評估的基礎，目前數據來源有三種：源于數據庫的歷史數據；實驗室的試驗結果；現場故障信息統計結果。第三種數據最能說明產品的可靠性特征，已逐漸成為數據來源的主要趨勢[5]。

2.6 可靠性技術實施程序

綜上所述，在低地板有軌電車項目周期中，可靠性工作的實施程序、相應的工作內容及技術應用見圖2。

圖1 FRACAS工作流程

圖2 可靠性工作實施程序、相應的工作內容及技術應用

3 結束語

市場經濟以用戶為導向，贏得用戶才能占領市場，可靠性工作是提高車輛設計制造、運營水平和用戶滿意度的重要基礎。因此，在項目執行初期就應做好可靠性工作的規劃，關注各項工作的性質、作用、內容及相互間的關聯，使得可靠性工作與設計同步、匹配，將可靠性要求落實到設計中，切實提高產品的可靠性水平，創造更大的經濟和社會效益。

[1]趙大斌，任利惠．70%低地板輕軌車輛的型式比較[J]．城市軌道交通研究，2007(4)：29-33．

[2]GB/T 21562—2008 軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例[S]．

[3]董錫明．軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M]．北京：中國鐵道出版社，2009．

[4]GJB 841—1990 故障報告、分析和糾正措施系統[S]．

[5]顧文娟，薛淑勝．故障報告、分析及糾正措施系統在列車壽命周期內的應用[J]．城市軌道交通研究，2010(10)：74-76．