制動(dòng)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法研究

王孝延，朱士友，樊貴新，焦 毅

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京100081）

地鐵與輕軌

制動(dòng)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法研究

王孝延，朱士友，樊貴新，焦 毅

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京100081）

以制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和可靠性工程的現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)理論設(shè)計(jì)了制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行考核計(jì)劃。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行考核情況，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的故障進(jìn)行了記錄和統(tǒng)計(jì)，采用點(diǎn)估計(jì)的形式評(píng)估了制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性水平。同時(shí)，采用威布爾分布參數(shù)估計(jì)的方法，得出了制動(dòng)系統(tǒng)的壽命分布函數(shù)。

城軌列車；架控；制動(dòng)系統(tǒng)；可靠性；試驗(yàn)

根據(jù)可靠性工程的理論，威布爾分布是一種適用性廣泛的分布類型。根據(jù)形狀參數(shù)的不同，它可以分別描述早期失效、偶然失效和耗損失效3種失效類型，可以用威布爾分布作為制動(dòng)系統(tǒng)的壽命分布函數(shù)。衡量可修復(fù)產(chǎn)品的可靠性水平，一個(gè)很重要的參數(shù)就是平均無(wú)故障時(shí)間T。當(dāng)總體的分布函數(shù)形式已知，但它的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)未知時(shí)，可以借助總體的一個(gè)樣本構(gòu)造某個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)估計(jì)未知的總體分布參數(shù)的問(wèn)題就是點(diǎn)估計(jì)的問(wèn)題，所構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)量稱之為點(diǎn)估計(jì)。本文擬以應(yīng)用在廣州地鐵3號(hào)線北延段列車上的國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)EP09為例，探討通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)，根據(jù)威布爾分布的點(diǎn)估計(jì)方法，評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)分布參數(shù)的方法。

廣州地鐵3號(hào)線北延段列車為6輛編組，采用由2個(gè)動(dòng)力單元組成的6輛編組列車，即－A＋B＋C＝A＋B＋C－。國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)的氣路和制動(dòng)系統(tǒng)由供風(fēng)裝置、輔助控制裝置、制動(dòng)控制裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、升弓裝置、懸掛裝置和連掛裝置等組成。其中與制動(dòng)功能最為密切的是供風(fēng)裝置、制動(dòng)控制裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。

1 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案

可靠性試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的一種手段，可靠性試驗(yàn)可以是試驗(yàn)室試驗(yàn)，也可以是使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)室試驗(yàn)（laboratory test）是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬實(shí)際使用條件或在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下進(jìn)行的試驗(yàn)。大多數(shù)裝備是在不同的、比較復(fù)雜的環(huán)境條件下使用的。產(chǎn)品在不同的環(huán)境下使用時(shí)，可靠性不一定相同。使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（field test）是在實(shí)際使用狀態(tài)下所進(jìn)行的試驗(yàn)。在試驗(yàn)室試驗(yàn)中，顯然不可能去模擬各種使用環(huán)境。因此，從原理上說(shuō)，使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)茏钫鎸?shí)地反映產(chǎn)品的實(shí)際可靠性水平。

根據(jù)用戶需求文件《廣州市軌道交通3號(hào)線北延段車輛采購(gòu)項(xiàng)目用戶需求書(shū)》的第十八章可靠性和可維修性的要求，以及車輛廠需求文件《GZML3E空氣制動(dòng)系統(tǒng)采購(gòu)技術(shù)規(guī)范》，用戶的可靠性主要要求如下：

平均無(wú)故障時(shí)間T為3 000 h。

在進(jìn)行列車可靠性計(jì)算中將采用以下公式：

T1為列車運(yùn)行的時(shí)間總和；N1為在T1時(shí)間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)。

制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行考核的目的是驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。本次運(yùn)行考核的車輛運(yùn)行概況見(jiàn)表1。

為了對(duì)可靠性真值做出估計(jì)，同時(shí)為了使試驗(yàn)總時(shí)間可控，必須選擇定時(shí)截尾試驗(yàn)方案。為了同時(shí)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)和部件做出估計(jì)，必須以試驗(yàn)時(shí)間最長(zhǎng)的部件為試驗(yàn)計(jì)劃制定的依據(jù)。本次投入試驗(yàn)的樣本為1列6輛編組的列車，根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)供貨范圍，可用樣本數(shù)量見(jiàn)表2。

樣本個(gè)數(shù)與試驗(yàn)總時(shí)間成反比。根據(jù)可用樣本清單，需要以制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)時(shí)間為依據(jù)制定試驗(yàn)計(jì)劃。根據(jù)《GJB 899-2009可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》，總試驗(yàn)時(shí)間可控的定時(shí)試驗(yàn)方案如表3所示。

用戶給出了T檢驗(yàn)下限θ1，未給出T檢驗(yàn)上限θ0，即可認(rèn)為θ0為無(wú)窮大，因此可以選擇鑒別比較大的方案，本文選擇方案16的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，其生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)α為10%，使用方風(fēng)險(xiǎn)β為20%。本次驗(yàn)證測(cè)試計(jì)劃有關(guān)的參數(shù)計(jì)算如表4所示。

考慮到驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中可能發(fā)生故障并進(jìn)行修復(fù)所耗費(fèi)的時(shí)間和其他不可預(yù)見(jiàn)因素耗費(fèi)的時(shí)間，整個(gè)驗(yàn)證測(cè)試周期估算為32個(gè)月，驗(yàn)證測(cè)試預(yù)計(jì)從2011年3月5日～2013年11月5日。如果開(kāi)始第1列車的驗(yàn)證測(cè)試32個(gè)月后，沒(méi)有達(dá)到表中t總所代表的總驗(yàn)證測(cè)試時(shí)間，也視為驗(yàn)證期達(dá)到。

可靠性驗(yàn)證測(cè)試的工作條件和環(huán)境條件盡可能接近實(shí)際使用條件。試驗(yàn)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行，并盡量避免不具有代表性的極端或特殊線路條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行需求選擇功能模式，如車輛起動(dòng)、正常運(yùn)行、常用制動(dòng)及緊急制動(dòng)等。

驗(yàn)證測(cè)試所用的外部電源，如空壓機(jī)供電電源及DC 110 V電源和緊急環(huán)路供電滿足制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范；總風(fēng)壓力為750 kPa～1 MPa，滿足制動(dòng)系統(tǒng)的使用環(huán)境條件。

電負(fù)載和機(jī)械負(fù)載是影響受試制動(dòng)系統(tǒng)的主要負(fù)載形式，本次制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行考核要求牽引系統(tǒng)按照技術(shù)規(guī)范的典型要求發(fā)揮電制動(dòng)力，電空制動(dòng)按照預(yù)定的電空配合方案進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。基礎(chǔ)制動(dòng)按照列車的配置全部投入使用，不得存在關(guān)門車。

在運(yùn)行考核期間，按照制動(dòng)系統(tǒng)使用說(shuō)明書(shū)和大修規(guī)程的要求，定期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)防性維修。達(dá)到總測(cè)試時(shí)間后，接收和拒收標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

當(dāng)累計(jì)的總測(cè)試時(shí)間達(dá)到，就可中止可靠性驗(yàn)證測(cè)試。如果達(dá)到可接收標(biāo)準(zhǔn)則接收測(cè)試結(jié)果；否則得出拒收結(jié)果。當(dāng)累計(jì)的總測(cè)試時(shí)間未達(dá)到，發(fā)生的責(zé)任故障數(shù)≥4個(gè)，達(dá)到了拒收標(biāo)準(zhǔn)，在雙方同意的條件下，也可以中止可靠性驗(yàn)證測(cè)試，得出拒收結(jié)論。

在可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中遇到的故障，可以把它們分為相關(guān)故障，非相關(guān)故障和責(zé)任故障，判斷流程見(jiàn)圖1。

在可靠性驗(yàn)證測(cè)試期間和磨合期間，實(shí)施故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）管理。不管何時(shí)發(fā)生故障，需迅速展開(kāi)故障調(diào)查，盡快研究和采取糾正措施，并跟蹤、記錄所發(fā)生的故障和缺陷，做故障評(píng)估，制定糾正措施，以保證得到有效的糾正。

2 制動(dòng)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)

2011年3月5日～2013年11月5日，裝有國(guó)產(chǎn)化架控制動(dòng)系統(tǒng)的廣州地鐵3號(hào)線列車（編號(hào)087088）在用戶、車輛廠和制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商的參與下進(jìn)行了載客運(yùn)營(yíng)考核，為本文的研究提供了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。運(yùn)行評(píng)估大致可以劃分為3個(gè)階段，每個(gè)階段的運(yùn)營(yíng)時(shí)間及合計(jì)結(jié)尾時(shí)間見(jiàn)表6。

編號(hào)為087088的列車在上述運(yùn)營(yíng)考核期間，按照廣州地鐵的檢修規(guī)程，由廣州地鐵及制動(dòng)廠家檢修人員共同對(duì)其進(jìn)行日檢、周檢、月檢、半年檢及年檢。所有正線運(yùn)營(yíng)及檢修中發(fā)現(xiàn)的故障，均填寫(xiě)故障報(bào)單，并定期進(jìn)行匯總。根據(jù)取自廣州地鐵的故障匯總文件，該車運(yùn)營(yíng)考核期間發(fā)生的故障如表7所示。

由于所有責(zé)任故障都會(huì)增加制動(dòng)系統(tǒng)的維修工作量和維護(hù)成本，因此故障數(shù)nf取3，根據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，責(zé)任故障數(shù)小于判斷故障數(shù)。因此，可接受原假設(shè)，即本批次制動(dòng)系統(tǒng)從可靠性角度可以接受。

則平均故障間隔時(shí)間的點(diǎn)估計(jì)為：

根據(jù)責(zé)任故障數(shù)3，以及生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)α＝10%，使用方風(fēng)險(xiǎn)β＝20%，則推薦的置信度為C＝80%，計(jì)算得到參數(shù)

根據(jù)參數(shù)C′查閱GJB 899A得制動(dòng)系統(tǒng)T的置信下限系數(shù)，與T的點(diǎn)估計(jì)相乘后得到T估計(jì)下限為：

同理，計(jì)算得置信上限為：

由此可以得出結(jié)論，對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行考核的結(jié)果，制動(dòng)系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間的區(qū)間估計(jì)為［2 013.2，12 204.4］h，點(diǎn)估計(jì)為4 483.3 h，大于用戶要求的3 000 h的要求，因此國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性可以滿足用戶的使用要求。

以下求解制動(dòng)系統(tǒng)的故障率分布函數(shù)，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)和可靠性工程，機(jī)電產(chǎn)品的故障服從威布爾分布，設(shè)制動(dòng)系統(tǒng)的失效密度函數(shù)為：

根據(jù)實(shí)際，中繼閥的最小壽命為0，即威布爾分布的位置參數(shù)γ為0。

以下用極大似然估計(jì)法估計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)的壽命分布函數(shù)的參數(shù)，似然函數(shù)為：

將n＝3，r＝3以及故障發(fā)生時(shí)刻ti代入上式并編程迭代后得方程的最佳解為：

則制動(dòng)系統(tǒng)的故障率函數(shù)為：

故障率曲線如圖2所示。

根據(jù)故障率曲線可以看出故障率呈下降趨勢(shì)，因此國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)處于浴盆曲線的早期故障期，隨著磨合過(guò)程的完成，制動(dòng)系統(tǒng)的故障率將逐步下降并趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

探討了一種通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)，根據(jù)威布爾分布的點(diǎn)估計(jì)方法，評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)的分布參數(shù)的方法。

從國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行考核情況可以看出，制動(dòng)系統(tǒng)的故障以機(jī)械故障為主，提高制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性應(yīng)該優(yōu)先考慮提高基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的可靠性；從制動(dòng)系統(tǒng)的壽命數(shù)據(jù)參數(shù)估計(jì)可以看出，運(yùn)營(yíng)考核期間，制動(dòng)系統(tǒng)的故障類型以早期故障為主，根據(jù)浴盆曲線的理論，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)充分磨合后，故障率將進(jìn)一步降低并趨于穩(wěn)定。

［1］ 朱士友.架控制動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2012.32（03）：80-83.

［2］ 曾聲奎，趙廷弟，等.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［3］ Relex Software Co.＆Intellect著.陳曉彤，等譯.可靠性實(shí)用指南［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

Research on Reliability Test Method for Bogie-controlling Brake System

WANG Xiaoyan，ZHU Shiyou，F(xiàn)AN Guixin，JIAO Yi
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Operational assessment plan was set up based on the statistics and reliability engineering theory for domestic bogie-controlling brake system.Failures were recorded and analyzed.Reliability level of domestic bogie-controlling brake system was calculated by means of point estimation.Life distribution function was analyzed through the method of Weibull distribution parameter estimation.

metro train；bogie-controlling；brake system；reliability；test

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.15

1008－7842（2014）06－0062－04

2—）男，助理研究員（

2014－04－13）