鐵路信號設(shè)備可靠性研究中的問題與解決手段

曹玉成

引言：本文提出了可靠性標(biāo)準(zhǔn)少、可靠性模型使用不當(dāng)、可靠性指標(biāo)不完善等鐵路信號設(shè)備可靠性問題，并針對這些問題深入分析，給出了相應(yīng)的解決手段和建議。為我國鐵路信號設(shè)備可靠性研究提供了新的思路。

路信號設(shè)備是保證列車行車安全的重要基礎(chǔ)設(shè)備，其可靠性的高低直接關(guān)系到行車安全和運(yùn)輸效率。與我國國防、航天工業(yè)相比，鐵路部門可靠性的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代初開始“機(jī)車車輛可靠性”研究。近些年鐵路信號設(shè)備的可靠性引起廣泛重視，但由于研究深度不夠并且缺乏實(shí)際工程化經(jīng)驗(yàn)，在鐵路信號產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、驗(yàn)收、使用、維護(hù)過程中的可靠性管理出現(xiàn)一些問題，可靠性指標(biāo)往往處于表面化，沒有實(shí)際的可靠性驗(yàn)證手段，使得我國鐵路信號產(chǎn)品的可靠性工程得不到深入開展。隨著我國鐵路高速化和信號產(chǎn)品電子化的發(fā)展，這種狀況必須盡快得到改善。

一、存在的主要問題

（一）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范過少且提法簡單

我國于20世紀(jì)60年代首先在軍工、航天行業(yè)開展可靠性研究，并依照國外可靠性標(biāo)準(zhǔn)，如美軍標(biāo)MIL系列和國際電工委員會(huì)的IEC系列，制定了大量的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，如GJB國軍標(biāo)系列和GB國家標(biāo)準(zhǔn)系列，對可靠性工程的各個(gè)階段應(yīng)做的工作及如何開展進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定。如GJB450A-2004《裝備可靠性通用要求》，規(guī)定新產(chǎn)品的全壽命周期分為4個(gè)階段：論證階段、方案階段、研制與定型階段、生產(chǎn)與使用維護(hù)階段。將可靠性工程分為可靠性及其工作項(xiàng)目要求的確定、可靠性管理、可靠性設(shè)計(jì)與分析、可靠性試驗(yàn)與評價(jià)、使用可靠性評估與改進(jìn)5個(gè)系列的工作項(xiàng)目，詳細(xì)規(guī)定在產(chǎn)品的各個(gè)階段應(yīng)該實(shí)施哪些工作項(xiàng)目，并制定其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定這些項(xiàng)目實(shí)施的具體步驟。

（二）沒有根據(jù)具體情況選擇合適的可靠性模型

過去十幾年來的鐵路設(shè)備可靠性方面的論文甚至上文提到的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，大都是將對象按照指數(shù)分布處理。在可靠性數(shù)學(xué)中，指數(shù)分布是最簡單的一種分布，其失效率λ為一常數(shù)。可靠性物理方面的研究表明，電子類產(chǎn)品的失效機(jī)理以偶然失效為主，在經(jīng)過環(huán)境應(yīng)力篩選剔除早期失效后，失效率基本為一常數(shù)，并沒有出現(xiàn)明顯的耗損失效期。而機(jī)械類產(chǎn)品的故障機(jī)理以疲勞耗損性失效為主，具有明顯的累積效應(yīng)，隨著時(shí)間的推移、使用的增加，其失效率逐步上升，此時(shí)就不能認(rèn)為產(chǎn)品的可靠性模型是指數(shù)分布。

在可靠性的實(shí)際工作中，如果要抓住整機(jī)故障的大致趨勢，可以最大限度地簡化后使用指數(shù)分布處理。但要分析各個(gè)故障模式的性質(zhì)，特別是其發(fā)展趨勢，必須采用其他適合的模型處理。

（三）提出的可靠性指標(biāo)不夠全面

可靠性指標(biāo)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，是考核驗(yàn)收的依據(jù)，應(yīng)和其他功能性指標(biāo)一道列入產(chǎn)品的合同和研制任務(wù)書中。以往我國鐵路部門要求產(chǎn)品可靠性指標(biāo)只有一個(gè)：平均無故障工作時(shí)間（MTBF），或失效前平均工作時(shí)間（MTTF）。在可靠性數(shù)學(xué)中一般將MTBF用于可修產(chǎn)品，MTTF用于不可修產(chǎn)品，當(dāng)MTBF僅考慮首次失效前的平均壽命時(shí)，二者可以等效。因此為簡單起見，下面統(tǒng)一用MTBF表述。這里的時(shí)間是廣義上的時(shí)間，也可以對應(yīng)次數(shù)、里程等別的量綱，如繼電器平均無故障工作次數(shù)，機(jī)車平均無故障行走里程數(shù)。

在TB/T2468-1993《鐵路信號產(chǎn)品可靠性要求評定方法》中，規(guī)定鐵路信號產(chǎn)品失效率的定級、維持試驗(yàn)的方法，以及定時(shí)截尾試驗(yàn)、定數(shù)截尾試驗(yàn)、序貫截尾試驗(yàn)下MTBF的估計(jì)方法。但是這些方法都是針對指數(shù)分布，對其他分布并不適用。

二、相應(yīng)的解決辦法

（一）參照其他行業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)制訂適合鐵路的標(biāo)準(zhǔn)

可靠性標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)和規(guī)范可靠性工程開展的有力武器，除在軍工、航空等可靠性要求較高的領(lǐng)域已建立比較完善的可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系外，我國電力、家電等民用行業(yè)也都有自己的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。目前鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里關(guān)于可靠性的標(biāo)準(zhǔn)過少過簡。作為關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)命脈的鐵路部門，制訂規(guī)范的、科學(xué)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。

（二）根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的可靠性模型

常用的可靠性模型有指數(shù)分布、威布爾分布、（對數(shù)）正態(tài)分布、伽馬分布和極值分布等。在使用時(shí)應(yīng)按照分析對象的實(shí)際物理背景選擇合適的模型，然后根據(jù)壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分布的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，以確定所選擇的模型是否恰當(dāng)。

（三）建立全面的可靠性指標(biāo)體系

借鑒國軍標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合鐵路行業(yè)特點(diǎn)，提出一個(gè)建立可靠性指標(biāo)體系的方法。

1.使用需求分析。分析要研制產(chǎn)品的預(yù)定功能、使用環(huán)境、保障條件對可靠性維修性的需求。

2.建立故障判別準(zhǔn)則（或叫失效判據(jù)），對各類故障的判據(jù)和允許的降級使用作出詳細(xì)規(guī)定。

3.選擇可靠性、維修性參數(shù)。國軍標(biāo)中選用的參數(shù)較多，針對鐵路信號產(chǎn)品，可以做一定簡化，建議使用下列參數(shù)：使用可用度、定時(shí)可靠度、平均故障間隔時(shí)間、 平均修復(fù)時(shí)間、平均預(yù)防性維修時(shí)間、故障檢測率、故障隔離率、使用壽命。

4.確定可靠性和維修性使用指標(biāo)。

現(xiàn)有同類產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性和維修性現(xiàn)狀及存在的問題，根據(jù)實(shí)際使用需要，確定其使用時(shí)可靠性和維修性應(yīng)滿足的指標(biāo)。

三、對今后研究的建議

（一）廣泛開展可靠性工程

可靠性是一門系統(tǒng)工程，涉及產(chǎn)品全壽命周期的各個(gè)階段，從方案論證、研制設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造、使用維護(hù)，一直到壽終報(bào)廢，可靠性都貫穿始終。以往在產(chǎn)品批量生產(chǎn)并投入使用后評估一下其可靠性，只能起到了解其可靠性水平的作用，而不能從根本上提高其可靠性。

（二）建立第三方可靠性評估機(jī)構(gòu)

目前鐵路信號設(shè)備訂購方在進(jìn)行可靠性驗(yàn)收時(shí)，承制方往往拿不出一個(gè)具有可信度的實(shí)驗(yàn)方案來證明，或挑選一些有利于己的歷史數(shù)據(jù)來應(yīng)對。建議建立第三方的可靠性評估機(jī)構(gòu)，協(xié)助制定標(biāo)準(zhǔn)，審核設(shè)計(jì)單位的可靠性設(shè)計(jì)方案，監(jiān)督制造廠的生產(chǎn)過程，協(xié)助驗(yàn)收單位的可靠性驗(yàn)證，以保證結(jié)果的客觀公正。

（三）注意收集可靠性數(shù)據(jù)

可靠性的相關(guān)數(shù)據(jù)是進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)，以往在鐵路信號設(shè)備的生產(chǎn)使用過程中，由于普遍沒有可靠性的概念，導(dǎo)致許多有用的數(shù)據(jù)遺失。應(yīng)該建立一個(gè)專門的可靠性數(shù)據(jù)庫，按規(guī)定的格式將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維修過程中的相關(guān)可靠性數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

四、結(jié)束語

針對鐵路信號設(shè)備可靠性研究中出現(xiàn)的問題，提出相關(guān)的解決辦法及建議。建立可靠性指標(biāo)體系，為今后鐵路信號設(shè)備的可靠性評估提供一種新的思路。整體來說，我國鐵路信號系統(tǒng)中可靠性應(yīng)用還處于初期階段，很多項(xiàng)目有待深入發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：北京鐵路局天津電務(wù)段