城市軌道交通車輛的可靠性驗證試驗

王新田 劉金安 崔世明

(長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，高級工程師)

近年來，我國城市軌道交通行業(yè)進入了快速發(fā)展的階段。隨著科技的發(fā)展，電子科技的應(yīng)用使得城市軌道交通車輛的功能更加強大而復(fù)雜。但系統(tǒng)越復(fù)雜，就可能導(dǎo)致可靠性和安全性的下降。在越來越多的海外和國內(nèi)軌道交通車輛招標項目中，對軌道客車車輛的可靠性指標作了量化規(guī)定，并明確要求在車輛交付時進行可靠性驗證測試。可靠性驗證測試的結(jié)果將直接影響車輛的驗收，如果因不合格拒收則會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。

1 可靠性指標介紹

隨著我國軌道交通車輛市場的快速國際化發(fā)展。軌道交通客車車輛的可靠性也成了一項非常重要的考量指標。一般來講，車輛合同中規(guī)定了平均故障間隔距離(dMBF)或平均故障間隔時間(tMBF)的具體數(shù)值，或者是規(guī)定了百萬車公里故障數(shù)的量化要求。在合同中也會定義故障的類別。故障一般分為三類，針對這三類故障在合同中分別規(guī)定了對指標的要求，例如:

1)救援故障——列車嚴重損壞，需要另外一列車或牽引車來救援，拖回到車輛段;

2)退出服務(wù)運營故障——列車部分主要功能喪失，需要立即疏散乘客，列車空車返回車輛段，或?qū)⒊丝瓦\送至終點后返回車輛段;

3)運行晚點故障——列車因故障在線路上停車時間大于5 min，對商業(yè)運行造成了一定影響。

故障率λ 是一個給定項目的責(zé)任故障數(shù)目n與其總運行公里數(shù)ΣD 或總運行時間ΣT 的比率，即λ =n/ΣD 或 λ =n/ΣT;若以 dMBF或 tMBF來表示，則有dMBF=1/λ 或 tMBF=l/λ。

提高軌道交通客車車輛的可靠性已成為軌道交通客車車輛設(shè)計的重要任務(wù)和研究課題。為了滿足客戶的要求，并較好地解決可靠性問題，除了運用可靠性設(shè)計外，加強軌道客車車輛及其零部件的可靠性驗證試驗及測試也是一個很重要的方面。

2 可靠性驗證試驗的分類

根據(jù)試驗的目的不同，可靠性試驗分為工程試驗和統(tǒng)計試驗。工程試驗的目的是暴露產(chǎn)品在設(shè)計等方面的缺陷、薄弱環(huán)節(jié)和故障，以幫助改進設(shè)計;統(tǒng)計試驗的目的是驗證產(chǎn)品是否達到了規(guī)定的可靠性或壽命要求。可靠性鑒定試驗(RQT)用于設(shè)計定型階段;可靠性驗收試驗(RAT)用于批量生產(chǎn)。可靠性鑒定試驗的目的是為了驗證新開發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計是否達到了規(guī)定的可靠性定量要求，是否存在設(shè)計缺陷;可靠性驗收試驗的目的是針對正式批量產(chǎn)品的可靠性是否達到了規(guī)定的要求，也就是說，在規(guī)定條件下檢驗產(chǎn)品的可靠性特征值是否達到規(guī)定值。

車輛可靠性鑒定試驗，通常是指對首列車按照規(guī)定操作進行跑合5 000 km 或10 000 km 的可靠性試驗;可靠性驗收試驗是指在車輛交付給用戶后需按照規(guī)定條件，在正常操作下持續(xù)最少6 個月的不間斷運行，用于確定交付車輛的可靠性是否滿足要求。

3 可靠性驗證試驗要求

軌道交通客車車輛電子設(shè)備的可靠性特性曲線呈指數(shù)分布;機械部件可靠性特性曲線呈正態(tài)分布。歷史數(shù)據(jù)表明，電氣設(shè)備的故障占車輛故障的大部分，在使用壽命周期內(nèi)軌道客車車輛可靠性特性曲線基本符合指數(shù)分布。因此，所有的試驗方案都是建立在車輛故障服從指數(shù)分布的假設(shè)上。

3.1 試驗前具備的條件

為了保證可靠性驗證試驗的順利完成，在開始試驗之前，需對軌道交通客車車輛進行可靠性分析工作，收集足夠的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)。這些可靠性分析工作主要包括可靠性預(yù)計和FMECA (故障模式、影響及危害性分析)。通過FMECA，設(shè)計人員針對易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)所提供的預(yù)防措施和改進措施，將有助于提高設(shè)備的可靠性以及在后續(xù)試驗中對故障的分析處理。

3.2 故障分類

如果合同無特殊規(guī)定，可靠性驗證試驗的故障仍按上述救援故障、退出服務(wù)運營故障和運行晚點故障來分類。但是，故障是否參與計算，是否歸類為車輛責(zé)任故障還需要進行分析和判斷，如圖1所示。可靠性驗證試驗期間出現(xiàn)的故障可分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障，其中，關(guān)聯(lián)故障進一步分為責(zé)任故障和非責(zé)任故障。對圖1 中各種故障的界定，在可靠性驗證試驗之前應(yīng)與用戶達成共識。

3.3 接受驗證試驗的車輛狀態(tài)

需驗收試驗的車輛應(yīng)經(jīng)過調(diào)試檢驗和功能測試，在設(shè)備安裝完整、各項功能正常后才能開始進行驗收試驗。在車輛可靠性驗證期間，用戶或操作人員必須嚴格按照制造商提供的操作與維修手冊對軌道客車車輛進行操作和維護。

圖1 故障界定流程

3.4 可靠性驗證測試的計劃和程序

進行可靠性試驗前，需要明確試驗標準、試驗車輛、具體的試驗操作方案、問題記錄的方式和內(nèi)容，以及故障判據(jù)和試驗的前提條件。

在進行可靠性鑒定試驗前需要制定試驗大綱。試驗大綱主要包括:試驗的線路條件(電壓級別)、車輛條件、試驗數(shù)據(jù)的故障判據(jù)、規(guī)定功能的操作方案等。例如，需要模擬用戶現(xiàn)場的正常使用——到站停車、開關(guān)門等，以及車輛檢修次數(shù)和程度。同時，在試驗大綱中也需要明確試驗合格與否的數(shù)據(jù)標準，一般萬公里運行允許的重大故障或影響安全的故障數(shù)為0。如果發(fā)生重大故障，則需要繼續(xù)進行試驗。試驗結(jié)束后需要提供試驗分析報告，以明確是否可以滿足預(yù)期的可靠性指標。

在可靠性驗收試驗前需要制定一份計劃，軌道交通客車項目多數(shù)采用序貫結(jié)尾統(tǒng)計試驗方案。在試驗之前，制造方應(yīng)與用戶充分溝通，確定生產(chǎn)方風(fēng)險和使用方風(fēng)險的合理比例;可以按照合同要求的置信度進行試驗，同時在方案中也要確定試驗線路、環(huán)境條件、負載條件、試驗方案、測試程序、保障條件與協(xié)調(diào)工作等。一般驗收試驗都是在用戶的使用現(xiàn)場進行，所以，車輛的使用條件都是按照規(guī)定進行的，車輛各項功能的使用也是按照車輛操作手冊執(zhí)行的。其側(cè)重點是明確執(zhí)行試驗的標準、故障判據(jù)和試驗結(jié)束的接收依據(jù)。

可靠性驗證測試計劃主要包括以下內(nèi)容:

1)接受試驗的軌道交通客車車輛的批次、數(shù)量;

2)試驗條件及測試時間與周期設(shè)計;

3)可靠性考核指標;

4)故障判別細則和故障審核組織架構(gòu);

5)分包商的管理包括備品備件的準備;

6)試驗合格與否的判別依據(jù)，遇到拒收判別時所要求采取的措施及重新試驗的規(guī)定;

7)工具工裝和輔助材料的準備。

試驗中以下故障不參與計算，不包含在可靠性驗證范圍之列:

1)超過壽命期的易損易耗件;

2)由于先前發(fā)生的故障而引起的關(guān)聯(lián)或相同故障;

3)列車修復(fù)前相同故障的重復(fù)出現(xiàn);

4)非車輛原因?qū)е碌呐鲎病⑹鹿驶蚴侨藶楣室馄茐?

5)操作或維修人員的疏忽或不遵守操作規(guī)程;

6)操作和維修作業(yè)不按廠商提供的操作和維修手冊要求進行;

7)由于公眾(包括乘客)行為或疏漏導(dǎo)致的故障;

8)因非合同設(shè)備導(dǎo)致的故障。

3.5 可靠性驗證試驗及測試的實施

軌道客車車輛的可靠性驗證測試試驗一般應(yīng)結(jié)合試運營或運營服務(wù)來進行。為了保證試驗的順利進行，須成立由用戶、制造方、相關(guān)供應(yīng)商、操作人員等組成的可靠性驗證及測試試驗小組，負責(zé)可靠性驗證及測試試驗的實施。該小組的主要工作包括:定期評審試驗數(shù)據(jù)，審批故障分析及糾正措施，具體試驗測試程序的臨時修改，試驗結(jié)束時的結(jié)果判決等。

3.6 建立故障報告、分析及糾正措施系統(tǒng)

為了確保對試驗期間發(fā)生的故障進行閉環(huán)管理并具有可追溯性，在可靠性驗證測試期間和車輛、設(shè)備磨合期間迅速展開故障調(diào)查，跟蹤、記錄所發(fā)生的故障，及時進行故障評估，并制定糾正措施，最好建立故障報告、分析及糾正措施系統(tǒng)(FRACAS)。通過FRACAS 的運行，收集所有故障數(shù)據(jù)，記錄和保存全部活動過程中形成的文件，分析故障原因，并制定和實施有效的糾正措施，以防止故障再現(xiàn)，確保可靠性驗證目標的實現(xiàn)。

4 列車可靠性的驗收測試

一般來講，列車故障率具有如圖2所示可預(yù)判的浴盆曲線的特性。由圖2 可明顯地看出:隨著行車公里數(shù)的不斷增加，故障發(fā)生的頻率則不斷減少，車輛的可靠性也在不斷提高。一般而言，行車公里在5 000 km 內(nèi)，車輛電氣和機械部件有磨合過程，車輛發(fā)生故障的頻率很高，所以用戶通常要求在車輛驗收前進行5 000 km 的試運行。行車公里從5 000 km至50 000 km，故障發(fā)生的頻率大幅下降;從50 000 km 至175 000 km，故障發(fā)生的頻率穩(wěn)步下降;17 5000 km 以后，故障發(fā)生的頻率趨于穩(wěn)定，即車輛的可靠性達到一個基本穩(wěn)定的階段。從上可以看出，車輛前期階段和后期階段的測試，會產(chǎn)生不同的結(jié)果。

圖2 列車故障率呈現(xiàn)的浴盆曲線

5 軌道客車可靠性驗收測試案例

5.1 可靠性要求

某海外軌道客車車輛項目合同規(guī)定的可靠性指標以每百萬公里發(fā)生的故障數(shù)不超過1.82 次進行評估。可靠性驗證以第1 批車輛為測試對象，發(fā)生故障的總數(shù)為驗證期內(nèi)被測車輛累計故障的總和。現(xiàn)以第1 批10 列車為例，說明軌道客車車輛可靠性驗證測試過程。

5.2 可靠性驗證測試程序

該批車輛可靠性驗證測試程序如圖3所示。

5.3 可靠性測試

在商業(yè)運營前的服務(wù)期內(nèi)將對整批車輛運營的可靠性進行監(jiān)測，從笫1 列車開始測試，到最后1 列車最終驗收為止。在可靠性驗證期間將會詳細地記錄每一個故障信息，列車編號，故障的詳細描述，故障分析報告及其它有關(guān)的資料(例如相應(yīng)的列車管理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)、門控器數(shù)據(jù)等)。

5.4 試驗方案和計算方式

在此項目試驗開始之前應(yīng)編制好可靠性驗證計劃，在計劃中確定采取序貫統(tǒng)計結(jié)尾的試驗方案。

圖3 軌道車輛可靠性驗證測試程序

一般情況下，軌道客車運行5 個月時間以內(nèi)發(fā)生的故障屬于早期故障。在正常運營的條件下，車輛運行至少半年之后，才開始進行可靠性驗證測試。驗證期大約持續(xù)1～2年左右，具體視合同規(guī)定或業(yè)主要求而定。本項目要求12 個月的驗證期。驗證期結(jié)束后的測試結(jié)果是驗證期內(nèi)受測試車總運行里程數(shù)與總故障次數(shù)的比值λ，可用式(1)計算:

式中:

F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N——驗證期間被測試車輛發(fā)生的故障次數(shù);

d1，d2，…，dn——每輛車執(zhí)行運營任務(wù)過程中的總運行里程數(shù)。

5.5 接收和拒收標準

在項目合同中已經(jīng)規(guī)定了可靠性指標要求:運營百萬公里晚點大于2 min 的故障≤1.82 次。所以在試驗計劃中確定采取序貫統(tǒng)計結(jié)尾的試驗方案，并確定了生產(chǎn)方風(fēng)險和使用方風(fēng)險分別為10%。根據(jù)相關(guān)計算確定可靠性驗證接收和拒收的標準如下:

1)接收標準:測試結(jié)束，百萬公里責(zé)任晚點大于 2 min 的故障數(shù)≤1.82 次;

2)拒收標準:測試結(jié)束，百萬公里責(zé)任晚點大于2 min 的故障數(shù)＞2 次。

當驗證期結(jié)束就可中止可靠性驗證測試。如果達到可接收標準則接收測試結(jié)果，否則得出拒收結(jié)果。當驗證期雖未到，但發(fā)生的責(zé)任故障數(shù)＞1.82個，已達到了拒收的標準，則在制造方和業(yè)主雙方同意的情況下，可以中止可靠性驗證測試，或是延長驗證期，繼續(xù)可靠性驗證測試，持續(xù)到一個驗證期循環(huán)。

根據(jù)可靠性測試故障統(tǒng)計，在驗證測試期結(jié)束時，按照式(1)計算，就可以得出驗證期的可靠性指標數(shù)據(jù)，該指標決定了驗收結(jié)果是接收還是拒收。

6 結(jié)語

可靠性驗證及測試是軌道客車可靠性評價和使可靠性增長的一個重要手段，也是可靠性工程中的重要環(huán)節(jié)。借助可靠性驗證試驗結(jié)果，可以檢驗考核主要設(shè)備的可靠性水水平，也可以指導(dǎo)軌道客車各系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。因此，在軌道客車車輛設(shè)計階段就重視并控制產(chǎn)品的可靠性，從軌道客車車輛的全壽命周期成本的角度考慮，將會產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

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