基于FMECA的地鐵車輛轉向架檢修計劃優化研究

譚鴻愿 王伯銘 黃 挺

(1.西南交通大學機械工程學院,610031,成都; 2.南京中車浦鎮城軌車輛有限責任公司城軌事業部,210031,南京//第一作者,碩士研究生)

基于FMECA的地鐵車輛轉向架檢修計劃優化研究

譚鴻愿1王伯銘1黃 挺2

(1.西南交通大學機械工程學院,610031,成都; 2.南京中車浦鎮城軌車輛有限責任公司城軌事業部,210031,南京//第一作者,碩士研究生)

我國地鐵車輛轉向架以計劃預防性檢修為主。此檢修方式能夠基本滿足轉向架的運用要求,但易導致維修過剩和維修不足的問題。以我國某線地鐵車輛轉向架為例,基于對地鐵車輛轉向架的故障模式、影響和危害度分析(FMECA),提出了根據FMECA結果優化轉向架檢修計劃的基本原則、內容和方法;對優化方案進行了分析,并提出了驗證優化方案合理性的評價指標和基于隨機完全區組設計的驗證辦法,為提高轉向架檢修計劃的合理性提供了依據。

地鐵車輛; 轉向架; 檢修計劃優化

First-author′s address College of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

地鐵車輛轉向架的可靠性決定了其走行的穩定性和安全性,轉向架一旦發生惡劣故障,將導致列車晚點、線路癱瘓,甚至造成嚴重的事故和后果。因此,對轉向架的檢修工作是保證轉向架高運行可靠性的必要手段。由于狀態監測技術在地鐵車輛轉向架上應用受限,我國各地鐵車輛段對轉向架的檢修主要采用計劃預防性維修方式[1]。此方式一方面易造成維修不足,難以及時排除故障;另一方面易造成維修過剩,增加維修風險和成本。因此,研究在現有條件下轉向架檢修計劃的優化方法以提高轉向架檢修工作的合理性是有重要意義的。故障模式、影響和危害度分析(Failure Mode 、Effects and Criticality Analysis,簡為FMECA)是一種成熟的可靠性分析方法,國內外不少學者將之用于優化設備檢修計劃的工程實踐中[2-3],印證了此分析法在檢修優化中的實用價值。本文旨在提高地鐵車輛轉向架檢修工作的合理性,研究了應用FMECA方法分析地鐵車輛轉向架故障特性的基本流程;重點分析了依據FMECA結果優化轉向架檢修計劃的基本原則、內容和方法;對優化方案進行了分析,并提出驗證優化方案合理性的辦法,為優化轉向架的檢修計劃提供依據。

1 故障模式、影響和危害度分析

FMECA包括FMEA(故障模式、影響分析)和CA(危害度分析)兩部分。FMEA為定性分析,CA為定量分析。FMEA盡可能收集分析對象的故障模式、故障原因和可能導致的后果。在此基礎上,若具備定量分析條件,可計算故障模式危害度,找出對系統安全威脅最大的因素。FMECA的目的不同,應用的具體方式也不同。本文進行FMECA的主要目的，是分析地鐵車輛轉向架的主要故障因子及其影響,以及在不同運行里程階段的危害度,為優化檢修計劃提供依據。本文將以我國某線地鐵車輛動力轉向架為例,說明所提出方法的實施流程。

1.1 轉向架的系統定義

地鐵車輛轉向架的主要功能是實現車輛在軌道上的承載、緩沖、轉向、制動和驅動,保證車輛的動力學性能、運行品質和行車安全。根據轉向架各組成部分的功能和地鐵車輛段檢修工作的能力范圍,可確定轉向架的最低約定層次。在此基礎上,根據轉向架的技術資料和運用過程中的故障記錄,可建立轉向架的功能框圖,如圖1所示。圖1中,實線矩形框表示轉向架的最低約定層次單元,虛線矩形框表示與轉向架具有功能聯系、協同工作的其他系統,帶箭頭的連接線表示相連單元或系統間的功能聯系。從轉向架的功能框圖可分析得到各單元或系統故障可能對其他單元或系統產生的影響。

圖1 轉向架的功能框圖

1.2 轉向架的FMEA

在對地鐵車輛轉向架進行FMEA前,應明確故障的判據,界定如下:

(1) 部件異常導致列車救援、清客、下線、晚點、沖標、緊急制動的情況;

(2) 部件某些性能指標不在規定范圍內或者狀態存在不正常現象的情況;

(3) 部件故障引起對人員、環境、能源或物資等方面的影響超出了允許范圍的情況;

(4) 部件能夠通過軟件更新或重新啟動解決自身出現的非硬件損壞異常且不存在上述影響的情況不列入故障范圍。

轉向架的故障模式主要為損壞型、退化型、松脫型、失調型、堵塞與滲漏型、性能衰退型和功能失調型等[2]。故障原因分析應盡可能根據運用過程中的故障記錄并結合分析對象的特性進行,典型的故障原因有內部器件的損壞、疲勞失效、過載、不良振動、調整不良、腐蝕、維護不良等。故障影響可分為對部件或系統的影響和對列車運行的影響，前者可能導致本部件或其他部件或系統功能異常、損壞,后者可能導致列車的行車故障而造成晚點、下線、清客、救援、事故等。故障影響的嚴酷度級別可按故障后果的嚴重程度進行劃分[2，4]。

在上述定義與分析的基礎上,結合地鐵車輛段的轉向架庫內檢修及正線運營的故障記錄,可得到轉向架的FMEA結果。轉向架主要部件的FMEA結果如表1所示。

1.3 轉向架的CA

CA的目的是對轉向架各部件的故障模式的嚴重程度和發生概率所產生的綜合影響進行計算,以定量地評價各部件故障或其某個故障模式對轉向架的危害影響。故障部件和故障模式的危害度計算可參考文獻[4]的公式,本文不再展開敘述。故障率可按點估計的方法求取。對某地鐵線的28列列車的

表1 轉向架主要部件的FMEA結果

轉向架正線運行和庫內檢修的故障數據按各單位運行里程(每45 000 km)進行統計,根據式(1)計算得到各單位運行里程的故障率點估計值λ。

(1)

式中:

ΔL——統計里程;

Δnf——在ΔL內,發生故障的零部件數;

ns——在統計里程前沒有發生故障的零部

顯然,轉向架部件的故障率是隨列車運行里程變化而變化的,因此,轉向架部件故障的危害度也隨列車運行里程而變化。對危害度變化規律的分析是優化轉向架在各運行里程檢修計劃的基礎。通過計算,可得到轉向架各部件在各里程區間內的CA計算結果。限于篇幅,本文只給出了牽引電機在[90 000 km,135 000 km]里程區間內主要故障模式的CA計算結果,如表2所示。

表2 轉向架牽引電機主要故障模式的CA計算結果

2 轉向架維修計劃的優化方法

2.1 檢修計劃優化內容

對轉向架進行FMECA的最終目的是優化轉向架的檢修計劃。根據前述步驟得到轉向架FMECA結果,可確定轉向架在運用過程中故障發生頻率較高的部件、各部件主要的故障模式,以及各故障模式危害度在各里程區間的值。因此,對于轉向架的檢修工作,可做如下指導:

(1) 確定關鍵檢修部件,即故障發生頻率和危害度較高的部件;

(2) 確定檢修部件的關鍵項點,即各部件危害度較高的故障模式對應的檢修項點,若檢修項點在原檢修計劃中不存在,在條件滿足的情況下應增加檢修項點;

(3) 優化各部件或檢修項點的檢修周期,各部件的故障率、危害度或其故障模式的危害度是隨著列車運行里程變化而變化的,在各里程區間,可根據各部件危害度或其故障模式危害度的變化情況,調整檢修部件和檢修項點的檢修周期。

2.2 檢修計劃優化方法

自2011年韓國教育部頒布“學術道德建設規劃”，全面建設高校教師學術道德教育實施體系后，取得了一定成效。

2.2.1 確定關鍵檢修部件

利用上述1.3節的計算方法得到類似于表2的轉向架各部件的CA計算結果。為便于比較,對各部件的危害度按式(2)進行歸一化處理,再運用危害度矩陣[5]綜合對比各部件的危害度與嚴酷度等級,從而確定關鍵檢修部件。

(2)

式中:

Cr,min,Cr,max——分別為部件危害度的最小值和最大值。

2.2.2 確定關鍵檢修項點

利用上述1.3節的計算方法得到類似于表2的轉向架各部件故障模式的CA計算結果。運用故障模式危害度矩陣[5]判定各故障模式的危害性順序,然后根據危害性的先后順序確定對應于故障模式的關鍵檢修項點。

2.2.3 確定各檢修項點在不同運行里程的檢修周期

根據計算得到的對應于不同運行里程的故障模式危害度,可得其變化曲線。圖2～圖5分別為一系懸掛裝置、牽引電機、驅動齒輪箱、基礎制動裝置的故障模式危害度變化曲線。

從圖2～圖5可見,一系懸掛裝置的3個主要故障模式的危害度峰值都集中在[125 000 km,175 000 km]和[250 000 km,300 000 km]運行里程內,模式1和模式2的危害度峰值較高;牽引電機的故障模式1在[80 000 km,120 000 km]和[22 000 km,240 000 km]的運行里程內危害度較高,其他故障模式危害度不大;驅動齒輪箱和基礎制動裝置的故障模式危害度分別在300 000 km和350 000 km處開始急劇上升,需要采取預防性維修措施應對。這些分析結果可為檢修周期的優化提供依據。

圖2 一系懸掛裝置故障模式危害度變化曲線

圖3 牽引電機故障模式危害度變化曲線

圖4 驅動齒輪箱故障模式危害度變化曲線

2.3 檢修計劃優化方案

通過對轉向架進行FMECA,可確定轉向架的檢修優化方案,如表3所示。優化方案中，將一系懸掛裝置、基礎制動裝置、牽引電機、驅動齒輪箱列為關鍵檢修部件,通過明確各運行里程區間的關鍵檢修項點,縮短特定運行里程內特定項點的檢修周期，來減少這些部件某些故障模式的危害度曲線峰值,提高轉向架的運用可靠性;對聯軸節、接地回流單元等故障率以及危害度較低的部件,可延長檢修周期,降低檢修工作量;對其他部件認為現有檢修計劃合理,可維持原檢修計劃。本文的定量分析基于轉向架在一個D類檢修周期(每400 000 km)內的故障數據,因此分析結果適用于新投入運營的車輛以及大修后重新由零開始計算運行里程的轉向架檢修。

圖5 基礎制動裝置故障模式危害度變化曲線

2.4 優化方案的驗證

根據FMECA結果確定轉向架檢修計劃優化方案后,需要驗證該優化方案的合理性。為此,需要定義相關的評價指標并確定驗證優化方案合理性的具體辦法。

評價檢修計劃優劣的主要指標是設備的可用度和維修成本,兩個指標的計算可參考文獻[6],本文在此不展開討論。但對地鐵車輛而言,準點運行是極為重要的,然而列車在運行中可能存在導致列車晚點但未造成停運的故障,此時可用度將難以考慮這種情況的影響。為此,本文定義評價指標Ic,其表示單位運行里程內影響列車正常運用(包括未能上線、晚點、下線、清客、救援)的故障次數在所有處理的故障中的比值。因為轉向架檢修工作的目的是使轉向架的故障盡可能地在庫內檢修中得到有效解決而不影響列車的正常運用,所以Ic越小說明檢修工作越有成效。Ic可按式(3)計算。評價指標的優先級先后順序為可用度、Ic、維修成本。

(3)

式中:

nc,nf——分別為影響列車正常運用的轉向架故障次數和轉向架故障總次數。

判斷轉向架檢修計劃優化方案的合理性應建立在對比優化前后計算所得到的評價指標上。但轉向架在運用的不同運行里程階段故障發生概率是不同的,若在不同運行里程階段分別實施優化前后的檢修計劃并對比兩者的評價指標，將可能得到錯誤的結論。為此,可采用隨機完全區組(RCB)設計的思想[7],將不同運行里程階段視為不同區組,并對每個區組的列車通過隨機指派方式實施優化前后的兩種檢修計劃,以減少列車之間差異性對驗證結果準確性的影響。

通過比較檢修計劃優化前后方案各項指標的均值即可驗證優化方案的合理性:若優化方案可用度大于優化前,則優化合理;若可用度相等或接近,優化方案Ic小于優化前,則優化合理;若前兩項指標均接近,優化后維修成本小于優化前,則優化合理;若三個指標均接近,則優化無意義;其他情況則優化不合理。

3 結語

本文應用FMECA方法,以我國某線地鐵車輛動力轉向架為例,結合轉向架正線運行和庫內檢修故障數據的統計結果,分析了地鐵車輛轉向架的主要故障模式、故障原因、故障影響以及危害度大小和變化規律;基于FMECA的結果,結合實例提出了優化轉向架檢修計劃的基本原則、具體內容和方法,對得到的優化方案進行了分析,并針對地鐵車輛的特殊性,提出了驗證檢修優化方案合理性的評價指標和基于RCB設計的驗證辦法。基于FMECA的地鐵車輛轉向架檢修計劃的優化方法為地鐵車輛轉向架檢修工作的調整和修改提供了依據。該方法也適用于地鐵車輛其他系統部件的故障分析和檢修計劃的優化。

[1] 鄧少強.淺論地鐵車輛維修體制[J].城市軌道交通研究,2009(4):12-13.

[2] 嚴俊.FMECA方法在軌道交通車輛制動系統故障維修中的應用[J].地下工程與隧道,2011(2):34-37.

[3] AHMAD R,KAMARUDDIN S,AZID I A,et al.Failure analysis of machinery component by considering external factors and multiple failure modes - A case study in the processing industry[J].Engineering Failure Analysis,2012,25:182-192.

[4] 中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部.故障模式.影響及危害性分析指南:GJB/Z 1391—2006[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2006：1-17.

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

[6] 蘇春,黃茁.以可靠性為中心的維修成本優化模型及其應用[J].機械科學與技術,2007,12:1556-1559.

[7] WALPOLE R E,MYER R H.概率與統計[M].北京:機械工業出版社,2014.

On the Optimization of Bogie Maintenance Scheduling for Metro Vehicles Based on FMECA

TAN Hongyuan, WANG Boming, HUANG Ting

The main maintenance mode for Chinese metro bogies is a scheduled preventive maintenance, which basically meets the requirements for operation but can be easily lead to excessive or inadequate maintenance. Combined with a practical example and based on the FMECA (failure mode effects and criticality analysis) result of a metro vehicle bogie, the basic optimizing principles, contents and approach for the optimization of the maintenance scheduling are proposes,and the optimization result is analyzed. Evaluation indicators for the rationality of the optimized maintenance scheduling are proposed and validation of the randomized complete block design is confirmed. The method proposed in this paper can provide references to improve the rationality of metro bogie maintenance scheduling in practice.

metro vehicle; bogie; optimization of maintenance scheduling

U 279.3+3; U 270.331

10.16037/j.1007-869x.2017.01.022

2015-03-24)