地鐵車輛以可靠性為中心的維修實施方法研究

摘要：以可靠性為中心的維修（RCM）是一種閉環的持續改進過程，通過分析對產品的安全、使用和壽命周期成本有顯著影響的功能故障，可顯著改善產品的使用效能和成本。文章通過研究有關軌道交通行業的RCM標準，提出地鐵車輛RCM的實施流程與分析要點，用于支持地鐵車輛預防性維修策略的生成與更新。

關鍵詞：地鐵車輛；可靠性；維修實施方法；RCM；軌道交通 文獻標識碼：A

中圖分類號：U279 文章編號：1009-2374（2017）03-0100-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.044

1 概述

以可靠性為中心的維修（RCM）也稱以可靠性為中心的維修分析（RCMA），其定義為按照以最少的資源消耗，保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應用邏輯決斷的方法確定裝備預防性維修要求的過程或方法。在國內軌道交通行業，特別是地鐵車輛上，尚未全面推廣和應用RCM，預防性維修策略還停留在主要依靠設計與維修人員的工程經驗確定的階段，這種做法導致地鐵車輛預防性維修工作頻次高、時間長、效果不明顯、車輛利用率較低和維修成本高昂等問題。為支持RCM在地鐵車輛上的應用，本文對RCM相關的標準中規定的實施流程與要求進行了分析與解讀，結合地鐵車輛研制特點，提出一種貫穿地鐵車輛全壽命周期的RCM實施方法，并給出受電弓的實施案例。

2 以可靠性為中心的維修RCM

2.1 RCM起源與發展

19世紀60年代，以美國聯合航空為首的航空公司擔心繼續使用基于時間的預防性維修策略將導致新投入運營的噴氣客機使用成本過高，并提出了以可靠性為中心的維修RCM的原型MSG-3。采用此方法后，在維修成本保持不變的前提下，更多的預防性維修工作被分配給更有可能導致嚴重問題的系統和設備，飛機的可靠性和可用性顯著提高，由此MSG-3被全球眾多航空公司認可并

應用。

19世紀70年代末，美國國防部在MSG-3的基礎上發布了《以可靠性為中心的維修RCM》，奠定了RCM預防性維修策略確定方法的核心地位，并成為基于狀態的維修CBM、產品健康管理PHM等產品設計與維修策略制定的基本方法之一。

2.2 RCM分析流程

2009年，國際電工委員會（IEC）發布了RCM的國際標準IEC 60300-3-11，將RCM的實施流程分為發起與計劃、功能故障分析、任務選擇、實施和持續改進五個環節并形成一個閉環，如圖1所示：

這五個環節對應了鐵路行業RAMS標準EN 50126中定義的從產品概念開始到使用與維護的十三個壽命周期階段，可作為軌道交通行業開展RCM的應用指南。

在開始RCM分析前的發起與計劃環節，主要解決建立分析目標、識別分析對象（含對分析對象排序），獲得分析約束（主要是指產品的設計邊界）、確定分析時機、統一分析方法、準備分析資源（可用的數據與工具等），并形成分析計劃等相關事宜。這一環節的輸出主要是分析計劃。

在功能故障分析環節，主要是基于歷史經驗和可獲得的數據，對分析對象進行功能故障模式影響及危害性分析FMECA，并隨著研制進度的推進，建立產品功能與硬件特征、功能故障與硬件故障的映射關系，主要輸出是FMECA報告。

在任務選擇環節，根據分析對象的使用方案和FMECA結果，確定分析對象的功能故障后果，開展邏輯決斷，根據分析對象的硬件特征、故障特征和歷史維修數據選取合適的預防性維修工作項目，初定維修間隔期。這一環節的輸出主要是維修任務。

在實施環節，對整個分析對象的全部維修工作項目進行詳細描述，說明實施步驟和維修資源等。為RAMS和LCC分析提供輸入，優化維修間隔期，形成維修大綱，并利用故障報告、分析、控制和糾正措施系統FRACAS準備產品壽命探索。這一環節的輸出主要是維修大綱。

在持續改進環節，利用FRACAS系統記錄產品在使用過程中的故障信息，通過對使用時間、故障時機和維修時間等信息進行統計分析，實施壽命探索，更新產品故障率、首次故障時間維修和時間等RAMS定量參數，支持對產品使用過程的安全、運營和經濟目標的監控，評價維修大綱的有效性并利用更新的RAMS參數更新與優化維修大綱。

2.3 RCM分析要點

在IEC 60300-3-11中，RCM實施的技術過程從功能故障分析開始，以邏輯決斷的形式分析對產品安全、使用和壽命周期成本有顯著影響的功能故障，特別是有高發概率和有嚴重后果的功能故障模式，然后進行預防性維修工作項目選擇與分析，最終匯總梳理形成產品的預防性維修大綱。整個流程的分析要點包括3大環節10大要點，且與產品壽命周期RAMS工作高度相關，特別是功能故障分析、任務選擇和持續改進的實施需要大量RAMS分析成果的支持。

2.3.1 功能故障分析。功能故障分析要求以產品功能為輸入，對產品的功能故障模式、故障原因和故障影響進行全面系統的分析，其實施過程可以概括為依次回答以下問題：（1）產品的功能性能標準是什么？（2）產品功能的故障模式有哪些？（3）產品功能故障的原因是什么？（4）產品功能故障的影響是什么？

確定產品的功能性能標準要求按照產品的硬件結構逐層對產品的功能進行識別、分析與分類，建立功能與性能的關聯要求，如受電弓的受流功能對應的性能要求之一為承受的直流電壓波動范圍為1500V×（1±10%）。

產品功能的故障模式一般包括功能完全無法實現、功能降級、功能時斷時續和出現非預期功能四種情況，將上述四種模式與產品功能和性能要求進行耦合，可以分別定義產品各項功能的故障模式。在定義好產品的功能故障模式后，還需根據產品的設計狀態判斷該故障模式對于使用和操作人員而言，是否可以通過設置的傳感器、指示器或目視等感覺直接發現，以支持邏輯決斷的推進。

產品功能故障的原因一般是為實現該功能所需的低層次產品發生功能故障或硬件故障，其中功能故障的定義與分析如前所述，硬件故障模式一般包括如斷裂、變形、短路、開路等，在產品的最底層，其硬件故障模式的故障原因一般包括產品特性隨時間變化、設計缺陷、人為因素和自然環境影響等。

產品功能故障的影響一般是指對受產品功能輸出影響的后續和頂層產品功能實現的影響，即當下層產品發生某種功能故障時，會導致后續和頂層產品的什么功能出現異常。

2.3.2 任務選擇與實施。任務選擇與實施是以功能故障模式分析結果為輸入，以邏輯決斷為方法，最終確定預防性維修工作項目類型和維修間隔期，整理形成預防性維修大綱的過程。其實施過程是在回答前述4個問題的基礎上依次回答以下3個問題：（1）產品功能故障的后果是什么？（2）功能故障的預防措施有什么？（3）找不到合適的預防措施怎么辦？

分析產品功能故障的后果又是回答以下3個問題的過程：（1）功能故障的影響對于正常執行操作的使用人員是明顯的嗎？（2）功能故障導致的損失或二次損傷可能對使用安全或環境產生嚴重的影響嗎？（3）隱蔽的功能故障與另一個故障或事件組合導致的損失或二次損傷可能對使用安全或環境產生嚴重的影響嗎？

回答以上問題的過程也就是確定故障后果的第一層次邏輯決斷過程，如圖2所示。

在確定了故障后果后，需要根據第二層次邏輯決斷確定預防性維修的工作項目和維修間隔期。

IEC 60300-3-11定義了狀態監控、定期拆修、定期報廢、故障檢查、無預防性維修和其他活動六種邏輯決斷結果，前4項維修工作項目的確定需考慮表1所示的可行性和有效性分析。

預防性維修工作項目維修間隔期的確定是在項目整體目標，如產品可靠性、可用性和壽命周期費用LCC等因素間的權衡：維修間隔期短，產品可靠性高，但可用性和壽命周期費用可能無法滿足要求；維修間隔期長，產品壽命周期費用目標易于實現，但可靠性和可用性難以保證。此外，維修間隔期的確定還受產品類型、故障機理和工作項目等因素的影響，如機械產品和液壓產品不同故障模式下的故障分布規律不同，狀態監控修維修間隔期需要利用產品故障的P-F（從潛在故障到功能故障）曲線確定等。總體而言，維修間隔期的確定，是一個持續迭代改進的過程，如圖3所示：

確定維修間隔期的目標是通過預防性維修使產品可靠性水平保持在可接收范圍內，因此在產品故障率處于穩定趨勢水平下，維修間隔期是產品相關故障的故障率和可靠性定量要求的函數。以故障率服從指數分布的產品為例，其維修間隔期為：

T=-lnR/λ （1）

式中：T為維修間隔期；R為產品可靠度；λ為產品的故障率。

在利用式（1）得到維修間隔期基線值的基礎上，考慮故障的隨機性，可適當減小T的大小，縮短維修間隔，但仍需以圖3所示壽命周期費用分析的目標為約束。維修間隔期的確定與更新是伴隨著產品使用與維修持續改進的過程。

在確定維修間隔期的同時，結合產品的維修性工作，如維修性建模、維修任務分析等工作，確定維修任務細節。對于經RCM和LCC分析沒有合理的預防性維修工作項目和間隔期的，驅動設計變更與迭代。

由于產品各個組成的預防性維修工作項目和維修間隔期不盡相同，將不同的維修間隔期統一，在此可參考地鐵車輛常用的修程規劃安排不同的維修工作項目，并形成維修大綱。

對于狀態監控和定期報廢類的預防性維修工作項目，為在產品的可靠性和壽命周期費用間取得合理的平衡，還需在產品研制階段和使用階段分別通過加速壽命試驗和定期檢查探索產品的合理使用壽命。

2.3.3 持續改進。在產品使用與維護階段，需要對產品的預防性維修大綱進行持續的改進，包括伴隨產品技術狀態變化對預防性維修的工作項目和維修間隔期進行調整。在此過程中，需要建立FRACAS系統，監控產品的使用與維修情況，開展RAMS評估等工作，從而利用產品的實際使用和故障數據對故障率、故障分布規律和使用壽命進行修正與確認，進而支持維修大綱的調整。

3 受電弓RCM案例應用

對某型地鐵車輛受電弓開展RCM分析，其目的是更新預防性維修策略，保持其規定的可靠性水平。

RCM的實施過程包括圖1定義的所有工作，其成功實施依賴于自頂向下的組織與管理：由RAMS管理人員提供工作范圍和目標；設計師提供受電弓功能性能和可靠性分析；售后人員確保現場數據收集與分析。

通過填寫邏輯決斷表的形式完成受電弓的RCM分析，節選部分結果如表2所示：

在RCM邏輯決斷表的基礎上，通過以產品和維修間隔期為維度整理分析結果，形成按修程分類的受電弓維修大綱。

4 結語

地鐵車輛RCM分析可以在保持其可靠性、可用性和安全性，降低壽命周期費用上取得良好的成效，其成功實施嚴重依賴于三個關鍵因素：（1）分工明確的RCM實施團隊；（2）重點突出的RCM實施流程；（3）準備充分的RCM分析輸入。

RCM團隊的下一步計劃是將RCM的實施擴展到整個地鐵車輛，并研究其與RAMS工作的協同。

參考文獻

[1] BS EN 50126-1：1999 Railway applications ——

The specification and demonstration of Reliability，

Availability， Maintainability and Safety （RAMS）——

Part 1： Basic requirements and generic process.

[2] BS EN 60300-3-3：2004 Dependability Managenment——

Part 3-3： Application Guide – Life Cycle Costing[S].

作者簡介：李瑞龍（1984- ），男，山東青島人，中車青島四方機車車輛股份有限公司工程師，研究方向：軌道車輛質量控制。

（責任編輯：王 波）