動車組故障率統計分析方法

王華勝，李　昊，朱慶龍，錢小磊，艾厚溥

(1.中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京　100081；2.北京縱橫機電科技開發公司，北京　100094)

隨著我國高速鐵路運輸的快速發展，高速動車組在運營里程、開行列數、交路距離、運行環境、載客數量等方面均創造了世界之最，產生了很好的經濟效益和社會效益。但在各種復雜運行環境和因素的影響下，動車組也不可避免地出現一些故障，如何借助運用維修大數據對各類故障進行統計分析，揭示故障規律，采取科學有效措施預防和控制故障及其影響，成為目前動車組迫切需要解決的問題。

故障率作為可靠性基本概念在諸多文獻中均有論述[1-4]，這些論述主要集中在基于瞬時故障率的可靠性理論分析，以及可靠性試驗中簡單產品或部件的平均故障率統計分析方面。但對于像動車組這樣集軟、硬件為一體的大型復雜、可修機電系統，不僅結構功能復雜而且故障模式及影響種類繁多，如何針對其實際運用和管理特點進行故障率定義、計算、統計和分析尚未見到相關文獻介紹。

本文針對動車組故障影響特點和運用管理要求，對動車組事故和故障進行分類，初步建立動車組可靠性指標體系；給出動車組百萬公里故障率指標定義及其計算式；提出動車組故障率統計分析方法，并以某型動車組為例進行實例分析。

1　動車組事故和故障的分類及定義

故障是指產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態[5]。不同的故障其機理、原因、規律、影響可能均不相同，為此，應從不同角度對故障進行分類。鐵路運輸的主要目標是安全、正點地運送旅客至目的地，并在途中為旅客提供必要的服務和環境，為此，鐵路行業在長期運輸生產中制定了較完善的事故、故障、維修及管理等相關規定，如《鐵路交通事故應急救援和調查處理條例》、《鐵路交通事故調查處理規則》、《鐵路技術管理規程》、《鐵路動車組運用維修規程》等。

依據上述規則和規程，并根據動車組實際運營和管理特點，建議從動車組故障影響的安全性、運用性和舒適性3方面，對動車組的事故和故障進行分類和定義。

1)動車組事故

《鐵路交通事故調查處理規則》按照后果嚴重程度不同，將事故分為特別重大事故、重大事故、較大事故、一般A類事故、一般B類事故、一般C類事故和一般D類事故[6]，并對各類事故的損失和情形給出明確界定，其中包含了動車組車輛設備故障導致的事故情形，可以作為動車組事故分類和定義的標準和依據。

2)動車組故障

(1)動車組A類故障。在規定的運用環境和條件下，由于車輛設備故障導致動車組途中非正常停車時間大于20 min、小于1 h的故障。

(2)動車組B類故障。在規定運用環境和條件下，由于車輛設備故障導致動車組途中非正常停車少于20 min的故障。

(3)動車組C類故障。在規定運用環境和條件下，由于車輛設備故障導致動車組出入站晚點，以及在功能受限模式下運行的故障。

(4)動車組D類故障。不影響動車組正常運行的其他各類故障。

依據各類故障后果的嚴重程度不同，動車組故障主要包括以下幾類：

(1)途中非正常停車。該故障發生時動車組不僅影響同方向后續列車的運行，而且通常需要隨車機械師下車對故障進行復核，進而造成鄰線封閉，對高鐵運輸影響較大。途中非正常停車的動車組超過規定時間若不能恢復運行，通常會啟動途中應急救援等措施，可能需要車、機、工、電、輛等多部門配合工作，對高鐵運輸造成更大的影響。為此，參考《鐵路動車組運用維修規程》等相關規定[7]，按照途中非正常停車時間是否大于20 min，將其劃分為A類故障和B類故障。

(2)出入站晚點。該故障主要指始發和終到站晚點及途經站的發車、到達晚點。數據分析發現，牽引、制動功能部分喪失導致的運緩、限速是造成動車組入站晚點的主要因素；側門關閉不良等故障是導致動車組出站晚點的主要原因。由于晚點期間動車組位于站內，不會影響正線其他列車運行，故障后果遠小于途中非正常停車，為此把該類故障歸為C類故障。

(3)功能受限模式運行。主要指動車組局部功能故障導致牽引力、制動力不足，速度受限；空調、側門、衛生間等出現嚴重或多處故障，進而影響旅客乘車的舒適性，但動車組仍可維持運行。其故障包括且不限于：①牽引系統局部功能故障，切除部分牽引動力限速運行；②制動系統局部功能故障，切除部分制動力限速運行；③空氣彈簧故障導致限速運行；④動車組中任意一輛車空調故障導致車內空調功能完全喪失；⑤相鄰兩輛車所有衛生間故障隔離禁用；⑥相鄰兩輛車同側所有乘客側門故障隔離禁用。動車組在上述故障模式下雖可維持運行，但運行品質和旅客乘坐舒適度較差，為此把該類故障也歸為C類故障。

2　動車組故障率計算方法

故障率作為動車組可靠性的重要評價參數，反映了動車組故障的規律和趨勢，可分為瞬時故障率和平均故障率。

瞬時故障率λ(t)是指在規定條件下運用到時刻t尚未發生故障的動車組，在該時刻后單位時間內發生故障的概率，即

(1)

式中：Ns(t)為到t時刻尚未發生故障的動車組列數； dr(t)為t時刻后dt時間段內故障的動車組列數。

由式(1)可以看出：瞬時故障率是動車組運用時間的函數，也稱故障率函數；而可靠性理論中時間的概念通常是廣義的，這里主要以動車組的運行里程作為時間評價尺度。

(2)

式中：Δr(t)為時間間隔(t,t+Δt)內發生故障的動車組列數；r(t)為0～t時間段內累積故障的動車組列數；N0為初始時刻投入運用的動車組總列數； Δt為所取時間間隔。

由式(2)可以看出，Δt取值越小得到的平均故障率越接近瞬時故障率，當式(2)中Δt→0時便得到式(1)，即

(3)

鑒于動車組運行速度快，故障率通常較低，為方便評價，一般可采用列車百萬km故障率作為評價指標。設在第i(i=1,2,…)個運行間隔[iΔt～(i+1)Δt]內有Ni列某型動車組投入運行，期間累積發生Δri次故障，則該運行間隔內動車組總累積運行里程為NiΔt，其在iΔt時刻的百萬km平均故障率為

(4)

設某型動車組統計樣本共60列，在第1個10萬km內累計走行600萬km，共發生A類故障3次，則該型動車組在第1個10萬km內的A類故障率為0.5次·百萬km-1。

3　動車組故障率分析方法

3.1　動車組壽命周期內故障規律分析

動車組及其部件在壽命周期內不同的時期和階段，故障率呈現不同特點，通過故障率統計分析可以揭示其在壽命周期不同階段以及不同影響因素下故障率的變化規律和特征，為運用維修決策提供參考依據。

壽命周期內某型動車組A類故障和B類故障每隔10萬km的百萬公里故障率隨走行里程變化情況如圖1所示。由圖1可以看出：動車組 A類故障率基本保持在1.0次·百萬km-1左右，相對于B類故障基本處于平穩波動狀態；B類故障率波動較大，前期較高，在100～130萬km區間內的故障率出現峰值，可能存在支配型慣性故障，進一步分析發現，慣性故障主要集中在軸溫誤報、側門故障、制動誤報等典型故障；自140萬km開始，動車組故障率出現明顯下降并保持穩定；因此，可在動車組運行至120～130萬km左右的首輪三級修時，結合高級修對上述慣性故障進行徹底源頭質量整治，使相關故障得到有效控制。

圖1　某型動車組百萬km故障率變化趨勢

3.2　動車組高級修效果分析

按照目前動車組修程設置和要求，一、二級修屬于動車組運用檢修，三、四和五級修屬于高級修。高級修的特點是檢修范圍大、檢修程度深，特別是某些系統和部件需要分解檢修，如：三級修時轉向架、牽引電機需要分解檢修；四級修時還需要解編，對車鉤、制動裝置、空調等進行分解檢修，動車組高級修在維持車輛固有可靠性和確保運行安全方面發揮重要作用。按照現代維修理論，對于有耗損故障趨勢的產品，及時、恰當地分解檢修可有效控制故障率上升，但在實際中若檢修范圍和時機掌握不好時，分解檢修常常會帶來早期故障，反而導致故障率上升，為此，可采用故障率統計分析方法對動車組高級修有效性進行分析評價。

某型動車組首輪三級修(周期為120萬km)、四級修(周期為240萬km)和次輪三級修(周期為360萬km)發生前后各30萬km內、每隔5萬km的百萬km故障率變化情況如圖2所示，圖中：高級修之前走行公里為負值，之后為正值。由圖2可以看出：首輪三級修前該型動車組可能存在慣性故障，導致故障率較高，經過三級修整治后，故障率明顯下降并趨于穩定，說明首輪三級修在故障率控制方面發揮了積極作用；四級修前后故障率變化趨勢初步反映了定期維修典型作用規律，修前故障率呈現逐漸上升趨勢，修后呈現微弱的早期故障期，隨后明顯下降，體現出維修的作用和效果；次輪三級修前后故障率均比較低且波動不明顯，高級修作用體現不明顯，由于還有相當數量的動車組沒有進入次輪三級修，還需要進一步積累數據樣本探究其規律。

圖2　某型動車組高級修前后故障率變化趨勢

3.3　特定部件周期性故障規律分析

動車組空調系統具有很強的季節性運用特點，如制冷功能主要在夏季高負荷運轉，制熱功能主要在冬季使用，由此導致其故障率變化呈現明顯季節特征[8]。鑒于空調系統部件及其故障模式種類繁多，在此僅對喪失主要功能、影響旅客乘坐舒適性的嚴重故障進行統計分析。某型動車組空調系統近幾年1月—12月累計的故障率變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出：從每年5月開始，全國自南到北陸續進入炎熱夏季，5—9月是動車組空調系統運用的高峰時段，長時間、高負荷運轉導致其發生的故障頻次逐漸增多，尤其在7月空調系統故障率達到峰值，直至9月隨著氣溫下降空調系統故障率才回落到較低水平；從每年11月到次年3月全國大部分地區處于冬季，空調系統主要啟用制熱功能，運用故障發生頻次不高，主要與空調系統加熱裝置結構相對簡單且質量穩定有關系。

根據上述規律，建議每年5月前對動車組空調系統進行1次集中整備維護，以應對夏季惡劣工作負荷的挑戰，同時在5—9月強化空調系統的維修保障和應急處置工作，降低其故障率和故障影響。

圖3　動車組空調系統故障率趨勢

4　結　論

(1)基于動車組管理規章和要求，按照后果嚴重程度不同，對動車組事故和故障進行分類，制定了動車組A類故障、B類故障、C類故障和D類故障的可靠性指標。

(2)依據可靠性工程理論，給出動車組瞬時故障率、平均故障率定義及其計算方法，在此基礎上結合我國動車組運用管理實際狀況，提出動車組百萬km故障率指標及其計算式。

(3)對某型動車組壽命周期內百萬km故障率變化規律進行統計分析發現，早期支配型慣性故障經過有效整治后，故障率顯著降低并持續平穩。

(4)對某型動車組高級修前后百萬km故障率變化趨勢分析表明，修前故障率呈現逐漸上升趨勢，修后呈現微弱的早期故障期，隨后明顯下降，揭示了高級修典型作用和效果。

(5)對動車組空調系統季節性故障率變化規律進行分析證明，空調系統在每年夏季的6—8月間具有明顯的故障率峰值，在此期間應強化維修保養措施。

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