地鐵車輛的故障分布特點(diǎn)及其可靠性驗(yàn)證方法

杜銀兵 張彥華 杜玉峰

摘 要：簡要介紹了軌道列車的故障特點(diǎn)，使用IEC 61124標(biāo)準(zhǔn)的原因和某地鐵項(xiàng)目的可靠性驗(yàn)證過程。

關(guān)鍵詞：IEC;61124;可靠性驗(yàn)證;故障率

目前，國內(nèi)已有30個(gè)城市開通地鐵，地鐵線路超5000公里，這些地鐵項(xiàng)目對車輛可靠性提出了很高的要求，并將通過可靠性驗(yàn)證與質(zhì)保期關(guān)聯(lián)，以往可靠性驗(yàn)證方法采用MTBF的算術(shù)平均值，即點(diǎn)估計(jì)。針對區(qū)間估計(jì)，目前已經(jīng)有國際通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 61124（可靠性試驗(yàn)-恒定故障率和恒定故障強(qiáng)度的符合性試驗(yàn)）及國軍標(biāo)GJB899A。本文介紹了軌道列車故障特點(diǎn)，點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了基于IEC 61124標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的某地鐵項(xiàng)目實(shí)例。

1 軌道列車的故障特點(diǎn)[1]

1.1 復(fù)雜裝備系統(tǒng)的故障規(guī)律

對于簡單的機(jī)械類產(chǎn)品，其故障規(guī)律比較單一，大多符合浴盆曲線。

軌道列車系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)范圍廣，除了具有復(fù)雜的機(jī)械部件外，還具有動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，集機(jī)電一體化。軌道列車的系統(tǒng)的工作環(huán)境也多種多樣，可能受溫度、壓力、震動(dòng)、沖擊、潮濕等因素影響以外，還可能有沙塵、高熱、雨水、鹽分及輻射等環(huán)境的影響，導(dǎo)致不同系統(tǒng)的故障模式種類繁多，故障概率分布形式也各不相同。這給故障的研究帶來很大困難。

美國聯(lián)合航空公司對大批航空技術(shù)裝備的故障特征進(jìn)行的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析表明，復(fù)雜航空裝備系統(tǒng)的故障率曲線不是單一的浴盆曲線，而是有六種形式。下圖是航空技術(shù)裝備統(tǒng)計(jì)的故障特征及占比。

現(xiàn)代復(fù)雜裝備系統(tǒng)的六種故障率曲線

由航空裝備系統(tǒng)得出來的這些故障規(guī)律，在軌道列車上也得到了驗(yàn)證，根據(jù)統(tǒng)計(jì)表明符合A、B、C型故障曲線的約占5%～10%，符合D、E、F型的故障率曲線的約占90%～95%。由此可看出絕大部分復(fù)雜技術(shù)裝備技術(shù)沒有耗損故障期，現(xiàn)代復(fù)雜的軌道列車在正確設(shè)計(jì)，制造（沒有慣性故障），及時(shí)維修情況下，其可靠性可以不隨運(yùn)行時(shí)間的延長而下降。對于車輛來說是因?yàn)榇嬖谠O(shè)計(jì)、制造、加工、裝配等質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)，在通過磨合期發(fā)現(xiàn)并解決問題，消除早期故障之后，車輛進(jìn)入偶然失效區(qū)，故障分布服從指數(shù)分布。

1.2 復(fù)雜裝備系統(tǒng)更新的故障率曲線

德雷尼克在1960年發(fā)表了復(fù)雜裝備的故障定律：“可修復(fù)的復(fù)雜裝備，不管其故障率分布類型如何（例如指數(shù)分布，正態(tài)分布），故障件修復(fù)或更新以后，復(fù)雜裝備的故障率隨著時(shí)間的增加而趨于常數(shù)。”

它表明：“不管復(fù)雜裝備的故障件的分布如何，故障件更新以后，經(jīng)過一段時(shí)間的工作，裝備的故障率趨于某個(gè)常數(shù)——平均故障間隔時(shí)間MTBF的倒數(shù)。”他的物理解釋是：復(fù)雜裝備系統(tǒng)的故障是由許多不同的故障模式組成的，而每種故障模式會在不同的時(shí)間發(fā)生，它具有偶然性。如果出現(xiàn)故障就及時(shí)排除，即執(zhí)行更新過程的話，那么故障件的更新也具有偶然性，因而使得裝備系統(tǒng)的總故障率為一常數(shù)。即復(fù)雜裝備系統(tǒng)的故障服從指數(shù)分布。

2 可靠性試驗(yàn)方法

此方法為點(diǎn)估計(jì)，點(diǎn)估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀。但點(diǎn)估計(jì)只是給出一個(gè)近似估計(jì)值，這種估計(jì)值是通過樣本觀測值利用公式得到的。上述公式即為樣本的函數(shù)，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，這個(gè)統(tǒng)計(jì)量稱為MTBF的“點(diǎn)估計(jì)量”，利用樣本觀測值對點(diǎn)估計(jì)量的計(jì)算結(jié)果稱為點(diǎn)估計(jì)值。不同樣本觀測值得到的點(diǎn)估計(jì)值也不同，因此點(diǎn)估計(jì)量是一個(gè)隨機(jī)變量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這種方法要求故障數(shù)大于等于201。根據(jù)國內(nèi)地鐵的情況，單月發(fā)生的關(guān)鍵故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20次，發(fā)生20次故障的時(shí)間一般在6個(gè)月以上.國內(nèi)地鐵項(xiàng)一般都要求按月進(jìn)行驗(yàn)證，連續(xù)6個(gè)月或12個(gè)月達(dá)到要求，時(shí)間上很難滿足要求。

IEC 61124標(biāo)準(zhǔn)描述了恒定故障率產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證的四種區(qū)間估計(jì)方法，其中固定時(shí)間/故障終止試驗(yàn)最小的試驗(yàn)時(shí)間要求為MTBF的1.08倍（標(biāo)準(zhǔn)中表3，試驗(yàn)計(jì)劃B.8），相對點(diǎn)估計(jì)法，可以在較短時(shí)間內(nèi)做出接收或拒收判決。

地鐵車輛屬于可修復(fù)產(chǎn)品，且要求按月驗(yàn)證，即定時(shí)截尾。通過上一章節(jié)的描述我們知道地鐵車輛故障服從指數(shù)分布，故障率為常數(shù)。因此，為了在短時(shí)間得到驗(yàn)證結(jié)果，在考慮一定風(fēng)險(xiǎn)的前提下，可采用IEC 61124標(biāo)準(zhǔn)。目前基于IEC 61124的可靠性驗(yàn)證也已經(jīng)在上海、廣州、南寧、武漢等多個(gè)項(xiàng)目展開。

固定時(shí)間/故障終止的試驗(yàn)計(jì)劃的特點(diǎn)是當(dāng)用于終止的試驗(yàn)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到時(shí)或者當(dāng)容許的故障數(shù)量已經(jīng)超過時(shí)用于接受或拒收的符合性的決策規(guī)則。具體將以實(shí)例在下文進(jìn)行介紹。

3 某地鐵項(xiàng)目可靠性驗(yàn)證實(shí)例

3.1 合同規(guī)定的可靠性要求（m0）

3.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

4 結(jié)果評估

針對服務(wù)故障，發(fā)生故障數(shù)為1次，小于規(guī)定的故障數(shù)2次;總運(yùn)營時(shí)間8736h，大于要求的試驗(yàn)時(shí)間6480h，驗(yàn)證通過;

針對晚點(diǎn)故障，發(fā)生故障數(shù)為1次，小于規(guī)定的故障數(shù)4次;總運(yùn)營時(shí)間為8736h，大于要求的試驗(yàn)時(shí)間5640h，驗(yàn)證通過;

針對碎修、列檢故障，總運(yùn)營時(shí)間為8736h，大于要求試驗(yàn)時(shí)間8115h，發(fā)生故障數(shù)為61次，小于可接收的故障數(shù)66次，驗(yàn)證通過。

如果出現(xiàn)驗(yàn)證不通過，則需對存在問題進(jìn)行原因分析、并提出整改方案。

5 結(jié)語

通過以上內(nèi)容，得到以下結(jié)論和可靠性驗(yàn)證需要注意的問題：

（1）通過對復(fù)雜裝備的故障分布特點(diǎn)介紹，證明地鐵車輛的故障服從指數(shù)分布，其可靠性驗(yàn)證適用IEC 61124標(biāo)準(zhǔn)。并比較了點(diǎn)估計(jì)法的優(yōu)缺點(diǎn)，說明了選擇IEC 61124標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的原因。

（2）通過可靠性驗(yàn)證的實(shí)例，可以看出在驗(yàn)證前必須根據(jù)假設(shè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與業(yè)主確定生產(chǎn)方、消費(fèi)方風(fēng)險(xiǎn)，鑒別比，可靠性目標(biāo)是檢驗(yàn)上限還是檢驗(yàn)下限，及故障記錄原則，以制定合適的驗(yàn)證計(jì)劃。

（3）由于國內(nèi)項(xiàng)目驗(yàn)證要求按月進(jìn)行，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)計(jì)劃時(shí)，可能會有月度運(yùn)營時(shí)間低于可靠性目標(biāo)的情況，即樣本量無法滿足驗(yàn)證要求，這時(shí)可采取雙月驗(yàn)證或雙月迭代或累積更長時(shí)間的方法;還有一種情況是在標(biāo)準(zhǔn)中已給出的試驗(yàn)方案中無法選取適合的方案時(shí)，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中提到的電子表格程序自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。對于碎修，列檢故障，樣本量足夠大，也可直接采用點(diǎn)估計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]IEC 61124-2012，恒定失效率和恒定失效強(qiáng)度的可靠性驗(yàn)證驗(yàn)證[S].