復興號動車組RAMS 特點分析*

朱慶龍

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

為全面提升中國動車組設計、研發、制造水平，打造適合中國國情、路情的動車組設計制造平臺，滿足長距離、長時間、持續高速運行等需求，實現中國動車組自主化、標準化和系列化，促進動車組由中國制造到中國創造的跨越，原中國鐵路總公司組織開展了復興號動車組設計研制工作。CR400AF/BF 復興號動車組不僅表現出高速度，更體現出裝備發展的高質量，其中RAMS 設計便是其突出亮點之一。RAMS 是可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、可維修性（Maintainability）、安全性（Safety）的英文縮寫［1］，復興號動車組在設計研發中充分考慮了RAMS 設計，為動車組高效運用維修奠定堅實的技術基礎，以先期投入運用的CR400AF/BF 動車組為例，分析其RAMS 特點及效果。

1 可靠性特點分析

可靠性是指設備在規定條件下和規定時間內完成規定任務的能力。對于動車組來說，規定條件包括外部環境、線路、供電、通信信號、司乘人員、正常維保等條件，規定時間指運行圖圖定時間，規定任務指車組正常運行、完成旅客運輸任務。

1.1 可靠性定量指標及要求

根據動車組設備故障對運輸組織造成的影響程度和非正常停車時間的長短，將故障分為4 類，即A 類故障、B 類故障、C類故障和D 類故障。

A 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或晚點時間大于20 min 小于1 h 的故障。對應的可靠性指標為動車組百萬公里A 類故障率。

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或晚點時間少于20 min 的故障。對應的可靠性指標為動車組百萬公里B 類故障率。

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在功能受限模式下運行的故障。對應的可靠性指標為動車組百萬公里C 類故障率。

D 類故障：不影響動車組正常運行的其他各類故障。對應的可靠性指標為動車組百萬公里D 類故障率。

按照技術條件規定，CR400AF/BF 動車組可靠性指標應達到下列指標：A 類故障率不超過0.2件/百萬km；B 類故障率不超過0.4 件/百萬km；C類故障率不超過1.0 件/百萬km［2］。CR400AF/BF動車組采用多種可靠性設計準則，確保動車組具備高可靠性。

1.2 可靠性設計分析

1.2.1 降額設計

降額設計是使產品或零部件所承受的工作應力（機械應力、電應力、溫度應力）適當低于額定值，從而達到降低故障率提高可靠性的目的。

（1）動車組部分總體技術參數高于技術條件規定要求，牽引、制動功率具有一定余量，不僅為性能退化留有余量，還能使得動車組日常運用中非滿負荷運行，降低故障率。CR400AF 轉向架臨界速度大于550 km/h，CR400BF 動車組輪周牽引功率達10 140 kW。

（2）車體、轉向架、車鉤等各類結構件運用降額設計理念進行強度設計，能夠提高安全系數，降低裂紋出現概率。CR400AF 設計軸重不大于16 t，關鍵部件強度按最大軸重17 t 設計。

（3）牽引、輔助系統電子元器件在選型時根據電壓、電流、功率、絕緣、耐壓等要求充分考慮降額設計，能夠應對短時高電壓（電流）沖擊。CR400BF高壓部件雷電沖擊耐受電壓185 kV，高壓箱整體雷電沖擊耐受電壓170 kV。

（4）網絡設備選型時為信息傳輸預留有適當的余量，保證信息傳輸的可靠性。動車組布設以太網，主要用于傳輸狀態數據和故障數據，實現在線監測和數據下載。

（5）空調采暖及通風系統設計留有余量，能有效應對高寒或高溫天氣和應急情況。CR400BF 采用鈦酸鋰離子電池，應急通風2 h 后，單組電池剩余容量大于60%。

（6）水箱、污物箱的容量設計留有余量，滿足乘客滿員及部分超員情況下的需求。CR400BF 凈水箱容積較CRH380B 增加7%，污物箱容積較CRH380B 增加22%。

（7）牽引變壓器、變流器冷卻系統考慮實際運用環境，當有效進風面積減少15%時仍然能滿足額定功率運用下的冷卻能力要求，降低高溫報警的概率，同時降低變壓器、變流器工作環境溫度，減少故障發生。

1.2.2 冗余設計

冗余設計是通過重復配置某些關鍵設備，當設備出現故障時，冗余的設備介入工作，承擔故障設備的功能，為系統提供服務，減少宕機事件的發生。

（1）動車組由2 個相對獨立的動力單元組成，每個動力單元包含2 輛動車和2 輛拖車，牽引系統主要由1 個受電弓、1 臺牽引變壓器、2 臺牽引變流器、8 臺牽引電機組成（CR400AF 每臺變流器有2個逆變器，架控驅動4 臺電機；CR400BF 每臺變流器輛控驅動4 臺電機）?；緞恿卧械碾姎庠O備發生故障時，可全部或部分切除該動力單元，而不影響到其他動力單元的運用。

（2）輔助系統主要由4 臺輔助逆變器、2 臺充電機、2 組蓄電池構成，采用并網供電和冗余設計，保證在各種工況下可靠供電。

（3）各車制動控制單元通過網絡和硬線冗余接受制動指令，具有冗余軸抱死檢測功能（DNRA）。

（4）網絡控制系統采用TCN 和高速傳輸以太網的雙重冗余設計。

（5）司機室TCMS、ATP 顯示屏均設置雙屏，互為備份，主屏幕故障后可快速切換至備用屏幕。

圖1 CR400AF 動車組牽引系統結構圖

1.2.3 耐環境設計

耐環境設計是在設計時考慮產品在整個壽命周期內可能遇到的各種環境影響，例如裝配、運輸時的沖擊、振動，貯存時的溫度、濕度、霉菌，使用時的氣候、環境、振動等影響，采取散熱（加熱）、冷卻、隔熱、密封、干燥、防護涂層、加固、控制諧振及減振等技術，選用耐高（低）溫、耐潮、抗霉等材料，確保產品的可靠性。

（1）變壓器、變流器、電機等電氣件和制動、網絡控制等裝置電子元器件采用風冷、水冷、油冷等散熱措施保證合適的工作環境溫度。

（2）車體、轉向架等部位采用涂漆、涂油脂、電鍍、磷化等保護措施避免腐蝕；空壓機設有干燥塔除濕，避免制動管路銹蝕和冬季結冰堵塞管路；電氣系統采用耐油、耐腐蝕、絕緣等級高的電線電纜，保證電流或信號傳輸的可靠性。

（3）設備艙為全密封式結構，格柵和濾網防水、防雪、防柳絮；針對秋冬季霧霾天氣嚴重，絕緣子表面易吸附污物導致高壓電氣絕緣失效實際情況，增大了絕緣子的爬電距離要求；高壓電氣件集成于密閉的高壓設備箱內，避免受到外界環境因素影響。

（4）懸掛裝置裝有鋼彈簧、空氣彈簧、油壓減振器、橡膠節點、橡膠墊等以減輕振動、緩和沖擊；變壓器、變流器等車下吊掛部件均設有減振橡膠以減輕振動和沖擊。

（5）電機、電器、電子裝置、電線電纜等采取相應的防霉、防老鼠等嚙齒類小動物的措施。

2 可用性特點分析

可用性是指在要求的外部資源得到保證的前提下，產品在規定的條件下和規定的時刻或時間區間內處于可執行規定功能狀態的能力。它是產品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。

2.1 可用性定量指標及要求

動車組可用性指標包括定期檢修率、臨修檢修率和完好率。

（1）動車組定期檢修率指動車段（所）處于定期檢修狀態的某型動車組列日數與應支配動車組列日數之比。這里的定期檢修是指需要日間扣車實施的二、三、四、五級修。

（2）動車組臨修檢修率指某動車段（所）由于偶發故障導致的計劃外修復性維修狀態的動車組列日數與應支配動車組列日數之比。

（3）動車組完好率指動車段（所）處于可運用狀態（包括實際運用和備用）的動車組列日數與應支配動車組列日數之比。

CR400AF/BF 動車組年平均運行里程不低于80萬km，可用性指標要求：計劃檢修率不超過14%；臨修檢修率不超過3%；完好率不低于83%［2］。

2.2 修程修制

定期檢修率由動車組定期檢修周期和檢修停時確定，臨修檢修率與動車組的可靠性密切相關。CR400AF/BF 動車組修程分為五級，其中一、二級屬于運用維修，以維護保養為主，在動車所完成；三、四、五級屬于高級別維修，以恢復基本性能為主，在動車段或主機廠完成，維修等級及周期見表1。

表1 動車組維修等級及周期

目前國鐵集團正在大力推進動車組修程修制改革，制定了一系列延長檢修周期、優化檢修內容及檢修方式的推進方案，改革成功后動車組的可用性將得到進一步提升。

2.3 互聯互通

互聯互通是CR400AF/BF 動車組頂層功能指標之一，基于高速動車組運用和統型需求，實現了不同主機廠產品的司乘界面、操作界面、旅客界面統一。

司乘界面：統一司乘操作界面、緊急安全設施；統一車門、車窗、滅火器等應急安全設施配置；

操作界面：統一HMI 顯示界面、故障代碼等；

操控模式：統一設置牽引運行、連掛解編、救援、回送、洗車、調車、緊急牽引、外接電源8 個工作模式；

服務設施：統一衛生間、盥洗室、開水爐、服務臺、工具柜、客運柜、潔具柜、垃圾小車存放、大件行李存放等旅客界面配置，實現列車相互備用。

通過互聯互通設計，實現了動車組的相互重聯、救援、熱備，有效提升了動車組的利用效率，實現運營組織的靈活性，降低了運用成本。

3 可維修性特點分析

維修性是指在規定的條件下，并按照規定的程序和手段實施維修時，產品在規定的使用條件下，保持和恢復能執行規定功能狀態的能力，是由產品設計決定的使其維修簡便、迅速、經濟的特性。

3.1 維修性定量指標及要求

CR400AF/BF 動車組各級修程主要內容和維修停時要求如下：

（1）一級維修：例行檢查。一級維修以檢查為主，包括制動、走行、受電弓在內的全面檢查，廁所排污、清掃保潔等，維修停時每次不超過2.5 h。

（2）二級維修：專項維修。二級維修主要包括，空心車軸探傷、踏面修形、齒輪箱換油、軸承潤滑、重要系統和部件的功能測試等內容，維修停時每年累計不超過25 d。

（3）三級維修：轉向架分解檢修。三級維修主要是轉向架分解檢修，對制動、牽引、空調等系統進行狀態檢查和功能測試，維修停時每次不超過30 d。

（4）四級維修：系統分解檢修。四級維修主要針對動車組各系統的分解檢修，主要包括轉向架、制動系統的分解檢修；電機、電器的性能測試及更換；車內設施的檢修等，維修停時每次不超過40 d。

（5）五級維修：整車分解檢修。對整車進行分解檢修，較大范圍地更新零部件。主要包括動車組分解、清洗、檢查、修復、更換、車體重新油漆等，維修停時每次不超過50 d［2］。

圖2 CR400AF/BF 動車組互聯互通示意圖

3.2 維修性設計分析

3.2.1 按照有利于保養與維修，減小維修工作量、降低維修成本的要求設計

（1）軸箱采用分體式結構，便于輪對快速更換。

（2）車窗采用整體框架式安裝結構，方便維護更換。

（3）內風擋兩側可快速解編，方便檢修車端部件。

（4）設備艙采用鎖結構設備艙裙板，抽拉式設備艙底板，設置檢修檢查門等優化措施取代螺栓安裝結構，減少作業量，提高作業效率。

（5）統一檢修維護接口：注水口、排污口、頂車位、外接電源、動車組旋輪工裝、登頂作業等，便于日常運用維修。

（6）CR400AF 采用車下集成式高壓設備箱，解決污閃問題；外風擋底部可快速拆卸，便于檢修車端部件；結合用戶、司乘、檢修等需求，優化人機界面。

（7）CR400BF 采用鈦酸鋰離子電池，基本實現終身免維護；采用高壓部件集成車頂高壓箱方案，具有耐候性、免清洗、檢修維護方便、氣動阻力和氣動噪音小等特點。

圖3 CR400BF 動車組車頂高壓布置和主電路示意圖

3.2.2 標準化、模塊化、通用化設計

（1）為提高零部件通用性、互換性，減少備品備件種類和數量，降低動車組全壽命周期成本，CR400AF/BF 動車組開展了11 個系統96 項零部件的統型工作：座椅、側門、車窗、車鉤、滑板、閘片、車軸、鎖類等，實現完全統型，滿足整機和維護部件完全互換；電視、內外信息顯示器、蓄電池、電壓電流互感器、受電弓等，統一電氣、機械接口，滿足整機互換；空調、便器、水箱、開水爐等，實現維護部件和易損易耗件的統一。

（2）設備艙整體采用模塊化結構，車下預組，整體安裝。

（3）牽引、制動、網絡、輔助等系統按照功能不同分層次（LRU、SRU、SSRU）進行模塊化設計，使各功能由不同模塊或板卡控制，便于故障定位、隔離和部件更換，達到快速解決故障的目的。

3.2.3 測試性設計

（1）采用新一代列車網絡控制系統（TCN 網+以太網），首次構建百兆級以太網列車網絡，提升信息處理技術。

（2）設置監測點2 500 余項，采集各種車輛狀態信息1 500 余項，實時診斷運行故障，出現異常，自動報警或預警，并根據安全策略自動采取限速或停車。

（3）采用智能移動終端、WLAN 無線設備、以太網單點維護、故障自動識別等技術手段，實現列車控制和任意子系統的健康管理和全方位、多維度的故障診斷，檢修維護更加智能化。

（4）優化車—地無線傳輸系統，提升動車組故障信息、狀態信息實時傳輸能力，通過便攜式測試工具實現車輛本地在線監視和故障處理，采用4G移動通信技術實現遠程實時監視和遠程維護支持，提高運用檢修效率。提供包括無線上網服務、新聞資訊、旅行信息、列車動態信息服務、旅客坐席及乘務工作管理等在內的智能化服務。

4 安全性特點分析

CR400AF/BF 動車組的設計以故障導向安全為原則，在確保走行安全的基礎上，采取了多種主動安全與被動安全措施。主動安全措施主要包括：接近預警、地震預警、煙火報警系統；失穩、軸溫、受電弓視頻監測；過壓、過流、高壓、欠壓、防滑、超溫、接地保護等。被動安全措施主要包括：碰撞吸能裝置，脫線防護裝置，滅火器（干粉和水基），阻燃、低煙、無毒（低毒）、無鹵的非延燃性材料或防火材料等。

（1）車體采用整體承載結構，由6 系鋁合金通長薄壁中空大型材焊接而成，車頭采用型材蒙皮與承載梁焊接結構，焊接變形小。CR400AF 中空鋁型材最大638 mm，斷面焊縫數量由CRH380A 的60 條減少至44 條，降低殘余應力及焊接變形。

（2）設備艙裙板、底板設計具有防松脫功能。

（3）塞拉門具有本車控制、集中控制、手動、速度鎖閉、防擠壓、氣密等功能，并與牽引系統聯鎖，車門未關閉封鎖牽引，車速大于5 km/h 時隔離開門功能（緊急開門除外），車速大于10 km/h 時不能打開車門（包括緊急開門）?？刂浦噶钣糜簿€傳輸、開門控制2 步操作，防止誤操作。鎖閉裝置采用多點壓緊、鎖閉，安全可靠。

（4）按照車鉤、防爬及主吸能塊三級吸能原理研制了碰撞吸能裝置，能量吸收系統由頭車端部吸能結構和中間車鉤緩沖裝置組成，碰撞試驗結果滿足EN 15227 標準要求。

（5）軸箱設置有軸溫傳感器和熔斷繼電器雙保險，對軸承進行監測和保護。

（6）通風系統采用被動式壓力保護系統控制車內壓力波動，優化壓力波控制策略，減小隧道通過或交會時耳部不適感。

（7）動車組各車輛端墻（門）具有耐火性能，保證起火后15 min 之內不會通過其蔓延到相鄰車輛，同時能維持運行15 min，使動車組駛離不易停車處理事故的區域。

（8）車內設施充分考慮旅客安全，通過臺和車內地板平滑過渡無臺階，地板布防滑耐磨，衛生間、通過臺、車門處均設有扶手，車內端門具有防擠壓功能，電開水爐設有2 個按鈕，先按解鎖按鈕后再按出水按鈕才能出熱水，避免兒童誤操作造成燙傷。

圖4 脫線防護裝置（左）和碰撞吸能裝置（右）示意圖

圖5 CR400AF 動車組設備艙示意圖

5 結束語

產品壽命周期各個階段對RAMS 的影響程度是不同的，越是早期階段對RAMS 的影響越大，論證、研制階段基本確定了RAMS 的80% 因素。CR400AF/BF 動車組在設計制造中充分考慮了RAMS 需求，為其高效運用維修提供了很好的技術基礎。但目前我國動車組的修程修制頂層設計仍處于初級階段，動車組運用檢修水平與國際先進水平還有一定的差距，應持續加強此方面研究和工程應用。機車車輛檢修多年實踐經驗表明，一套良好的機車車輛修程修制體系不是優化出來的，而是從設計源頭系統規劃出來的。在機車車輛設計研發階段，應自覺運用現代維修理論、RAMS 技術和LCC（Life Cycle Cost）方法開展維修頂層規劃和正向設計，系統全面地考慮產品交付后的運用和維修需求，合理規劃各系統和主要部件的使用壽命、維修周期、維修方式等，實現主要部件壽命和維修周期與整車維修周期相匹配，檢查維修方便快捷，避免僅僅為了更換或維修某一部件而對整車或某一系統進行大范圍的拆解組裝，實現修程修制的“優生優育”，達到機車車輛運用維護的安全、可靠、高效、經濟。