雙軸跨座式單軌轉向架 RAMS指標體系構建研究

肖 靜，楊百嶺，葉珍珍，寇文娟，楊緒杰，冉 龍

（重慶中車長客軌道車輛有限公司，重慶 401133）

1 引言

雙軸跨座式單軌轉向架分為動力和非動力2種，其結構一致，互換性良好，走行輪采用橡膠輪胎代替地鐵車輛的鋼輪，通過導向輪替代地鐵車輛車輪踏面的導向作用，如圖1所示。雙軸跨座式單軌轉向架兩側梁外側各安裝3個水平輪，用以引導轉向架并控制側傾運動。作為跨座式單軌車輛的核心，轉向架對車輛安全具有重要作用，其良好的RAMS（可靠性，可用性，維修性和安全性）特性，對于提高單軌車輛性能、滿足用戶需求具有重要意義。在國際鐵路行業標準質量管理體系要求（IRIS）中，RAMS過程可單獨作為一項工程來實施，并貫穿到產品全生命周期。從對產品的可行性分析研究到產品報廢的整個生命周期過程中，建立RAMS論證過程，通過RAMS論證過程梳理RAMS要求，并通過定性和定量的RAMS指標評定以保證所有RAMS要求的實現。

2 構建 RAMS 指標體系

在跨座式單軌車輛轉向架設計過程中，用戶通過合同對各級供應商提出要求，然后由主機廠細化對下游供應商的要求，例如，某項目在招標文件中對整車可靠性提出要求：對導致列車停車時間超過3 min及以上時間的故障給出平均無故障時間（MTBF）指標（不低于3000 h）；還有其他項目招標書要求：造成2 min或以上初始延誤的故障率要求小于1.48次/百萬車公里。通過指標的量化，可以更加具體地約束下游供應商，保證車輛可靠性的持續提升。

2.1 可靠性指標

可靠性是產品在規定時間、規定條件下保持規定功能的能力。通常采用每列車的故障率（單位：次/h）或MTBF（單位：h）來表示。在用戶車輛采購的招標書中，通常會以某種形式給出可靠性指標的具體數值，然后由RAMS工程師對其進行指標分解，并最終落實到具體設備上。對于可靠性指標而言，要深入到每個部件，甚至零件。

2.2 可用性指標

可用性是產品在任意一個隨機時刻處于可用狀態的能力。可用性指標是指一項設備在其可靠度、可維修度及維修輔助配合下，在既定或超越既定期間內充分提供所需功能的能力，其指標是一個百分比，顯示了列車可供使用的比率，該指標可簡稱為可用度A，其計算公式為：

式（1）中，MTBF為平均無故障時間；MTTR為平均維修時間。也可采用以下公式計算可用度A：

式（2）中，停車期是在一段時間內全體列車因為故障或安排維修而停止載客服務的時間，維修包括大修、架修、定修、故障修等。在設計階段，根據系統分層架構表及預防性維修計劃的資料，計算出測試期內用于全體列車檢修、定修、架修和故障修所需要的總工時。同時，參考合同中列明的運營狀況，計算出測試期內全體列車的總運轉時間。

2.3 維修性指標

維修性是產品在規定時間、規定條件下，按規定程序進行維修時，恢復正常運作的能力。維修性表征車輛預防和修復故障的能力，表達其維修的難易程度，是車輛設計所賦予的一種固有屬性。該指標相對復雜，它與一系列維修需求指標相關，包括所有定期檢修的內容、需要的人數和停車時間，需詳細列明故障修復時間的涵蓋范圍。車輛維修分為糾正性維修或故障修（CM）和預防性維修或檢修（PM），對CM而言，可通過計算車隊的MTTR來評價車輛可維修性。通過預測每一個系統的MTTR和故障數，計算車隊整體平均維修時間。

2.4 安全性指標

安全性是免受不可接受的風險影響的特性，包括人員受傷、財產損失、業務中斷等。安全性指標是以安全風險等級來評定的，風險分為4個等級：R1，除特殊情況外，必須消除該類風險；R2，必須將風險減低至最低實際可行的水平；R3，可忍受的風險，但仍須按成本效益盡量減低風險；R4，可接受的風險。

風險等級根據故障的發生頻率和該故障所造成的后果，通過查詢如圖2所示的城市軌道交通車輛風險矩陣來進行確定。對車輛供應商而言，目標就是把所有的危害降低到R3或R4的風險等級。

由圖2可知，故障發生頻率可分為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J等10個類別，如：A級，表示每周發生數次或更多，對應頻率大于100次/年（含），其他類別的含義以此類推。故障所造成的后果嚴重度可分為1、2、3、4、5、6、7等7個類別，如：1級表示特別重大事故，指多于50（含）人死亡，系統中斷1個月，線路中斷幾個月，車站服務中斷1年，其他類別以此類推。

3 影響 RAMS 指標體系的因素

車輛的安全性和可用性目標只能通過滿足列車可靠性和維修性技術要求，控制當前和長期的運用、維修工作及環境來達到。為達到車輛良好的RAMS性能，對影響轉向架系統的RAMS因素進行分析十分必要。對影響轉向架系統的RAMS因素進行全方位、全過程的分類考慮，如圖3所示。

宏觀上，影響轉向架系統的RAMS因素可分為系統條件、運營條件和維護條件3個方面。系統條件主要是指雙軸跨座式單軌轉向架的技術特性，例如，車輪系統為輪胎系統，走行輪采用雙軸雙輪輞充氣輪胎，輪軸為懸臂式結構，輪胎安裝在輪輞上，輪輞通過輪芯裝配在空心車軸上。運營條件為列車在軌道梁上運行涉及的相關條件，走行輪直徑為1008 mm（自由），承載5600 kg；水平輪直徑為730 mm（自由），承載2000 kg；走行輔助輪通過空心軸安裝到構架上，當走行輪胎無氣失效后，將代替走行輪承受垂向和橫向載荷、振動、沖擊。維護條件包括人為因素、維護程序、維護保障，需在車輛全壽命周期范圍內制定合適的維修方案。以上因素都將影響整個RAMS特性，針對各個影響因素，采取合適的策略使其向需要的方向發展是RAMS設計的主要方向。

4 轉向架系統 RAMS 指標計算算例

4.1 可靠性模型構建

在單軌車輛轉向架系統RAMS設計中，為方便RAMS分析，減少相關的重復性工作，對轉向架系統功能分解如下：構架組成、車輪系統、牽引裝置、二系懸掛、輔助裝置、走行輪有線胎壓監測裝置、驅動裝置等7大模塊，可靠性框圖如圖4所示。

在標書中要求造成初始延誤小于3 min的故障故障率要小于3.33E-04次/h，在投標和設計階段，根據以往相似結構的事故比例，對可靠性指標進行逐級分配，其中轉向架系統的事故比例為4.56%，每列車轉向架故障率為1.22E-05次/h，MTBF為82237 h。假設車輛運行條件如表1所示。

表1 運行條件假設

4.2 可靠性指標計算

RAMS指標分配是一套自上而下的系統工程，可靠性指標要分配到功能相對獨立的模塊或部件中。根據項目合同要求，轉向架系統導致初始延誤小于3 min的故障故障率為1.22E-05次/h。根據既有轉向架的運營情況，統計出轉向架各部件的事故比例，根據事故比例確定轉向架系統的可靠性指標分配，其故障率分配表如表 2所示。

表2 轉向架故障率分配表

假設1年內，平均維修時間MTBF為0.61 h，車隊每年故障數目為2.3次，車隊每年的故障維修時間為1.403 h，則可用度為：

根據表2所示的指標分配比例，可知在實際中車輛車輪系統、二系懸掛、胎壓監測等故障率較高，且車輛一旦出現輪胎爆胎、軸承損傷、空氣彈簧故障等問題時，將會導致清客甚至救援的情況發生，對車輛安全產生很大影響，因此下文對雙軸跨座式單軌轉向架的安全冗余進行設計。

車輛可靠性對可用性的影響取決于故障的各種狀況，列車發生不同的故障模式對系統功能影響也存在差異。為提高產品的可用性，產品除了具有高的可靠性外，還必須具有良好的維修性。

5 系統的安全冗余設計

雙軸跨座式單軌車輛轉向架作為車輛安全的關鍵系統，其多重的安全冗余設計可提高乘客對車輛安全的信心，提高產品核心競爭力。

為保證車輛在不同載荷條件下地板面與站臺平面的高度差，采取以下措施：在每個空氣彈簧中配置高度調整桿和高度閥，使地板面高度與站臺高度在公差范圍內；通過安裝壓力傳感器監視每個轉向架空氣彈簧的故障并報告列車控制和管理系統（TCMS）；制動系統執行空重車調整，當一個轉向架的空氣彈簧壓力不在正常范圍時，制動系統將采用該節車的另一個轉向架的載荷信息進行常用制動；當同一節車的2個轉向架的空氣彈簧壓力均不在正常范圍時，制動系統將采用空載（AW0）載荷信息進行常用制動。制動系統的空重車調整功能具有空車保證（100%空車條件）和過載限制，避免了當空氣彈簧破裂或載荷信號過大所引起的錯誤信息，同時該功能也會將載荷信號傳遞給主控制單元。

為避免發生車輛傾斜，可采取以下措施：在走行輪胎安裝胎壓監測裝置，一旦輪胎失壓，司機室報警，車輛限速運行，在轉向架構架端部設置走行安全輔助輪，走行輪胎失氣后，該輔助輪能將車輛低速運行回車輛段，為保證走行輔助輪安全，添加輔助輪著陸檢測裝置；在水平輪胎安裝無線胎壓監測裝置，一旦輪胎失壓，司機室報警，車輛限速運行。在水平輪輪輞設置安全輔助輪，水平輪胎失氣后，該輔助輪能將車輛低速運行回車輛段；在輪胎上設置磨耗到限標記，并定期進行檢查；走行輔助安全輪表面采用硫化聚氨酯橡膠，提高抗疲勞性能。

此外，針對每一個故障模式的影響，在設計與工藝方面采取相應措施，以保證：當轉向架零部件發生故障時，能夠繼續工作，不影響運行安全；能夠消除或降低故障影響的設計或工藝改進；在運營過程中采用合適的補償措施，在使用和維護手冊中規定使用維護措施，以避免和預防類似故障的發生。一旦出現故障后，采取最適宜的補救措施，將損失降至最低。在RAMS設計過程中，以水平輪軸承擦傷為例，通過隱患登記冊對這些設計要點進行系統管理，如表3所示。

表3 隱患登記冊（局部）

6 結論

本文構建了RAMS指標體系，闡述各項指標之間的關聯，分析影響RAMS指標體系的因素。RAMS指標的最終目標是要保證車輛可靠性的執行，并在技術上得到持續改進。

為保證車輛安全性，雙軸跨座式單軌轉向架進行了多重冗余設計，對車輛傾斜、地板面高度調整等安全性故障采取多重保護措施，并以水平輪軸承擦傷隱患為例，建立其隱患分析檔案，進行風險評估，從而保證RAMS指標體系的持續優化。