1、前言
隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，高鐵已逐步成為了人們出行的首選。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)出行及服務(wù)質(zhì)量需求，軌道車輛系統(tǒng)的安全、可靠是關(guān)鍵。正因如此，國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都在投入相應(yīng)的人力、物力開(kāi)展軌道交通系統(tǒng)的可靠性、安全性研究工作。但是，由于軌道車輛系統(tǒng)的可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，主要有EN 50126-軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例、GB/T 21562-軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例(即EN 50126)，使得軌道車輛系統(tǒng)的相關(guān)研制單位在實(shí)施可靠性工作過(guò)程中，無(wú)所適從。本文結(jié)合實(shí)例，詳細(xì)介紹如何開(kāi)展軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析工作。通過(guò)分析，確定輪副及組件分系統(tǒng)的故障率比重較高，且采用球型軸承設(shè)計(jì)的輪副可靠性比圓柱型軸承設(shè)計(jì)的輪副高一些。進(jìn)一步分析這兩種設(shè)計(jì)方案的輪副實(shí)際工作環(huán)境、使用的材料、使用頻率等數(shù)據(jù)，最終確定兩者可靠性存在差異的根本原因。最終的分析結(jié)果可以為后續(xù)的軌道車輛系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供技術(shù)、數(shù)據(jù)支撐。
2、軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析流程
關(guān)于全壽命周期階段的軌道車輛系統(tǒng)可靠性工作項(xiàng)目、流程問(wèn)題，在EN 50126.3標(biāo)準(zhǔn)的第6章節(jié)、EN 50126.1標(biāo)準(zhǔn)的第6章節(jié)已經(jīng)詳細(xì)介紹，這里不再贅述。本文主要介紹的是如何結(jié)合相應(yīng)維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，開(kāi)展可靠性分析工作，以支撐軌道車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與使用階段的RAMS工作。
軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析流程大體分為以下幾步：
第一：明確可靠性分析目的，明確可靠性分析對(duì)象，對(duì)軌道車輛系統(tǒng)、子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的理解，及其故障的識(shí)別和編碼；
第二：收集、篩選和分類處理每個(gè)子系統(tǒng)的相關(guān)故障數(shù)據(jù)（MTBF、MDBF等，參數(shù)含義見(jiàn)附錄A）；
第三：驗(yàn)證相同和獨(dú)立分布的組件的數(shù)據(jù)；
第四：擬合子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，獲得理論的概率分布；
第五：評(píng)估每個(gè)子系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，以及最優(yōu)分布。
需要注意的是：下面的分析是基于以下假設(shè)：（1）系統(tǒng)是可修的；（2）系統(tǒng)可進(jìn)行維修和維護(hù)更新；（3）所研究的系統(tǒng)功能是獨(dú)立的；（4）修復(fù)的組件與新的一樣好，即修復(fù)如新。
3、軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析案例
3.1 對(duì)象及目的
本次分析的對(duì)象是軌道車輛系統(tǒng)。分析的目的是：通過(guò)分析，確定軌道車輛系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并利用相應(yīng)的維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)找出薄弱環(huán)節(jié)的可靠性影響規(guī)律，用于評(píng)估、確定各分系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，用于合理確定系統(tǒng)的預(yù)防性維修工作計(jì)劃等。
3.2 數(shù)據(jù)收集、分類
列車在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生各種各樣的故障。但是，只有特定的一些故障才會(huì)影響到車廂正常運(yùn)行、乘客乘車安全。此外，一些嚴(yán)重的故障可能還會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或者多個(gè)車廂脫軌，從而導(dǎo)致列車的低可用性、低安全性，影響乘客的乘車滿意度。
軌道車輛系統(tǒng)的每節(jié)車廂，都是由多個(gè)子系統(tǒng)組成，包括轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)、變速箱子系統(tǒng)等，每個(gè)子系統(tǒng)由不同的組件、設(shè)備組成，每個(gè)組件壽命都可能服從一定的失效分布。為了更清晰地判斷軌道車輛系統(tǒng)到底是哪個(gè)環(huán)節(jié)更為薄弱，需要對(duì)軌道車輛系統(tǒng)的故障進(jìn)行分類收集、處理。因此，我們首先需要分析列車每節(jié)車廂由哪些子系統(tǒng)、組件組成，這樣就可以對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。
我們以軌道列車為例，把每節(jié)車廂劃分為轉(zhuǎn)向架與車輪定位分系統(tǒng)、輪副及組件分系統(tǒng)、空調(diào)（冷氣系統(tǒng)）、剎車系統(tǒng)、蒸汽加熱系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)等組成。根據(jù)收集的故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同子系統(tǒng)的故障數(shù)統(tǒng)計(jì)（使用帕托圖方法統(tǒng)計(jì)）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)可知，輪副及組件分系統(tǒng)的故障比重占76%。因此，我們重點(diǎn)分析輪副及組件分系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題。
通過(guò)分析，該公司研制的車廂使用的輪副包括三種類型，分別為I類（770mm、碟剎、球型軸承）、II類（770mm、碟剎、圓柱型軸承）、III類（830mm、蹄片剎車、圓柱型軸承）。分別找出這三類不同輪副的故障與維修數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
3.3 數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證、分析
收集到的數(shù)據(jù)，不能直接用于可靠性分析。需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證、分析工作。驗(yàn)證分析主要是對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證、分布檢驗(yàn)等，確認(rèn)數(shù)據(jù)是否服從統(tǒng)一分布、是否具有相關(guān)性，確保后續(xù)可靠性評(píng)估等工作的數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性。這里，利用PosVim工具的威布爾分析模塊進(jìn)行驗(yàn)證分析，把表2的數(shù)據(jù)輸入到軟件工具中，進(jìn)行箱圖分析、早期失效分析、圖示檢驗(yàn)、分布檢驗(yàn)（AD檢驗(yàn)、KS檢驗(yàn)、T檢等）等多種手段檢驗(yàn)。通過(guò)檢驗(yàn)分析，可以看出，威布爾分布與數(shù)據(jù)擬合更為合理。
3.4 分布擬合分析
確認(rèn)數(shù)據(jù)有效性以及后，即可進(jìn)行分布擬合、分布參數(shù)的估計(jì)。利用PosVim工具的威布爾分析模塊，使用0.95置信度，極大似然法進(jìn)行擬合。通過(guò)擬合，得到I類、II類、III類輪副的分布參數(shù)擬合結(jié)果如下表所示。
3.5 可靠性評(píng)估
根據(jù)三類輪副的分布參數(shù)擬合結(jié)果，利用PosVim工具的威布爾分析模塊分別計(jì)算不同時(shí)間（這里使用Km為單位）的可靠度。計(jì)算結(jié)果如下表所示。從結(jié)果可知，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)間達(dá)到40000Km時(shí)，類型I的輪副可靠度為0.8395（即有0.8395的概率不會(huì)失效），類型II的輪副可靠度為0.8017，類型III的輪副可靠度只有0.6851。
通過(guò)圖6、圖7以及表4也可以直觀看出，I類、II類這兩類輪副是相似、相近的。主要差別是軸承的設(shè)計(jì)方案不同，造成壽命分布參數(shù)不相同。一種使用的是球型軸承設(shè)計(jì)，一種是選用圓柱型軸承設(shè)計(jì)。從分析結(jié)果可以看出，選擇軸承球型設(shè)計(jì)時(shí)，可靠度比圓柱型設(shè)計(jì)的高一些。但是，不能直接下判斷。需要進(jìn)一步分析這兩種輪副實(shí)際的工作環(huán)境（溫度、濕度、振動(dòng)、受力情況）是否有差異、使用頻次是否有差異、選用的材料是否有差異、生產(chǎn)工藝是否有差異。通過(guò)多項(xiàng)的對(duì)比分析，確定最終造成兩種設(shè)計(jì)可靠性存在差異的根本原因。通過(guò)對(duì)比，也可以為后續(xù)的可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。
3.6 預(yù)防性維修間隔期計(jì)算
根據(jù)三類輪副的分布參數(shù)擬合結(jié)果，以及可靠性指標(biāo)要求，可以合理確定預(yù)防性維修間隔期。這里使用PosVim工具的威布爾分析模塊分別計(jì)算可靠度指標(biāo)要求為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95等值時(shí)的預(yù)防性維修間隔期時(shí)間。計(jì)算結(jié)果如下表5所示。例如，當(dāng)輪副可靠度要求不低于0.8時(shí)，I類輪副的預(yù)防性維修間隔期需要不超過(guò)46869.46KM，即列車運(yùn)行累積公里數(shù)不超過(guò)46869.46KM，需要進(jìn)行預(yù)防性維修。
4 結(jié)論與建議
本文結(jié)合軌道車輛系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，詳細(xì)介紹了如何開(kāi)展軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析工作。通過(guò)分析可知，軌道車輛系統(tǒng)的輪副分系統(tǒng)的可靠性偏低，且采用球型軸承設(shè)計(jì)的輪副的可靠性比采用圓柱型軸承設(shè)計(jì)的輪副可靠性高一些。通過(guò)分析，可以合理評(píng)估得到軌道車輛系統(tǒng)的可靠性水平，以及合理確定預(yù)防性維修間隔，為軌道車輛系統(tǒng)的研制、管理決策提供重要技術(shù)、數(shù)據(jù)支撐。