城市轨道交通车辆可靠性分配及预测

2013-01-17朱爱凤薛淑胜

城市轨道交通研究 2013年2期

关键词：故障率轨道交通分配

朱爱凤薛淑胜

（南车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师）

国内城市轨道交通行业，大多采用了来自欧洲的RA MS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）设计管理思想。其中可靠性被定义为：产品在规定的条件下、规定的时间区间内完成规定功能的能力。

伴随着国外知名的城市轨道交通车辆供应商的进入，各城市对城市轨道交通车辆可靠性的要求也越来越关注，并给出了具体的目标值。

对于车辆制造厂来说，如何能把这些目标值进行分配，使其在设计中贯彻，在制造中执行，以及在零部件和设备采购合同中提出要求，就显得尤为重要。这就要求用一种全新的思路去开展设计，这是可靠性设计。

1 可靠性设计的重要性

可靠性设计是把工程中的设计变量处理成多值的随机变量，能够对产品的故障（失效）、不可靠等状态的随机性进行概率性描述。

现代社会中，随着科学技术迅速发展、同类产品的竞争、产品淘汰速度的加快及新产品研制周期的缩短，传统设计已经很难保证产品的可靠性要求。传统设计的特点，主要是建立在以往的经验基础上，往往带有一定的主观色彩。设计中，如果不能详细考虑产品可靠性要求，不能用可靠性设计理念和方法去控制和预防，那么无论如何去精心制造、严格管理、合理运用，也难以保证可靠性要求的实现。如果产品存在多个潜在可靠性缺陷，并在运用中频发，将会造成成本的严重损失及信誉丧失。可靠性设计的特点是采取风险评估，其核心理念是预防，多个研究已表明开展可靠性设计不仅对产品可靠性表现有事半功倍的作用，而且能够使得产品的寿命周期成本大大减少。近年来，人们把包括可靠性在内的质量概念称为近代质量，把不包括可靠性在内的质量概念称为传统质量。在近代质量中，80%质量保证工作在研发阶段完成的。

图1显示了可靠性设计程序和方法。从图1中可看出可靠性设计中在不同阶段所要进行的工作。可靠性设计是以概率论和数理统计为基础，首先要明确产品的可靠性要求，确定可靠性指标，在此基础上再进行可靠性设计的相关工作，本文着重介绍城市轨道交通车辆的可靠性指标分配和预测。

2 城市轨道交通车辆可靠性分配

2.1 城市轨道交通车辆功能分解

功能分解是开展可靠性设计的基础，城市轨道车辆是非常复杂的系统，所以更有必要进行功能分解。

图1 可靠性设计程序和方法

功能分解的目的主要表现在如下几个方面：1）便于设计分组，明确各设计组所要完成的功能，进行任务分解、实现及校核。

2）便于可靠性的任务分配，以把指标作进一步分配和实现。

3）便于可靠性的定性、定量分析。按功能对车辆或列车进行分析，易于分析出功能导致的列车事故严重程度及影响，也便于有效措施的制定。

4）便于产品运用后进行可靠性验证。考虑到城市轨道交通车辆的功能不尽相同。所进行的功能分解也不一定相同，这需要根据车辆的功能要求和配置进行综合考虑。由于功能分解有如上的作用，这就要求功能分解在项目的层次上，可以由技术责任人和RA MS人员共同完成。

表1为列车功能分解的实例。

2.2 故障分类及指标要求

可靠性指标的对象就是故障，故障又有不同的分类，轨道交通行业内把故障分为内在故障和运营故障。

内在故障是指产品，主要反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品内在可靠性时应统计产品的所有故障，包括运营故障。内在故障不再细分。

评定产品运营可靠性时仅考虑运营故障的影响。不同的城市轨道交通项目运营故障分类有所不同，但通常会分为如下三类故障。

表1 南京地铁2号线项目列车功能分解

1）救援故障：列车已严重损坏或瘫痪，需要牵引车或另一列车的帮助才能拉回基地或避车线。

2）清客故障：列车在故障时不能继续服务，疏散乘客后自行返回基地或避车线。

3）延误故障：指列车发生故障以后影响正常运行且列车在线路中的停车时间超过了5 min（也有定义为3 min或2 min）。

有些项目中，对清客故障须进一步细分，分为清客故障和掉线故障。掉线故障定义为列车运行一圈后疏散乘客，退出商业运营；对延误故障也有不同的说法，称之为晚点故障，甚至分解为大晚点和小晚点故障。

城市轨道项目中可靠性指标实例见表2。

表2 南京地铁2号线项目可靠性指标

2.3 可靠性分配原则

在可靠性设计中，可靠性分配最好以数据统计为基础。数据是指相似子系统或设备的长期运用中的可靠性表现，是理想的分配依据。当缺乏数据时，可靠性分配可以遵守如下原则。

1）技术水平：对技术成熟的系统，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握地增长到较高水平，则可分配给较低的故障率指标。

2）复杂程度：对较简单的系统，组成该系统零部件数量少，组装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配给较低的故障率指标。

3）重要程度：对重要的功能系统或单元，失效后将会产生严重的后果，或其失效常会导致车辆系统失效，则应分配给较低的故障率指标。

4）任务情况：对整个任务期间内均需连续工作以及工作条件严酷，难以保证很高可靠性的系统或单元，则应分配给较高的故障率指标。

此外，可靠性分配一般还要受费用、重量、尺寸等条件的约束。总之，最终都是力求以最合理的分配来达到车辆系统可靠性的要求。

2.4 可靠性分配

可靠性分配有多种方法，可根据可靠性数据的统计量、设计的不同阶段以及限制条件等选择运用。常见可靠性分配的方法如下。

1）等分配法：用于对各系统可靠性数据掌握很少，故假定各系统的条件相同。

2）综合评分分配法：是按经验对各系统考虑主要因素而进行综合评分，可通过头脑风暴（由经验丰富的专家团队制定规则并进行打分）实现，根据各系统得分多少分配给相应的可靠性指标。

3）比例分配法：以数据统计为基础，根据长期统计的系统的故障率，能够对新项目相似系统的表现进行预测，但因为新项目规定了新的可靠性指标要求，这时可把统计数据的失效率比例用于新项目，对系统按正比进行初步分配，也可根据配置的差异进行局部调整。

现在采用“比例分配法”对表2中内在故障指标进行初步分配，参考示例见表3。

表3 比例分配法计算示例

表3中内在故障百分比数是通过FRACAS（故障报告、分析及纠正措施系统）系统，对南京地铁1号线和2号线、上海轨道交通10号线、苏州地铁1号线、深圳地铁4号线项目相似系统的数据统计后的计算数值。在分配时首先把总指标换算为故障率λ，再按故障百分比数进行分配计算，需要说明的是轨道车辆作为复杂的机电产品，其可靠度可认为服从指数分布，λ和平均无故障运行时间（tMBF）之间换算关系为：tMBF＝1／λ。

系统指标确定后，可在此基础上对系统进一步分配，方法同样，可一直分配到设备甚至元器件。

3 可靠性预测

可靠性指标分配后，在各个系统设计中需要加以贯彻，可通过对指标的控制来实现。针对元器件，通过参数选型可对指标进行控制，有很多标准（如：MIL－HDBK－217F《电子设备可靠性预计》、GJB／Z 299C《电子系统可靠性预测》可以参考）。针对设备，可通过对供应商提出指标需求，并严格审核供应商的分析数据来控制。在此过程中，可靠性工程师就要及时跟踪各子系统可靠性完成情况，开展可靠性定量预测，如果发现统计指标不能满足指标分配要求，就要采取相应措施控制指标。

开展可靠性预测的常用方法是可靠性方框图（RBD）分析。RBD是利用相互连接的方框（数学模型）来显示系统的失效逻辑，分析系统中每一个部件故障后对系统的影响，帮助评估系统的整体可靠性。在轨道交通车辆上，采用RBD最多的数学模型是串联模型、并联模型。串联模型可理解为：组成产品的所有单元中任一单元发生故障都认为产品故障；并联模型可理解为组成产品所有单元同时工作，只要有一个单元不发生故障，产品就不会发生故障，可认为是一种备份或冗余设计。

针对内在故障率预测，就是采用最简单的串联模型，输入所有单元的故障率后，就能对产品内在可靠性表现进行计算；针对运营故障率预测，首先定义清楚各子系统的所有运营故障模式，然后对每一个故障模式进行详细的RBD建模，在能够输入所有单元的故障率后，就可以对故障模式的可靠性表现进行定量计算。当对所有故障模式进行定量分析后，就能够对系统的整体运营可靠性表现进行定量预测。如果这一预测显示了对合同规定的可靠性目标的不符合性，就需要采取适当的纠正措施来进行改进。

图2是采用RBD工具软件对列车DOR功能的运营故障事件进行分析的一个实例，其中就体现了串联模型和并联模型的综合应用，每个方框中的数值就是故障率值，整体故障率值可通过软件自动计算功能得出。