神華集團(tuán)公司 張小圃

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交流機(jī)車與直流機(jī)車LCC對(duì)比分析與評(píng)估

神華集團(tuán)公司 張小圃

該文從介紹機(jī)車壽命周期費(fèi)用（LCC）模型的建立和費(fèi)用構(gòu)成入手，以“神華號(hào)”八軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車和SS4B型八軸交直傳動(dòng)電力機(jī)車為例，對(duì)比分析了交流機(jī)車與直流機(jī)車LCC的計(jì)算過程和結(jié)果，指出了影響機(jī)車壽命周期費(fèi)用的因素，闡述了應(yīng)用LCC分析結(jié)果選擇大功率交流機(jī)車的依據(jù)。

壽命周期費(fèi)用 交流機(jī)車 直流機(jī)車 對(duì)比分析

1 概述

壽命周期費(fèi)用（Life Cycle Cost，LCC）是產(chǎn)品在其整個(gè)壽命周期中的累計(jì)費(fèi)用，該理論發(fā)展至今已有60余年的歷史，并在軍事、石油、電力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

電力機(jī)車車輛壽命周期費(fèi)用是全面反映機(jī)車車輛系統(tǒng)財(cái)政資源的一套綜合參數(shù)，是指在整個(gè)車輛壽命周期內(nèi)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)保障及報(bào)廢處理等所有相關(guān)費(fèi)用的總和。隨著企業(yè)生產(chǎn)效率的提高，企業(yè)對(duì)機(jī)車車輛的安全性、可靠性、可維護(hù)性以及使用維護(hù)成本等性能提出較高要求，要求機(jī)車車輛整個(gè)壽命周期費(fèi)用低，且在壽命期內(nèi)運(yùn)營(yíng)安全、維修方便。為滿足企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，需要結(jié)合機(jī)車車輛的實(shí)際情況、對(duì)機(jī)車車輛整個(gè)壽命周期內(nèi)各個(gè)階段的費(fèi)用進(jìn)行分析研究，以實(shí)現(xiàn)它們之間的優(yōu)化配置，達(dá)到提高產(chǎn)品性能和降低壽命周期成本的目的。

2 電力機(jī)車LCC建模

在電力機(jī)車LCC分析中，建立LCC模型直接關(guān)系到LCC分析是否準(zhǔn)確有效。因此，有必要對(duì)LCC模型進(jìn)行研究。

2.1 電力機(jī)車LCC模型

不同的產(chǎn)品所選擇和建立的LCC模型、分解結(jié)構(gòu)是不一樣的。按照產(chǎn)品的硬件、軟件和壽命周期各階段的工作項(xiàng)目，將壽命周期費(fèi)用逐級(jí)分解，直至基本費(fèi)用單元。

本文依據(jù)IEC 60300-3-3《壽命周期費(fèi)用分析》標(biāo)準(zhǔn)，將電力機(jī)車LCC分解為三維矩陣結(jié)構(gòu)，對(duì)電力機(jī)車LCC分解為壽命周期階段、產(chǎn)品/工作分解結(jié)構(gòu)和費(fèi)用目錄三種類型,作為三個(gè)維度。根據(jù)LCC分析的目的和范圍，單獨(dú)確定和評(píng)價(jià)基本費(fèi)用單元，將基本費(fèi)用單元累加起來得出電力機(jī)車總LCC值。

費(fèi)用目錄分解是費(fèi)用分解矩陣的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它首先把壽命周期費(fèi)用分解為幾個(gè)主費(fèi)用單元，建立主費(fèi)用模型；再將主費(fèi)用分解為子費(fèi)用單元，建立子費(fèi)用模型，根據(jù)需要對(duì)子費(fèi)用單元繼續(xù)分解直到相應(yīng)的基本費(fèi)用單元模型。最后將各費(fèi)用模型匯總得到壽命周期費(fèi)用模型。

2.2 電力機(jī)車LCC構(gòu)成

電力機(jī)車壽命周期費(fèi)用可以分為研發(fā)費(fèi)用、生產(chǎn)費(fèi)用、運(yùn)用和維修費(fèi)用、不可用費(fèi)用、退役處置費(fèi)用等五項(xiàng)主費(fèi)用項(xiàng)目。公式如下：

2.2.1電力機(jī)車研發(fā)費(fèi)用

電力機(jī)車研發(fā)費(fèi)用是指從項(xiàng)目論證、設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、定型等各階段所發(fā)生的費(fèi)用，主要包括論證費(fèi)用、研制費(fèi)用、試驗(yàn)費(fèi)用、管理費(fèi)用等。公式如下：

2.2.2電力機(jī)車生產(chǎn)費(fèi)用

電力機(jī)車生產(chǎn)費(fèi)用分為直接費(fèi)用和間接費(fèi)用。直接費(fèi)用是機(jī)車生產(chǎn)過程中直接發(fā)生的費(fèi)用，包括材料費(fèi)用、能耗費(fèi)用、人員工資及福利費(fèi)用、工裝（包括工具、刀具）費(fèi)用、廢品損失費(fèi)用等；間接費(fèi)用是用于生產(chǎn)過程管理的期間費(fèi)用，包括設(shè)備（設(shè)施）折舊費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、其他生產(chǎn)管理費(fèi)用等。公式如下：

2.2.3電力機(jī)車運(yùn)用和維修費(fèi)用

機(jī)車運(yùn)用費(fèi)用也叫使用費(fèi)用。機(jī)車運(yùn)維費(fèi)用計(jì)算公式如下：

式中：C為運(yùn)用費(fèi)用， C為維修費(fèi)用。

壽命周期費(fèi)用中，運(yùn)用和維修費(fèi)用是最為重要的一項(xiàng)費(fèi)用，占?jí)勖芷谫M(fèi)用的絕大部分，是無形的，很難預(yù)測(cè)，尤其在早期設(shè)計(jì)階段缺乏可見性，因此在決策過程中存在不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3.1電力機(jī)車運(yùn)用費(fèi)用

電力機(jī)車運(yùn)用費(fèi)用包括能耗費(fèi)用、消耗品費(fèi)用、司乘人員工資、使用管理費(fèi)用、人員培訓(xùn)及資料費(fèi)用等。公式如下：

式中： C為能耗費(fèi)用， C為消耗品費(fèi)用， C為司乘人員工資， C為運(yùn)用管理費(fèi)用，C為人員培訓(xùn)及資料費(fèi)用。

2.2.3.2電力機(jī)車維修費(fèi)用

電力機(jī)車維修費(fèi)用是壽命周期費(fèi)用中最為復(fù)雜的一項(xiàng)費(fèi)用，包括定期預(yù)防性維修費(fèi)用、修復(fù)性維修費(fèi)用和維修管理費(fèi)用。公式如下：

式中： C為定期預(yù)防性維修費(fèi)用， C為修復(fù)性維修費(fèi)用， C為維修管理費(fèi)用。

合理提高機(jī)車的可靠性和維修性，是降低機(jī)車壽命周期費(fèi)用的有效途徑。機(jī)車維修策略和維修方式的合理定制對(duì)降低維修費(fèi)用也是非常重要的。

維修費(fèi)用一般以年度計(jì)算，根據(jù)年度維修費(fèi)用再折算成壽命周期維修費(fèi)用。

（1）年度定期預(yù)防性維修費(fèi)用

年度定期預(yù)防性維修費(fèi)用包括備件消耗費(fèi)用、工時(shí)費(fèi)用、耗材費(fèi)用、后勤保障費(fèi)用等。公式如下：

式中：N為每年定期預(yù)防性維修的次數(shù)，T每次定期預(yù)防性維修所需的工時(shí)總數(shù)，C為每個(gè)維修工時(shí)的人工費(fèi)用，C為每次定期預(yù)防性維修所需的備件費(fèi)用，C為每次定期預(yù)防性維修所需的耗材費(fèi)用，C為每年定期預(yù)防性維修的后勤保障費(fèi)用。

定期預(yù)防性維修有不同的維修等級(jí)和維修活動(dòng)。

（2）年度修復(fù)性維修費(fèi)用

年度修復(fù)性維修費(fèi)用包括修復(fù)性工作消耗的備件費(fèi)用、工時(shí)費(fèi)用、耗材費(fèi)用、后勤保障費(fèi)用等。公式如下：

式中：N為每年修復(fù)性維修的次數(shù)，T為每次修復(fù)性維修所需的工時(shí)總數(shù)，C為每個(gè)維修工時(shí)的人工費(fèi)用，C為每次修復(fù)性維修所需的備件費(fèi)用，C為每次修復(fù)性維修所需的耗材費(fèi)用，C為每年修復(fù)性維修的后勤保障費(fèi)用。

（3）年度維修管理費(fèi)用

維修管理費(fèi)用包括后勤、運(yùn)用和培訓(xùn)費(fèi)用等。公式如下：

式中：C、C、C為每年的后勤、運(yùn)用、培訓(xùn)費(fèi)用；T、T、T為每年的后勤、運(yùn)用、培訓(xùn)工時(shí)數(shù)；C、C、C為每個(gè)后勤、運(yùn)用、培訓(xùn)工時(shí)的人工費(fèi)用。

2.2.4電力機(jī)車不可用費(fèi)用

不可用費(fèi)用是電力機(jī)車由于故障不得不中斷使用，進(jìn)行計(jì)劃外維修所喪失的使用收益費(fèi)用，還包括由于中斷使用造成的其他費(fèi)用損失，如機(jī)車發(fā)生機(jī)破阻塞線路影響其他列車的正常運(yùn)行。根據(jù)機(jī)車故障后果不同，可分為幾個(gè)等級(jí)，如救援、機(jī)破、臨修等，分別計(jì)算各故障等級(jí)的不可用費(fèi)用再累加匯總。公式如下：

式中：N為產(chǎn)品壽命周期內(nèi)第i個(gè)等級(jí)故障發(fā)生次數(shù)，C為第i個(gè)等級(jí)故障平均不可用費(fèi)用，k為劃分的故障等級(jí)數(shù)。

2.2.5電力機(jī)車退役處置費(fèi)用

退役處置費(fèi)用是指電力機(jī)車使用到報(bào)廢時(shí)的殘值與報(bào)廢后處置費(fèi)用（包括機(jī)車處置、庫(kù)存?zhèn)浼幹?、資料存檔管理及其他費(fèi)用）的差值。該值可能為正或負(fù)值。公式如下：

式中：C為機(jī)車報(bào)廢后的處置費(fèi)用，C為機(jī)車報(bào)廢時(shí)的殘值。

3 “神華號(hào)”八軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車與SS4B型八軸電力機(jī)車LCC對(duì)比分析

下面以“神華號(hào)”八軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車和SS4B型八軸電力機(jī)車為例，對(duì)電力機(jī)車策劃階段的LCC進(jìn)行分析。由于目前數(shù)據(jù)收集所限，僅對(duì)機(jī)車生產(chǎn)費(fèi)用、運(yùn)用維修費(fèi)用進(jìn)行估算分析。機(jī)車研發(fā)費(fèi)用、不可用費(fèi)用和退役處置費(fèi)用未作具體估算分析。

3.1 LCC分析假設(shè)條件

（1）神華鐵路電力機(jī)車工作條件

運(yùn)行線路：神華鐵路；設(shè)計(jì)速度：120km/h；年運(yùn)行里程20萬公里；預(yù)期使用壽命為30年。

（2）神華電力機(jī)車運(yùn)行環(huán)境條件

工作環(huán)境溫度：－40℃～＋40℃；海拔高度≤2000m；最大相對(duì)濕度95%（月平均最低溫度不低于20 oС）；能承受風(fēng)、沙、雨、雪、煤塵和偶有沙塵暴的侵襲。

（3）機(jī)車預(yù)防性維修檢修周期見表1和表2。

表1 “神華號(hào)”八軸機(jī)車預(yù)防性維修周期

表2 SS4B型機(jī)車預(yù)防性維修周期

3.2 機(jī)車產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)、費(fèi)用分解結(jié)構(gòu)

兩種機(jī)車產(chǎn)品按照車體、轉(zhuǎn)向架、電氣系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及其他設(shè)備五部分逐級(jí)向下分解。

根據(jù)機(jī)車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，細(xì)化分解機(jī)車生產(chǎn)費(fèi)用和運(yùn)用維修費(fèi)用中的使用費(fèi)用、預(yù)防性維修費(fèi)用和修復(fù)性維修費(fèi)用。

3.3 費(fèi)用估算方法

機(jī)車策劃階段的LCC分析采用類比估算的方法，是考慮LCC分析的資源要求、數(shù)據(jù)要求來選擇的費(fèi)用估算方法。

3.4 數(shù)據(jù)收集和費(fèi)用估算

收集數(shù)據(jù)及LCC估算時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性恰當(dāng)選取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的級(jí)別進(jìn)行LCC估算。以既有機(jī)車經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行估算分析。估算時(shí)，考慮到機(jī)車彼此之間的異同和時(shí)間、條件上的差別，對(duì)估算值做適當(dāng)修正。

3.5 LCC計(jì)算過程

機(jī)車全壽命周期成本（LCC）是全面反映機(jī)車總體資金消耗的綜合參數(shù)，是機(jī)車整個(gè)運(yùn)用周期內(nèi)（30年）購(gòu)置、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等所有相關(guān)費(fèi)用的總和。

3.5.1數(shù)據(jù)收集

（1）機(jī)車全壽命周期30年，機(jī)車牽引定數(shù)：神華八軸電力機(jī)車牽引1萬噸，SS4B型電力機(jī)車牽引0.5萬噸；

（2）神華八軸機(jī)車年平均運(yùn)行22萬公里，SS4B型機(jī)車年平均運(yùn)行18萬公里；

（3）機(jī)車單位耗電量：神華八軸為59度/萬噸·公里，SS4B型機(jī)車為78度/萬噸·公里；

（4）電價(jià)0.55元/度，運(yùn)價(jià)140元/萬噸·公里；

（5）管理成本=人工費(fèi)用+基本運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。管理成本包括機(jī)車運(yùn)營(yíng)所需的人工費(fèi)用、庫(kù)存器材費(fèi)用、倉(cāng)庫(kù)保管費(fèi)用、文件資料費(fèi)用、保險(xiǎn)費(fèi)用等。人工費(fèi)用主要為司乘人員工資，按照每臺(tái)機(jī)車配備6名司乘人員測(cè)算，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)10萬元/人年，按每年5%遞增；基本運(yùn)營(yíng)費(fèi)用按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2元/車·公里。

3.5.2購(gòu)置成本

SS4B型電力機(jī)車單臺(tái)購(gòu)置成本：1 × 1550萬元=1550萬元。神華號(hào)八軸電力機(jī)車單臺(tái)購(gòu)置成本：1 × 3350萬元=3350萬元。

3.5.3維修成本

根據(jù)機(jī)車修程規(guī)定，結(jié)合筆者多年電力機(jī)車修造經(jīng)驗(yàn)，估算得出神華機(jī)車和SS4B型機(jī)車在全壽命周期內(nèi)發(fā)生的維修費(fèi)用如表3、表4所示，神華機(jī)車約4065.47萬元，SS4B型機(jī)車約3077.88萬元。

表3 SS4B型電力機(jī)車維修成本計(jì)算

表4 神華八軸電力機(jī)車維修成本計(jì)算

3.5.4 管理成本

SS4B機(jī)車管理成本=人工費(fèi)用+基本運(yùn)營(yíng)費(fèi)=6×單人工資+年數(shù)×年運(yùn)行公里×2元/車·公里，合計(jì)5066.33萬元。

神華機(jī)車管理成本=人工費(fèi)用+基本運(yùn)營(yíng)費(fèi)=6×單人工資+年數(shù)×年運(yùn)行公里×2元/車·公里，合計(jì)5306.33萬元。

3.5.5能耗成本

已知：SS4B機(jī)車萬噸·公里耗電量78kWh，合計(jì)42.9元；神華機(jī)車萬噸·公里耗電量59kWh，合計(jì)32.45元。

計(jì)算結(jié)果：

SS4B機(jī)車能耗成本：42.9元/萬噸·公里× 0.5萬噸× 18萬公里/年× 30年=11583萬元。

神華機(jī)車能耗成本：32.45元/萬噸·公里× 1萬噸× 22萬公里/年× 30年=21417萬元。

3.5.6總成本

SS4B型機(jī)車總成本：1550+3077.88+5066.33+11583= 21277.21（萬元）；其中，總運(yùn)量：270萬（萬噸·公里）；單位運(yùn)量成本：78.8元/萬噸·公里。

神華機(jī)車總成本：3350+4065.47+5306.33+21417=34138.8（萬元）；其中，總運(yùn)量：660萬（萬噸·公里）；單位運(yùn)量成本：51.73元/萬噸·公里。

3.6 LCC對(duì)比分析與評(píng)估

綜合以上計(jì)算結(jié)果，將單臺(tái)機(jī)車30年壽命期LCC各項(xiàng)費(fèi)用及收入進(jìn)行對(duì)比，如表5～表8所示。

表5 機(jī)車LCC匯總對(duì)比表 （單位：萬元）

全壽命周期成本費(fèi)用分解神華八軸交流機(jī)車SS4B直流機(jī)車SS4B 用于萬噸列車牽引（2臺(tái)） 金額百分比(%)金額百分比(%)金額百分比(%) 全壽命周期成本機(jī)車運(yùn)營(yíng)前期費(fèi)用機(jī)車購(gòu)置成本33509.815507.331007.3 運(yùn)營(yíng)與維護(hù)費(fèi)用機(jī)車管理成本基本運(yùn)營(yíng)費(fèi)用13203.910805.121605.1 人工費(fèi)用3986.3311.73986.3318.77972.6618.7 能耗成本2141762.71158354.42316654.4 維修成本4065.4711.93077.8814.56155.7614.5 全壽命周期成本總計(jì)34138.8021277.2142554.42

注：八軸交流機(jī)車牽引定數(shù)為1萬噸，SS4B直流機(jī)車為0.5萬噸。

表6 八軸交流機(jī)車與SS4B的對(duì)比（朔黃鐵路）(單位：萬元)

注：運(yùn)價(jià)按140元/萬噸·公里計(jì)算。

表7 用于萬噸列車牽引時(shí)，八軸交流機(jī)車與SS4B成本、 收入對(duì)比表（朔黃鐵路） （單位：萬元）

注：運(yùn)價(jià)按140元/萬噸·公里計(jì)算。

表8 按30年周期實(shí)現(xiàn)660萬( 萬噸·公里) 的運(yùn)輸目標(biāo)，機(jī)車成本、收入對(duì)比表 （單位：萬元）

注：運(yùn)價(jià)按140元/萬噸·公里計(jì)算。

從上文分析可以得出，“神華號(hào)”八軸電力機(jī)車與SS4B型八軸電力機(jī)車牽引萬噸列車時(shí)，“神華號(hào)”LCC較SS4B型機(jī)車節(jié)約費(fèi)用約8698.26萬元。各項(xiàng)成本構(gòu)成中，神華號(hào)八軸機(jī)車與SSB4機(jī)車購(gòu)置費(fèi)用基本相當(dāng)（SS4B需2臺(tái)牽引萬噸列車），基本運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)、人工費(fèi)、能耗成本、維修成本“神華號(hào)”八軸機(jī)車均較SS4B機(jī)車有大幅度降低。在電力機(jī)車壽命周期費(fèi)用中，神華機(jī)車生產(chǎn)費(fèi)用占整個(gè)壽命周期費(fèi)用的11.5%；運(yùn)營(yíng)維修費(fèi)用占整個(gè)壽命周期費(fèi)用的88.5%。機(jī)車維修費(fèi)用占全部運(yùn)用維修費(fèi)用的22.3%；預(yù)防性維修費(fèi)用占全部維修費(fèi)用的80.1%；機(jī)車使用費(fèi)用占整個(gè)壽命周期費(fèi)用的68.8%。

因此，神華機(jī)車生產(chǎn)費(fèi)用、運(yùn)用維護(hù)費(fèi)用中的預(yù)防性維修費(fèi)用和修復(fù)性維修費(fèi)用占機(jī)車壽命周期費(fèi)用的比例相對(duì)較低，說明目前的檢修體系在一定程度上比較合理。如果需進(jìn)一步降低維修成本，必須運(yùn)用RAMS工程技術(shù)，對(duì)修程修制做進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

圖1為神華機(jī)車壽命周期費(fèi)用分布比例圖，從圖中可以看出，機(jī)車使用費(fèi)用所占比例較高，如果優(yōu)化機(jī)車管理，降低能耗，將會(huì)存在較大的降幅空間。

圖1 電力機(jī)車壽命周期費(fèi)用分布

綜上所述，從機(jī)車全壽命周期成本的角度分析，選用大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車的優(yōu)越性是顯而易見的，這也是電力機(jī)車的發(fā)展方向。在保證機(jī)車使用性能、RAMS的前提下，對(duì)交流機(jī)車整個(gè)壽命周期內(nèi)的分項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算、分析、鑒定和評(píng)價(jià)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整運(yùn)用維修方案、保障資源的合理配置，可進(jìn)一步降低交流電力機(jī)車壽命周期費(fèi)用，滿足機(jī)車用戶的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力機(jī)車壽命周期費(fèi)用分析技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)也越來越引起制造廠家和采購(gòu)方的共同關(guān)注。為了盡快實(shí)現(xiàn)神華鐵路技術(shù)裝備與國(guó)際接軌，提高電力機(jī)車在運(yùn)輸生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力，開展電力機(jī)車壽命周期費(fèi)用分析研究非常有必要。

深入研究機(jī)車壽命周期總費(fèi)用，在機(jī)車設(shè)計(jì)階段開展與機(jī)車性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并行的RAMS設(shè)計(jì)，不但使機(jī)車性能穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)良，運(yùn)用可靠、便于維修，而且會(huì)使鐵路運(yùn)營(yíng)的綜合效益得以提高。本文通過神華號(hào)八軸電力機(jī)車和SS4B型機(jī)車LCC的模型分析、實(shí)例應(yīng)用，希望能夠?qū)﹄娏C(jī)車壽命周期費(fèi)用的計(jì)算、分析和評(píng)價(jià)提供參考，但在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)就具體項(xiàng)目技術(shù)做進(jìn)一步的細(xì)化和完善。

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