基于RAMS的軌道交通轉向架關鍵部件狀態(tài)評估

劉俊潔,徐永能,馬文軍,張斌峰

(南京理工大學 自動化學院， 南京 210094)

1 引言

轉向架是軌道交通車輛運行的關鍵系統，它具有承載重量、導向、減震、牽引、制動等功能，軌道交通車輛的運行離不開轉向架。因此有必要對轉向架系統的運維狀態(tài)進行全方面的評估，來保證轉向架維持平穩(wěn)正常的工作狀態(tài)。

RAMS分析包含可靠性分析、安全性分析、可用性分析以及維修性分析。將其運用在轉向架時，需要利用到轉向架在實際運行中的大量故障數據，并以此作為分析基礎。而目前針對部件運行中的RAMS分析，將RAMS中所有分析結合起來研究卻很少。如在太陽能光伏發(fā)電系統或電動汽車中將可靠性、安全性與維修性結合分析研究。在軌道交通領域亦是如此，如信號系統安全性和可靠性分析；列控系統可靠性及可用性分析；車載部件可靠性、安全性及維修性分析。對于轉向架而言，RAMS分析基本只有可靠性運用在轉向架部件層次分析或系統層次的分析，也有針對轉向架系統中某個特定部件的分析(如構架、側架等)。因此有必要針對轉向架系統的各個關鍵部件，并利用RAMS理論進行全面評估，來保證軌道交通車輛安全運行。為了驗證方法的科學性，基于某地鐵公司一號線的轉向架系統故障數據來驗證，首先篩選出轉向架系統中的關鍵部件，然后基于RMAS對關鍵部件在運營過程中的可靠性、安全性、可用性以及維修性進行狀態(tài)評估。

2 轉向架關鍵部件篩選模型

根據國內外地鐵先進經驗及管理實踐，為了確定研究對象，因此利用ABC分類法對轉向架關鍵部件進行篩選。其中，A表示關鍵部件(前30%部件)、B表示重要部件、C表示一般部件。圍繞管理目標并結合部件特點，根據部件常見的故障狀態(tài)對部件進行評分，共分為5類單項指標與相應的評分細則(表1)。

轉向架的部件一般由構架、輪對軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、基礎制動裝置、驅動裝置、輔助裝置等組成。專家依據表1中每項指標評分細則對轉向架系統中選定部件各項指標打分，每個部件的指標打分結果按表1中各項指標權重加權計算，按總得分由高到低排序，取前30%為關鍵部件然后利用RAMS進行分析。

表1 關鍵部件篩選指標評分細則Table 1 Scoring rules for key equipment screening indicators

3 基于RAMS的部件評估方法

3.1 可靠性分析方法

可靠性是指部件在規(guī)定時間區(qū)間以及規(guī)定條件下，完成規(guī)定功能的能力。對部件運行時進行可靠性分析，首先需要處理大量歷史數據，除了故障模式，還要擬合確定部件故障時間間隔故障分布函數。從歷史故障時間間隔繪制的直方圖可以找出故障規(guī)律確定故障分布函數。常用的故障分布函數有以下幾個：

1)指數分布

()=exp-

(1)

2) 正態(tài)分布

(2)

3) 威布爾分布

(3)

其中：為尺度參數；為形狀參數。

為了判斷故障時間間隔符合哪個故障分布分數，可以借助AD檢驗判斷，某故障分布函數的AD值越小越可能符合該函數。

3.2 可用性分析方法

可用性是指在要求的外部資源得到保證的前提下，部件在規(guī)定條件和規(guī)定時刻或時間區(qū)間內處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力，其具體評價指標主要是可用度表述。部件在運行時的運營可用度()如下式所示：

(4)

式中：為部件平均無故障時間(h)；為故障排除時間和停機時間之和的平均值(h)。

利用值可依照標準值評估關鍵部件是否需采用新的維修措施。

3.3 安全性分析方法

安全性主要體現在部件抵抗風險的能力，部件運行中的安全性分析是針對部件運行中發(fā)生的各種故障模式來分析，同時依據指標劃分等級，其中常用的方法就是基于風險優(yōu)先數()的方法，它是由嚴酷度等級(，即故障發(fā)生后果的影響程度)、故障發(fā)生頻度等級(，也即故障發(fā)生的可能性大小)、故障被檢測難易程度()組成。計算公式如下所示：

=××

(5)

對以上3個指標的量化具體要求如表2、表3以及表4所示。

表2 嚴酷度等級Table 2 Severity level table

表3 故障發(fā)生頻度等級Table 3 Failure frequency level table

表4 被檢測難度等級Table 4 Test difficulty level table

對于部件的安全性分析，以上3個指標的等級均不能大于6，否則需要采取措施來降低該項指標等級，且值不能大于或等于125，否則會對部件安全運行有很大威脅。

3.4 維修性分析方法

維修性體現的是RAMS最終狀態(tài)評估結果，維修性可分為維修措施制定以及維修狀態(tài)評估兩部分，維修措施制定方法從事后維修到預防性維修不斷更新，如今以可靠性為中心的部件維修措施制定方法應用最多。為了使RAMS理論中各部分結合更加緊密，除了從可靠性考慮維修措施制定，還可以依據安全性(表5)。

表5 基于RPN值的維修方式表Table 5 Maintenance mode table based on RPN value

基于RAMS的狀態(tài)評估方法的評估流程可用圖1進行概述。

圖1 基于RAMS的狀態(tài)評估流程框圖Fig.1 RAMS based state evaluation process block diagram

4 實例分析

依據某地鐵公司的一號線轉向架系統數據來開展RAMS分析，數據從2013年12月22日至2020年6月11日共606條故障數據。在對故障數據處理前，選定軸箱、車輪、齒輪箱、一系彈簧、二系彈簧、中心牽引裝置、液壓減振器、構架、輪緣潤滑裝置、聯軸節(jié)以及抗側滾扭桿進行篩選(表6)。

表6 轉向架系統關鍵部件篩選Table 6 Screening of key equipment of bogie system

經過專家打分后，確定軸箱、車輪、齒輪箱、一系彈簧以及二系彈簧為轉向架系統的關鍵部件。在劃分轉向架系統的關鍵部件后，利用直方圖分析關鍵部件的故障時間間隔(圖2)。

圖2 關鍵部件故障時間間隔直方圖Fig.2 Histogram of failure time interval distribution of key equipment

通過圖2可以直觀看出，轉向架的關鍵部件故障都屬于早期故障，因此判斷轉向架關鍵部件的故障分布函數為指數分布或者威布爾分布。對部件的指數分布、威布爾分布利用Minitab軟件進行擬合(圖3和圖4)，2種分布擬合的檢驗結果如表7所示。

圖3 關鍵部件故障時間間隔指數分布函數擬合曲線Fig.3 Fitting curve of exponential distribution function of failure time interval of key equipment

圖4 關鍵部件故障時間間隔威布爾分布函數擬合曲線Fig.4 Fitting curve of Weibull distribution function for failure time interval of key equipment

表7 關鍵部件故障分布函數擬合檢驗值Table 7 Fitting test value of fault distribution function of key equipment

經過檢驗，車輪的故障分布函數為：

(6)

軸箱的故障分布函數為：

(7)

二系彈簧的故障分布函數為：

(8)

一系彈簧的故障分布函數為：

(9)

齒輪箱的故障分布函數為：

(11)

在獲得關鍵部件的故障分布函數后，經過計算得出部件運行時間與可靠度的關系如表8所示。

表8 關鍵部件可靠度隨時間變化結果Table 8 Reliability change results of key equipment with time

從關鍵部件的故障分布函數來看，車輪、軸箱運行2 d后可靠度就會下降到0.75、0.74，二系彈簧、一系彈簧運行3 d后下降到0.74、0.72，而齒輪箱在運行5 d后才會下降到0.75，因此有必要針對不同的關鍵部件制定不同的維修時間間隔來提高維修經濟性。在完成轉向架系統關鍵部件可靠性分析后，對關鍵部件的運營可用性進行計算(計算結果見表9)。

表9 關鍵部件運營可用性計算結果Table 9 Calculation results of operational availability of key equipment

由關鍵部件的運營可用性可以看出，車輪以及一系彈簧的運營可用性均低于99%，需要采取措施提升可用性。完成轉向架關鍵部件可用性評估后，得出關鍵部件的安全性以及對應等級的維修方式分析結果(表10)。

表10 關鍵部件安全性及維修性分析結果Table 10 Safety and maintainability analysis results of key equipment

對關鍵部件的RMAS狀態(tài)評估中發(fā)現車輪以及一系彈簧的運營可用性較低，需要采用新的維修措施，軸箱、齒輪箱以及二系彈簧可以不進行維修措施調整，但仍對新的維修措施進行說明，在實際情況下可根據其他需求來判斷是否需要調整。

5 結論

建立了基于RAMS的軌道交通轉向架狀態(tài)評估方法。以某地鐵公司的轉向架系統為例，首先確定車輪、一系彈簧、二系彈簧、齒輪箱以及軸箱為關鍵部件，通過運營可用性、安全性及維修性分析結果確定各個關鍵部件的維修措施以及車輪和一系彈簧必要的新維修措施，二系彈簧、齒輪箱以及軸箱可保持現狀。這種RAMS評估方法可用于軌道交通轉向架系統的運維工程實踐。