制动系统可靠性试验方法研究

王孝延，朱士友，樊贵新，焦 毅

（中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081）

地铁与轻轨

制动系统可靠性试验方法研究

王孝延，朱士友，樊贵新，焦 毅

（中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081）

以制动系统为研究对象，根据统计学原理和可靠性工程的现场可靠性试验理论设计了制动系统的运行考核计划。根据制动系统运行考核情况，对制动系统的故障进行了记录和统计，采用点估计的形式评估了制动系统的可靠性水平。同时，采用威布尔分布参数估计的方法，得出了制动系统的寿命分布函数。

城轨列车；架控；制动系统；可靠性；试验

根据可靠性工程的理论，威布尔分布是一种适用性广泛的分布类型。根据形状参数的不同，它可以分别描述早期失效、偶然失效和耗损失效3种失效类型，可以用威布尔分布作为制动系统的寿命分布函数。衡量可修复产品的可靠性水平，一个很重要的参数就是平均无故障时间T。当总体的分布函数形式已知，但它的一个或多个参数未知时，可以借助总体的一个样本构造某个统计量来估计未知的总体分布参数的问题就是点估计的问题，所构造的统计量称之为点估计。本文拟以应用在广州地铁3号线北延段列车上的国产架控制动系统EP09为例，探讨通过制动系统的现场运营故障数据，根据威布尔分布的点估计方法，评估制动系统分布参数的方法。

广州地铁3号线北延段列车为6辆编组，采用由2个动力单元组成的6辆编组列车，即－A＋B＋C＝A＋B＋C－。国产架控制动系统的气路和制动系统由供风装置、辅助控制装置、制动控制装置、基础制动装置、升弓装置、悬挂装置和连挂装置等组成。其中与制动功能最为密切的是供风装置、制动控制装置和基础制动装置。

1 统计试验方案

可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段，可靠性试验可以是试验室试验，也可以是使用现场试验。试验室试验（laboratory test）是在试验室内模拟实际使用条件或在规定的工作及环境条件下进行的试验。大多数装备是在不同的、比较复杂的环境条件下使用的。产品在不同的环境下使用时，可靠性不一定相同。使用现场试验（field test）是在实际使用状态下所进行的试验。在试验室试验中，显然不可能去模拟各种使用环境。因此，从原理上说，使用现场试验能最真实地反映产品的实际可靠性水平。

根据用户需求文件《广州市轨道交通3号线北延段车辆采购项目用户需求书》的第十八章可靠性和可维修性的要求，以及车辆厂需求文件《GZML3E空气制动系统采购技术规范》，用户的可靠性主要要求如下：

平均无故障时间T为3 000 h。

在进行列车可靠性计算中将采用以下公式：

T1为列车运行的时间总和；N1为在T1时间内发生的故障总数。

制动系统运行考核的目的是验证国产架控制动系统的设计是否达到规定的可靠性要求。本次运行考核的车辆运行概况见表1。

为了对可靠性真值做出估计，同时为了使试验总时间可控，必须选择定时截尾试验方案。为了同时对制动系统和部件做出估计，必须以试验时间最长的部件为试验计划制定的依据。本次投入试验的样本为1列6辆编组的列车，根据制动系统供货范围，可用样本数量见表2。

样本个数与试验总时间成反比。根据可用样本清单，需要以制动系统的试验时间为依据制定试验计划。根据《GJB 899-2009可靠性鉴定和验收试验》，总试验时间可控的定时试验方案如表3所示。

用户给出了T检验下限θ1，未给出T检验上限θ0，即可认为θ0为无穷大，因此可以选择鉴别比较大的方案，本文选择方案16的统计试验方案，其生产方风险α为10%，使用方风险β为20%。本次验证测试计划有关的参数计算如表4所示。

考虑到验证测试过程中可能发生故障并进行修复所耗费的时间和其他不可预见因素耗费的时间，整个验证测试周期估算为32个月，验证测试预计从2011年3月5日～2013年11月5日。如果开始第1列车的验证测试32个月后，没有达到表中t总所代表的总验证测试时间，也视为验证期达到。

可靠性验证测试的工作条件和环境条件尽可能接近实际使用条件。试验在实际运营线路上进行，并尽量避免不具有代表性的极端或特殊线路条件。根据现场实际运行需求选择功能模式，如车辆起动、正常运行、常用制动及紧急制动等。

验证测试所用的外部电源，如空压机供电电源及DC 110 V电源和紧急环路供电满足制动系统技术规范；总风压力为750 kPa～1 MPa，满足制动系统的使用环境条件。

电负载和机械负载是影响受试制动系统的主要负载形式，本次制动系统的运行考核要求牵引系统按照技术规范的典型要求发挥电制动力，电空制动按照预定的电空配合方案进行协调配合。基础制动按照列车的配置全部投入使用，不得存在关门车。

在运行考核期间，按照制动系统使用说明书和大修规程的要求，定期对产品进行预防性维修。达到总测试时间后，接收和拒收标准见表5。

当累计的总测试时间达到，就可中止可靠性验证测试。如果达到可接收标准则接收测试结果；否则得出拒收结果。当累计的总测试时间未达到，发生的责任故障数≥4个，达到了拒收标准，在双方同意的条件下，也可以中止可靠性验证测试，得出拒收结论。

在可靠性验证试验中遇到的故障，可以把它们分为相关故障，非相关故障和责任故障，判断流程见图1。

在可靠性验证测试期间和磨合期间，实施故障报告、分析及纠正措施系统（FRACAS）管理。不管何时发生故障，需迅速展开故障调查，尽快研究和采取纠正措施，并跟踪、记录所发生的故障和缺陷，做故障评估，制定纠正措施，以保证得到有效的纠正。

2 制动系统可靠性试验

2011年3月5日～2013年11月5日，装有国产化架控制动系统的广州地铁3号线列车（编号087088）在用户、车辆厂和制动系统供应商的参与下进行了载客运营考核，为本文的研究提供了现场数据。运行评估大致可以划分为3个阶段，每个阶段的运营时间及合计结尾时间见表6。

编号为087088的列车在上述运营考核期间，按照广州地铁的检修规程，由广州地铁及制动厂家检修人员共同对其进行日检、周检、月检、半年检及年检。所有正线运营及检修中发现的故障，均填写故障报单，并定期进行汇总。根据取自广州地铁的故障汇总文件，该车运营考核期间发生的故障如表7所示。

由于所有责任故障都会增加制动系统的维修工作量和维护成本，因此故障数nf取3，根据统计试验方案，责任故障数小于判断故障数。因此，可接受原假设，即本批次制动系统从可靠性角度可以接受。

则平均故障间隔时间的点估计为：

根据责任故障数3，以及生产方风险α＝10%，使用方风险β＝20%，则推荐的置信度为C＝80%，计算得到参数

根据参数C′查阅GJB 899A得制动系统T的置信下限系数，与T的点估计相乘后得到T估计下限为：

同理，计算得置信上限为：

由此可以得出结论，对于制动系统，根据运行考核的结果，制动系统平均故障间隔时间的区间估计为［2 013.2，12 204.4］h，点估计为4 483.3 h，大于用户要求的3 000 h的要求，因此国产架控制动系统的可靠性可以满足用户的使用要求。

以下求解制动系统的故障率分布函数，根据概率统计和可靠性工程，机电产品的故障服从威布尔分布，设制动系统的失效密度函数为：

根据实际，中继阀的最小寿命为0，即威布尔分布的位置参数γ为0。

以下用极大似然估计法估计制动系统的寿命分布函数的参数，似然函数为：

将n＝3，r＝3以及故障发生时刻ti代入上式并编程迭代后得方程的最佳解为：

则制动系统的故障率函数为：

故障率曲线如图2所示。

根据故障率曲线可以看出故障率呈下降趋势，因此国产架控制动系统处于浴盆曲线的早期故障期，随着磨合过程的完成，制动系统的故障率将逐步下降并趋于稳定。

3 结束语

探讨了一种通过制动系统的现场运营故障数据，根据威布尔分布的点估计方法，评估制动系统的分布参数的方法。

从国产架控制动系统的运行考核情况可以看出，制动系统的故障以机械故障为主，提高制动系统的可靠性应该优先考虑提高基础制动装置的可靠性；从制动系统的寿命数据参数估计可以看出，运营考核期间，制动系统的故障类型以早期故障为主，根据浴盆曲线的理论，随着运营时间的增加，制动系统经过充分磨合后，故障率将进一步降低并趋于稳定。

［1］ 朱士友.架控制动系统可靠性模型研究［J］.铁道机车车辆，2012.32（03）：80-83.

［2］ 曾声奎，赵廷弟，等.系统可靠性设计分析教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

［3］ Relex Software Co.＆Intellect著.陈晓彤，等译.可靠性实用指南［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

Research on Reliability Test Method for Bogie-controlling Brake System

WANG Xiaoyan，ZHU Shiyou，FAN Guixin，JIAO Yi
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Operational assessment plan was set up based on the statistics and reliability engineering theory for domestic bogie-controlling brake system.Failures were recorded and analyzed.Reliability level of domestic bogie-controlling brake system was calculated by means of point estimation.Life distribution function was analyzed through the method of Weibull distribution parameter estimation.

metro train；bogie-controlling；brake system；reliability；test

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.15

1008－7842（2014）06－0062－04

2—）男，助理研究员（

2014－04－13）