城市轨道交通车辆的可靠性验证试验

王新田 刘金安 崔世明

(长春轨道客车股份有限公司，130062，长春∥第一作者，高级工程师)

近年来，我国城市轨道交通行业进入了快速发展的阶段。随着科技的发展，电子科技的应用使得城市轨道交通车辆的功能更加强大而复杂。但系统越复杂，就可能导致可靠性和安全性的下降。在越来越多的海外和国内轨道交通车辆招标项目中，对轨道客车车辆的可靠性指标作了量化规定，并明确要求在车辆交付时进行可靠性验证测试。可靠性验证测试的结果将直接影响车辆的验收，如果因不合格拒收则会导致巨大的经济损失。

1 可靠性指标介绍

随着我国轨道交通车辆市场的快速国际化发展。轨道交通客车车辆的可靠性也成了一项非常重要的考量指标。一般来讲，车辆合同中规定了平均故障间隔距离(dMBF)或平均故障间隔时间(tMBF)的具体数值，或者是规定了百万车公里故障数的量化要求。在合同中也会定义故障的类别。故障一般分为三类，针对这三类故障在合同中分别规定了对指标的要求，例如:

1)救援故障——列车严重损坏，需要另外一列车或牵引车来救援，拖回到车辆段;

2)退出服务运营故障——列车部分主要功能丧失，需要立即疏散乘客，列车空车返回车辆段，或将乘客运送至终点后返回车辆段;

3)运行晚点故障——列车因故障在线路上停车时间大于5 min，对商业运行造成了一定影响。

故障率λ 是一个给定项目的责任故障数目n与其总运行公里数ΣD 或总运行时间ΣT 的比率，即λ =n/ΣD 或 λ =n/ΣT;若以 dMBF或 tMBF来表示，则有dMBF=1/λ 或 tMBF=l/λ。

提高轨道交通客车车辆的可靠性已成为轨道交通客车车辆设计的重要任务和研究课题。为了满足客户的要求，并较好地解决可靠性问题，除了运用可靠性设计外，加强轨道客车车辆及其零部件的可靠性验证试验及测试也是一个很重要的方面。

2 可靠性验证试验的分类

根据试验的目的不同，可靠性试验分为工程试验和统计试验。工程试验的目的是暴露产品在设计等方面的缺陷、薄弱环节和故障，以帮助改进设计;统计试验的目的是验证产品是否达到了规定的可靠性或寿命要求。可靠性鉴定试验(RQT)用于设计定型阶段;可靠性验收试验(RAT)用于批量生产。可靠性鉴定试验的目的是为了验证新开发产品的设计是否达到了规定的可靠性定量要求，是否存在设计缺陷;可靠性验收试验的目的是针对正式批量产品的可靠性是否达到了规定的要求，也就是说，在规定条件下检验产品的可靠性特征值是否达到规定值。

车辆可靠性鉴定试验，通常是指对首列车按照规定操作进行跑合5 000 km 或10 000 km 的可靠性试验;可靠性验收试验是指在车辆交付给用户后需按照规定条件，在正常操作下持续最少6 个月的不间断运行，用于确定交付车辆的可靠性是否满足要求。

3 可靠性验证试验要求

轨道交通客车车辆电子设备的可靠性特性曲线呈指数分布;机械部件可靠性特性曲线呈正态分布。历史数据表明，电气设备的故障占车辆故障的大部分，在使用寿命周期内轨道客车车辆可靠性特性曲线基本符合指数分布。因此，所有的试验方案都是建立在车辆故障服从指数分布的假设上。

3.1 试验前具备的条件

为了保证可靠性验证试验的顺利完成，在开始试验之前，需对轨道交通客车车辆进行可靠性分析工作，收集足够的技术资料和数据。这些可靠性分析工作主要包括可靠性预计和FMECA (故障模式、影响及危害性分析)。通过FMECA，设计人员针对易发生故障的薄弱环节所提供的预防措施和改进措施，将有助于提高设备的可靠性以及在后续试验中对故障的分析处理。

3.2 故障分类

如果合同无特殊规定，可靠性验证试验的故障仍按上述救援故障、退出服务运营故障和运行晚点故障来分类。但是，故障是否参与计算，是否归类为车辆责任故障还需要进行分析和判断，如图1所示。可靠性验证试验期间出现的故障可分为关联故障和非关联故障，其中，关联故障进一步分为责任故障和非责任故障。对图1 中各种故障的界定，在可靠性验证试验之前应与用户达成共识。

3.3 接受验证试验的车辆状态

需验收试验的车辆应经过调试检验和功能测试，在设备安装完整、各项功能正常后才能开始进行验收试验。在车辆可靠性验证期间，用户或操作人员必须严格按照制造商提供的操作与维修手册对轨道客车车辆进行操作和维护。

图1 故障界定流程

3.4 可靠性验证测试的计划和程序

进行可靠性试验前，需要明确试验标准、试验车辆、具体的试验操作方案、问题记录的方式和内容，以及故障判据和试验的前提条件。

在进行可靠性鉴定试验前需要制定试验大纲。试验大纲主要包括:试验的线路条件(电压级别)、车辆条件、试验数据的故障判据、规定功能的操作方案等。例如，需要模拟用户现场的正常使用——到站停车、开关门等，以及车辆检修次数和程度。同时，在试验大纲中也需要明确试验合格与否的数据标准，一般万公里运行允许的重大故障或影响安全的故障数为0。如果发生重大故障，则需要继续进行试验。试验结束后需要提供试验分析报告，以明确是否可以满足预期的可靠性指标。

在可靠性验收试验前需要制定一份计划，轨道交通客车项目多数采用序贯结尾统计试验方案。在试验之前，制造方应与用户充分沟通，确定生产方风险和使用方风险的合理比例;可以按照合同要求的置信度进行试验，同时在方案中也要确定试验线路、环境条件、负载条件、试验方案、测试程序、保障条件与协调工作等。一般验收试验都是在用户的使用现场进行，所以，车辆的使用条件都是按照规定进行的，车辆各项功能的使用也是按照车辆操作手册执行的。其侧重点是明确执行试验的标准、故障判据和试验结束的接收依据。

可靠性验证测试计划主要包括以下内容:

1)接受试验的轨道交通客车车辆的批次、数量;

2)试验条件及测试时间与周期设计;

3)可靠性考核指标;

4)故障判别细则和故障审核组织架构;

5)分包商的管理包括备品备件的准备;

6)试验合格与否的判别依据，遇到拒收判别时所要求采取的措施及重新试验的规定;

7)工具工装和辅助材料的准备。

试验中以下故障不参与计算，不包含在可靠性验证范围之列:

1)超过寿命期的易损易耗件;

2)由于先前发生的故障而引起的关联或相同故障;

3)列车修复前相同故障的重复出现;

4)非车辆原因导致的碰撞、事故或是人为故意破坏;

5)操作或维修人员的疏忽或不遵守操作规程;

6)操作和维修作业不按厂商提供的操作和维修手册要求进行;

7)由于公众(包括乘客)行为或疏漏导致的故障;

8)因非合同设备导致的故障。

3.5 可靠性验证试验及测试的实施

轨道客车车辆的可靠性验证测试试验一般应结合试运营或运营服务来进行。为了保证试验的顺利进行，须成立由用户、制造方、相关供应商、操作人员等组成的可靠性验证及测试试验小组，负责可靠性验证及测试试验的实施。该小组的主要工作包括:定期评审试验数据，审批故障分析及纠正措施，具体试验测试程序的临时修改，试验结束时的结果判决等。

3.6 建立故障报告、分析及纠正措施系统

为了确保对试验期间发生的故障进行闭环管理并具有可追溯性，在可靠性验证测试期间和车辆、设备磨合期间迅速展开故障调查，跟踪、记录所发生的故障，及时进行故障评估，并制定纠正措施，最好建立故障报告、分析及纠正措施系统(FRACAS)。通过FRACAS 的运行，收集所有故障数据，记录和保存全部活动过程中形成的文件，分析故障原因，并制定和实施有效的纠正措施，以防止故障再现，确保可靠性验证目标的实现。

4 列车可靠性的验收测试

一般来讲，列车故障率具有如图2所示可预判的浴盆曲线的特性。由图2 可明显地看出:随着行车公里数的不断增加，故障发生的频率则不断减少，车辆的可靠性也在不断提高。一般而言，行车公里在5 000 km 内，车辆电气和机械部件有磨合过程，车辆发生故障的频率很高，所以用户通常要求在车辆验收前进行5 000 km 的试运行。行车公里从5 000 km至50 000 km，故障发生的频率大幅下降;从50 000 km 至175 000 km，故障发生的频率稳步下降;17 5000 km 以后，故障发生的频率趋于稳定，即车辆的可靠性达到一个基本稳定的阶段。从上可以看出，车辆前期阶段和后期阶段的测试，会产生不同的结果。

图2 列车故障率呈现的浴盆曲线

5 轨道客车可靠性验收测试案例

5.1 可靠性要求

某海外轨道客车车辆项目合同规定的可靠性指标以每百万公里发生的故障数不超过1.82 次进行评估。可靠性验证以第1 批车辆为测试对象，发生故障的总数为验证期内被测车辆累计故障的总和。现以第1 批10 列车为例，说明轨道客车车辆可靠性验证测试过程。

5.2 可靠性验证测试程序

该批车辆可靠性验证测试程序如图3所示。

5.3 可靠性测试

在商业运营前的服务期内将对整批车辆运营的可靠性进行监测，从笫1 列车开始测试，到最后1 列车最终验收为止。在可靠性验证期间将会详细地记录每一个故障信息，列车编号，故障的详细描述，故障分析报告及其它有关的资料(例如相应的列车管理系统记录数据、门控器数据等)。

5.4 试验方案和计算方式

在此项目试验开始之前应编制好可靠性验证计划，在计划中确定采取序贯统计结尾的试验方案。

图3 轨道车辆可靠性验证测试程序

一般情况下，轨道客车运行5 个月时间以内发生的故障属于早期故障。在正常运营的条件下，车辆运行至少半年之后，才开始进行可靠性验证测试。验证期大约持续1～2年左右，具体视合同规定或业主要求而定。本项目要求12 个月的验证期。验证期结束后的测试结果是验证期内受测试车总运行里程数与总故障次数的比值λ，可用式(1)计算:

式中:

F1，F2，…，FN——验证期间被测试车辆发生的故障次数;

d1，d2，…，dn——每辆车执行运营任务过程中的总运行里程数。

5.5 接收和拒收标准

在项目合同中已经规定了可靠性指标要求:运营百万公里晚点大于2 min 的故障≤1.82 次。所以在试验计划中确定采取序贯统计结尾的试验方案，并确定了生产方风险和使用方风险分别为10%。根据相关计算确定可靠性验证接收和拒收的标准如下:

1)接收标准:测试结束，百万公里责任晚点大于 2 min 的故障数≤1.82 次;

2)拒收标准:测试结束，百万公里责任晚点大于2 min 的故障数＞2 次。

当验证期结束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。当验证期虽未到，但发生的责任故障数＞1.82个，已达到了拒收的标准，则在制造方和业主双方同意的情况下，可以中止可靠性验证测试，或是延长验证期，继续可靠性验证测试，持续到一个验证期循环。

根据可靠性测试故障统计，在验证测试期结束时，按照式(1)计算，就可以得出验证期的可靠性指标数据，该指标决定了验收结果是接收还是拒收。

6 结语

可靠性验证及测试是轨道客车可靠性评价和使可靠性增长的一个重要手段，也是可靠性工程中的重要环节。借助可靠性验证试验结果，可以检验考核主要设备的可靠性水水平，也可以指导轨道客车各系统的可靠性设计。因此，在轨道客车车辆设计阶段就重视并控制产品的可靠性，从轨道客车车辆的全寿命周期成本的角度考虑，将会产生较好的经济效益。

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