地铁车辆的故障分布特点及其可靠性验证方法

杜银兵 张彦华 杜玉峰

摘 要：简要介绍了轨道列车的故障特点，使用IEC 61124标准的原因和某地铁项目的可靠性验证过程。

关键词：IEC;61124;可靠性验证;故障率

目前，国内已有30个城市开通地铁，地铁线路超5000公里，这些地铁项目对车辆可靠性提出了很高的要求，并将通过可靠性验证与质保期关联，以往可靠性验证方法采用MTBF的算术平均值，即点估计。针对区间估计，目前已经有国际通用标准IEC 61124（可靠性试验-恒定故障率和恒定故障强度的符合性试验）及国军标GJB899A。本文介绍了轨道列车故障特点，点估计和区间估计优缺点，并介绍了基于IEC 61124标准验证的某地铁项目实例。

1 轨道列车的故障特点[1]

1.1 复杂装备系统的故障规律

对于简单的机械类产品，其故障规律比较单一，大多符合浴盆曲线。

轨道列车系统设计专业范围广，除了具有复杂的机械部件外，还具有动力系统、电气系统、电子控制系统、液压系统等，集机电一体化。轨道列车的系统的工作环境也多种多样，可能受温度、压力、震动、冲击、潮湿等因素影响以外，还可能有沙尘、高热、雨水、盐分及辐射等环境的影响，导致不同系统的故障模式种类繁多，故障概率分布形式也各不相同。这给故障的研究带来很大困难。

美国联合航空公司对大批航空技术装备的故障特征进行的调查统计分析表明，复杂航空装备系统的故障率曲线不是单一的浴盆曲线，而是有六种形式。下图是航空技术装备统计的故障特征及占比。

现代复杂装备系统的六种故障率曲线

由航空装备系统得出来的这些故障规律，在轨道列车上也得到了验证，根据统计表明符合A、B、C型故障曲线的约占5%～10%，符合D、E、F型的故障率曲线的约占90%～95%。由此可看出绝大部分复杂技术装备技术没有耗损故障期，现代复杂的轨道列车在正确设计，制造（没有惯性故障），及时维修情况下，其可靠性可以不随运行时间的延长而下降。对于车辆来说是因为存在设计、制造、加工、装配等质量薄弱环节，在通过磨合期发现并解决问题，消除早期故障之后，车辆进入偶然失效区，故障分布服从指数分布。

1.2 复杂装备系统更新的故障率曲线

德雷尼克在1960年发表了复杂装备的故障定律：“可修复的复杂装备，不管其故障率分布类型如何（例如指数分布，正态分布），故障件修复或更新以后，复杂装备的故障率随着时间的增加而趋于常数。”

它表明：“不管复杂装备的故障件的分布如何，故障件更新以后，经过一段时间的工作，装备的故障率趋于某个常数——平均故障间隔时间MTBF的倒数。”他的物理解释是：复杂装备系统的故障是由许多不同的故障模式组成的，而每种故障模式会在不同的时间发生，它具有偶然性。如果出现故障就及时排除，即执行更新过程的话，那么故障件的更新也具有偶然性，因而使得装备系统的总故障率为一常数。即复杂装备系统的故障服从指数分布。

2 可靠性试验方法

此方法为点估计，点估计的优点是简单直观。但点估计只是给出一个近似估计值，这种估计值是通过样本观测值利用公式得到的。上述公式即为样本的函数，它是一个统计量，这个统计量称为MTBF的“点估计量”，利用样本观测值对点估计量的计算结果称为点估计值。不同样本观测值得到的点估计值也不同，因此点估计量是一个随机变量。根据经验，这种方法要求故障数大于等于201。根据国内地铁的情况，单月发生的关键故障远远小于20次，发生20次故障的时间一般在6个月以上.国内地铁项一般都要求按月进行验证，连续6个月或12个月达到要求，时间上很难满足要求。

IEC 61124标准描述了恒定故障率产品的可靠性验证的四种区间估计方法，其中固定时间/故障终止试验最小的试验时间要求为MTBF的1.08倍（标准中表3，试验计划B.8），相对点估计法，可以在较短时间内做出接收或拒收判决。

地铁车辆属于可修复产品，且要求按月验证，即定时截尾。通过上一章节的描述我们知道地铁车辆故障服从指数分布，故障率为常数。因此，为了在短时间得到验证结果，在考虑一定风险的前提下，可采用IEC 61124标准。目前基于IEC 61124的可靠性验证也已经在上海、广州、南宁、武汉等多个项目展开。

固定时间/故障终止的试验计划的特点是当用于终止的试验时间已经达到时或者当容许的故障数量已经超过时用于接受或拒收的符合性的决策规则。具体将以实例在下文进行介绍。

3 某地铁项目可靠性验证实例

3.1 合同规定的可靠性要求（m0）

3.2 运行数据

3.3 试验方案设计

4 结果评估

针对服务故障，发生故障数为1次，小于规定的故障数2次;总运营时间8736h，大于要求的试验时间6480h，验证通过;

针对晚点故障，发生故障数为1次，小于规定的故障数4次;总运营时间为8736h，大于要求的试验时间5640h，验证通过;

针对碎修、列检故障，总运营时间为8736h，大于要求试验时间8115h，发生故障数为61次，小于可接收的故障数66次，验证通过。

如果出现验证不通过，则需对存在问题进行原因分析、并提出整改方案。

5 结语

通过以上内容，得到以下结论和可靠性验证需要注意的问题：

（1）通过对复杂装备的故障分布特点介绍，证明地铁车辆的故障服从指数分布，其可靠性验证适用IEC 61124标准。并比较了点估计法的优缺点，说明了选择IEC 61124标准验证的原因。

（2）通过可靠性验证的实例，可以看出在验证前必须根据假设的运行数据与业主确定生产方、消费方风险，鉴别比，可靠性目标是检验上限还是检验下限，及故障记录原则，以制定合适的验证计划。

（3）由于国内项目验证要求按月进行，在设计试验计划时，可能会有月度运营时间低于可靠性目标的情况，即样本量无法满足验证要求，这时可采取双月验证或双月迭代或累积更长时间的方法;还有一种情况是在标准中已给出的试验方案中无法选取适合的方案时，可根据标准中提到的电子表格程序自行设计试验方案。对于碎修，列检故障，样本量足够大，也可直接采用点估计进行验证。

参考文献：

[1]董锡明.轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性：RAMS.北京：中国铁道出版社，2009.

[2]IEC 61124-2012，恒定失效率和恒定失效強度的可靠性验证验证[S].