动车组运行可靠性评价方法研究*

蔡 两, 王华胜, 李 昊

(1 中国铁道科学研究院研究生部, 北京 100081;2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所, 北京 100081)

随着我国高铁运输的快速发展，动车组在运营里程、开行列数、交路距离、运行环境、载客数量等方面均创下了世界之最，产生了很好的经济效益和社会效益。但我国地域幅员辽阔、气候环境多样、线路条件复杂，在各种复杂运行条件和因素的作用下，动车组不可避免地出现一些故障，如何通过故障数据的收集、分析、计算，对动车组运行可靠性进行评价，进而为故障的消除、控制和预防提供技术支撑是目前迫切需要破解的难题。

1 动车组运行故障分类

故障是指产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态[1]。动车组结构功能复杂，故障模式繁多，可从故障影响、原因等不同方面进行分类研究。

(1)按照故障后果严重程度分类。不同故障后果的严重程度差别很大，有些轻微故障不影响运营，可先带故障运行，待方便时再进行检修；而有些严重故障需要立即停车否则可能造成事故，这类故障需要严格预防。因此，影响动车组运行的故障需要重点关注和预防，按照严重性不同，这类故障又可分为两类，一类是可能造成行车事故的安全类故障，其在《铁路交通事故调查处理规则》(简称《事规》)中有明确规定[2]；另一类是构不成事故但影响正常行车的故障，包括可能造成途中短暂非正常停车、运缓、晚点等后果的故障。

(2)按照故障责任分类。高铁设备设施是确保动车组安全、可靠运行的重要手段，由于设备设施设计、制造、运用、维修、管理等不当导致的故障或事故称为设备设施责任故障，这些故障通常是可防、可控的，也是应该重点防控的。还有很多动车组故障是受气候条件异常、线路环境变化等不可控因素影响产生，如：大风将飘浮物吹挂在接触网、雾霾天气导致的绝缘子雾闪、撞击飞鸟等，相对于高铁设备设施责任故障，这些故障通常被认定为非设备责任故障，一般会从管理角度进行专门研究分析。

(3)按照故障专业分类。高铁运输需要“车、机、工、电、辆”等多专业领域和部门协同努力配合，各专业领域设备设施的运用、检修、管理特点及模式差别较大，故障模式及影响因素更是相距甚远，各专业设备设施故障需由各专业技术管理部门分析处理。为此，影响动车组运营的故障又可按专业划分，如：电务设备故障、供电设备故障、线路设施故障、车辆设备故障等，动车组专业部门更关注的应该是车辆责任设备故障。

综上所述，高铁运输的主要目标是安全、正点地运送旅客至目的地，并在途中为旅客提供必要的服务和环境。从铁路移动技术装备研究角度看，影响动车组行车可靠性的车辆设备设施故障应该是我们研究分析的重点对象。为此，文献[3]针对动车组车辆设备故障后果严重程度不同，按照分级、分类的原则定义了A、B、C、D类故障。

(1)A类故障。在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组途中非正常停车时间大于20 min 小于1 h的故障。按照《事规》规定，途中非正常停车超过1 h将构成一般D类事故，为此将停车1 h作为A故障的考核上限。

(2)B类故障。在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组途中非正常停车少于20 min的故障。

(3)C类故障。在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组出入站晚点，以及在功能受限模式下运行的故障。统计发现，相当一部分晚点故障是由于途中运缓、出站延误导致的，鉴于其对运输的影响远小于途中非正常停车导致的晚点，为此把这类晚点故障归为C类故障。

(4)D类故障。不影响动车组正常运行的其他各类故障。

2 动车组故障信息收集

2.1 动车组现场数据特点

我国动车组投用数量多、开行范围广、运行环境复杂，具有如下突出特点：

(1)车型种类多、技术差异大。我国目前投入运用的动车组已达数千列，技术平台10余个，车型近30种。很多功能系统上存在较大技术差异，如：牵引电机有体悬和架悬之分；空调有分体式和单元式之分；动力配置有4动4拖、5动3拖、6动2拖等多种形式；不同技术特征动车组通过其故障数据呈现出不同的可靠性规律。

(2)运行交路环境、条件差别大。我国幅员辽阔，各地气候、地理环境差别很大，对动车组相关系统和部件产生不同影响。如：夏季高温地区气温高达40 ℃，对空调机组、牵引单元等部件的散热性能构成严峻考验；冬季高寒地区气温低至-40 ℃，对给水卫生系统防冻提出更高要求。再如：动车组在雪天有砟线路运行时，雪块夹杂道砟击打、损坏车底设备的事故时有发生；东南沿海地区受潮湿和盐雾等因素作用，车体及构架腐蚀现象明显。上述状况都将在现场可靠性数据中有所体现。

图1 不同时刻投用动车组运用状况

图2 调整为同一寿命周期起点后状况

(4)动车组结构功能复杂、故障模式繁多。动车组属机电一体化大型复杂装备，由成千上万种部件组成，按主要功能可划分为车体、转向架、制动、牵引、辅助、网络、空调、给水卫生、内装与设备等，依次与安全性、可靠性和舒适性密切相关，其故障影响、原因、机理、规律各不相同，需要在故障模式影响分析基础上，分别统计分析研究。

2.2 动车组故障数据收集

为科学准确评价动车组运行可靠性，需要对动车组运行故障信息进行全面统计分析，尤其需要做好以下几类信息的收集：

(1)产品识别信息。包括动车组车型及车组号、制造厂家，以便按不同车型和厂家进行统计分析。

(2)运用环境及条件信息。包括配属段、运行交路等。动车组在寿命周期内可能会根据运输需求调配转属不同动车段，运行交路也会不断调整，此类信息反映了动车组运行的线路状况、环境和气候条件等，以便对某个段、某个线路或某种气候条件下动车组进行分类统计分析。

(3)走行里程及时间信息。包括动车组投入运用以来的累积走行里程和时间。动车组转向架、制动、牵引等系统运动部件可靠性与走行里程关系密切，而车体、内装、内饰、橡胶件、密封件、油脂类产品与运用时间关系密切，为此常常需要从里程、时间两个维度对数据进行分别统计分析。

(4)故障信息。包括故障模式、原因、影响等内容。首先依据故障模式判断是否为责任故障；其次根据故障原因界定是否为车辆设备责任故障，以及故障定位的具体功能系统或部件；然后分析故障影响程度，据此判定其故障等级。

动车组故障信息收集犹如填写人体健康履历表，将动车组投入运用以来发生的所有影响行车的故障，按照时间先后或累计走行里程从低到高的顺序进行记录填写，形成一张动车组寿命周期健康履历表，格式见表1。

表1 动车组故障信息收集表

3 动车组故障率统计分析

3.1 故障率及主要规律

故障率是评价产品可靠性的重要评价参数，可分为瞬时故障率和平均故障率。瞬时故障率λ(t)是指在规定条件下运用到时刻t尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率[3]。即

(1)

式中：Ns(t)为到t时刻尚未发生故障的产品数；dr(t)为t时刻后dt时间段内故障的产品数。

故障规律是指产品瞬时故障率随工作时间变化的规律函数或曲线，也称故障率曲线。图3所示“浴盆曲线”是较早发现的一种典型产品故障率规律[3-4]，该曲线有3个特征区域：

(1)早期故障区：指产品新造或翻修后，故障率较高但会随着运用筛选较快降低的一段时期。若该阶段故障率较高，则需要采取源头质量整治等措施。

(2)偶然故障区；指产品进入稳定使用期后，故障率相对较低且持续平稳的一段时期。这是产品最佳使用阶段，为减少不必要的外界激扰，除日常维护保养外，不建议实施预防检修和更换工作。

(3)耗损故障区；指产品进入耗损、老化阶段，故障率开始呈现快速上升的一段时期。在该阶段进行预防检修或更换不仅可有效避免批量故障，而且充分利用了产品寿命，可获得最佳的检修效率和效益。

图3 故障率浴盆曲线

此外，还可以根据故障率曲线评价预测动车组运用质量状况，根据高级修前后故障率变化情况评价检修效果。

3.2 动车组故障率及计算方法

为便于动车组运用维修管理和计算评价，实际中常用包含某个时刻时间段的平均故障率作为该时刻的可靠性近似评价指标，通过对动车组寿命周期内不同时刻间隔内故障率指标进行计算评价，从而得到动车组故障率曲线和规律。

(2)

4 动车组运行可靠性评价流程

通过动车组运行故障数据收集、统计和故障率计算，可分别获得寿命周期内动车组整车故障变化规律、不同等级故障变化规律、不同功能系统故障变化规律，在此基础上，借助故障模式影响分析(FMEA)等可靠性方法对占主导地位的支配型故障系统和部件进行分析，提出故障消除和控制措施，提升动车组可靠性。

(1) 故障数据收集

通过动车管理信息系统等运行数据源获取以下信息：车型及车号、制造单位、配属单位、累积运行里程、累积运用时间、故障模式、故障原因、故障定位、故障影响等，并按照故障发生顺序逐条填写相关信息至表1。

(2)整车故障规律分析

依据车辆设备责任事故和故障计算动车组整车故障率，根据故障率曲线评价动车组运行可靠性状况。根据文献[6]结论，正常情况下，动车组整车故障率平稳且较低，近似服从指数分布。若故障率偏高或曲线局部异常，须进一步分析其原因。

(3)不同等级故障规律分析

按照不同故障严重程度等级定义，对故障数据进行分级梳理，分别统计分析不同故障等级下动车组故障率及其变化趋势，分析不同等级故障在整车故障率中占比、影响因素及改进措施。

(4)不同功能系统故障规律分析

结合故障现象和原因，按照动车组功能系统进行故障定位和分类，如：车体故障、转向架故障、制动故障等，并计算各系统故障占比。采用FMEA方法从故障模式、原因、影响、措施等方面对占比较高的支配型故障进行分析，以便采取有效措施消除或控制相关故障，提升动车组可靠性。

(5)故障规律优化

依据上述分析结果，结合动车组高级修或源头质量整治，采取相关措施可使支配型故障得到消除或控制。为此，可在原故障数据基础上依次把行将消除的支配型故障数据删除或调整，对动车组整车故障规律重新进行统计计算，进而获得优化后的整治效果。

5 实例分析

依据文中分析流程和方法，对某型动车组运行故障数据进行收集、统计、计算和分析，进而评价和预测其运行可靠性。

(1)整车故障规律分析

针对某型动车组故障数据进行统计分析，计算得到其既有寿命周期330万km内的故障率曲线，如图4所示。

图4 某型动车组整车故障率曲线

由图4可以看出，该型动车组在10～100万km区间内故障率较高，具有明显的早期故障期，随着故障不断整治，故障率逐年下降并趋于平稳，100万km后基本呈现出大型复杂装备故障规律近似服从指数分布的平稳型特征，其平均百万公里故障率约为2.19。

(2)不同等级故障规律分析

按照故障严重程度等级不同，分别针对动车组事故、A类故障、B类故障、C类故障进行统计计算，得到该动车组寿命周期内不同等级故障在总体故障率中的占比，如图5所示。

图5 故障率中不同等级故障占比

图6 不同等级故障率曲线

图6给出不同等级故障下的动车组故障率曲线，由图可看出，该动车组在寿命周期内事故率一直是较低且平稳的，平均事故率水平约为每百万公里0.013件，说明其安全性是有保障的。A类故障明显低于B类和C类故障，在50万km前有早期故障特征，经整治后明显下降并趋于平稳，平均故障率水平在0.58件左右，说明该动车组运行是基本可靠的。B、C类故障在100万km前均有明显的早期故障，是造成动车组故障率高的主要因素，经整治，故障率大幅下降，至100万km逐步趋于稳定。需要说明的是，由于C类故障未导致停车，主要统计了造成明显晚点的C类故障，一些影响不大的C类故障没有统计，如：空调故障等，使得图6中C类故障率低于B类故障率。

(3)不同功能系统故障规律分析

结合故障现象和原因，可按照动车组功能系统对故障进行定位和分类，鉴于该动车组在其寿命周期的前100万公里内具有明显的早期故障，故重点对该区间内不同功能系统的故障规律进行分析。

图7、图8分别给出动车组寿命周期早期不同功能系统故障占比和故障率曲线，可以看出，该阶段故障主要集中在高压牵引系统、转向架、列控车载设备、车体及车端连接以及供风及制动系统，占了所有故障的86%，均呈现出显著的早期故障规律特征，由此决定了整车的早期故障特征。

图7 寿命周期早期不同功能系统故障占比

(4)整车故障规律优化

针对高压牵引系统、转向架、列控车载设备、车体及车端连接以及供风及制动系统等故障占比较高的产品开展FMEA分析，制定预防及整治措施，可有效降低故障率、提升可靠性。表2结合故障发生情况给出主要相关系统寿命周期内FMEA初步分析结果。

图8 寿命周期早期不同功能系统故障率曲线

表2仅对系统层面产品进行了初步FMEA分析，在此基础上可结合产品的层次化结构逐层开展FMEA分析。图9为分析得到的高压牵引系统主要部件故障占比图，可以看出，牵引变流器、牵引电机、主断路器、受电弓、牵引变压器依次占比较高，针对上述部件进一步开展FMEA分析，制定防治措施可有效降低高压牵引系统故障率。同理，可对转向架等其他系统部件开展深层FMEA分析，制定有效防治措施。

表2 动车组主要故障相关系统FMEA分析表

经过对高压牵引系统、转向架、列控车载设备、车体及车端连接以及供风及制动系统等故障整治后得到图10所示的故障率曲线，考虑上述系统故障经过整治后虽会大幅减少，但不会达到零故障率水平，为此取其余各系统故障率的平均值作为上述5项系统整治后近似故障率相对比较合理。在进行故障系统优化预测之后，寿命周期内整车故障率下降72%，平均故障率降至每百万公里2.11件，优化效果明显。故障整治后故障率明显下降，但仍有轻微的早期故障倾向，一方面是由于占比较高的其他类故障整治效果没有考虑，另一方面，大型复杂装备由于新造组装不当、偶发源头缺陷等原因不可避免会产生一些早期故障。

图9 高压牵引系统主要部件故障占比

图10 故障整治前后故障率曲线对比

6 结 论

针对我国动车组运用维修特点，从故障分类、数据收集、故障分析等方面进行研究，提出动车组运行可靠性评价流程，得出以下结论。

(1)从故障后果、故障责任、故障专业领域等角度对动车组故障进行分类，体现了分层、分级、分类的管理原则，通过聚焦少数、关键故障，使动车组运行可靠性评价更加客观、合理。

(2)分析了动车组现场数据复杂性、多样性特点，制定了动车组故障数据收集内容和项目，为动车组运行可靠性评价提供了数据支撑。

(3)介绍了典型故障率曲线及其规律特点，讨论了动车组整车寿命周期故障率计算方法，借助故障率曲线实现了动车组寿命周期内运行可靠性定量评价。

(4)从动车组运行故障数据收集、故障率计算分析、整车故障规律分析、不同等级故障规律分析、不同功能系统故障规律分析、故障规律优化分析等方面制定了动车组运行可靠性评价流程。

(5)针对某型动车组运行故障数据进行收集统计，得到其整车故障率曲线，分别对整车故障规律、不同级别故障规律、不同系统故障规律进行分析；运用FMEA方法对早期故障率中占比较高的故障进行分析，提出整治及防控措施；从可靠性提升角度，为动车组研制和运用考核提供了技术流程和方法。