基于失效风险评估的动车组高级修周期延长可行性分析及验证方法*

钱小磊

(北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

德、法、日等开行高铁列车较早的国家基于动车组实际运行和检修经验的积累，持续开展修程修制优化研究，在检修周期延长、检修方式优化等方面取得显著成效。如日本新干线动车组于2002年4月起将原架修、大修周期分别由45万km、90万km延长至60万km和120万km，DB铁路公司将ICE3型动车组IS100、IS600、IS700级检修初期的周期间隔4 000 km、120万km、240万km分别延长至8 000 km、165万km和330万km，可用性得到大幅提升。

对比分析国内外动车组运用维修指标发现，我国高速列车年均走行里程、可靠性指标明显比国外高，但检修率与国外相比偏高，具有优化空间。因此，通过开展动车组检修周期延长研究提高效率效益是非常必要的。

1 检修内容分析

动车组一般分为车体、转向架、制动、牵引、辅助、网络、给排水、空调通风、内装设备等若干系统，每一系统又由不同部件组成，如转向架系统包括构架、轮对、轴箱轴承、空气弹簧、减振器、制动夹钳装置等部件，部件以下又可细分为组件，组件进一步细分为零件等。按照现行动车组高级检修规程[1]，以CR400AF动车组为例，共可分为150类大部件。从部件检修方式上，一般分为：目视检查、清洁、润滑、尺寸测量、功能检查、性能测试、修理或更换、分解检修、组装测试等。动车组三级修主要检修内容为转向架分解检查、更换易损易耗件、对其他系统部件进行状态检查和功能测试，在该修程下，绝大多数部件未到更换周期。四级修主要是针对动车组重要系统的分解检修，与三级修相比部件更换及分解检修的范围和数量明显增加，需根据部件故障特点和寿命统计结果，对检修周期延长是否可行进行重点分析。五级修是对全车进行的分解检修和更大范围的部件更新，以CR400AF动车组为例，需重点评估原五级修需更换的油冷却器、牵引变流器控制单元和功率模块、制动控制装置、空调压缩机等关键部件，能否满足修程延长后的更换周期要求。

由此可见，三级修周期延长主要需分析的是转向架分解检修部件和其他状态检查、功能性能测试的部件，四、五级修需增加对到期更换部件的分析。

2 失效风险评估

2.1 失效模式及影响分析

在失效模式及影响分析(FMEA)中，分析层次的约定十分重要，因为随着分析的深入，低一层次定义的失效影响可能是其高一层次的失效模式，低一层次的失效模式也可能是高一层次的失效原因等。对于动车组整车的FMEA，将分析层次约定在前面所述的部件级，从分解程度、精确度和工作量上均是较为合适的。

按照IEC 60300-3-11《可靠性管理-应用指南-以可靠性为中心的维护》[2]，列出失效模式时，需注意只列举“合理且可能”发生的情况。这其中包括：

(1)在规定运行环境下已知发生的或正在由现有预防性维护程序所防止的失效模式。

(2)发生概率很低但后果非常严重的失效模式。

(3)可能导致失效的其他事件，如操作错误、设计缺陷、制造缺陷和环境影响等。

对动车组FMEA而言，重点应统计分析前两类失效模式，第3类中的操作错误和环境影响无关设备本身可靠性，设计缺陷导致的批次质量问题一般通过源头整治和设计更改进行解决，而生产制造过程中的个别质量缺陷往往不能完全避免。具体地，第一类失效模式包括动车组(或具体部件)在上线运行、日常入库检修、专项检修、高级检修过程中出现的或潜在发生的失效情况，第二类失效模式如转向架构架局部裂纹，发生概率极低，一旦发生且未能及时检测，在疲劳载荷作用下可能导致断裂威胁动车组运行安全等。

部件失效模式造成的影响一般分为局部影响和最终影响，局部影响也可理解为对上一级产品造成的影响。从对动车组整车产生影响的角度，部件失效造成的最终影响可主要分为影响安全、影响秩序和影响舒适度3大类。其中：

(1)影响安全：部件失效对动车组本身及其设备(包括其他同轨道运行动车组)造成严重损伤或危及乘员生命或身体健康的情况。

(2)影响秩序：部件失效后需停车处理或导致行车延误的情形。

(3)影响舒适度：部件失效后导致客服功能丧失或引起乘坐体验不舒适。

2.2 失效风险评估

风险分析较常用的方法是通过失效模式、影响及危害性分析(FMECA)计算风险优先数RPN来定量评估[3-4]，RPN为失效严酷度S、失效发生频度O、可探测度D三者的乘积，其中S、O、D均采用等级值。每种失效模式的RPN值计算出来后进行排序，RPN越高，优先级越高，越需要优先制定预防和避免失效的措施。对于分析动车组各部件高级修周期延长后可能出现的失效风险，评估延长可行性和提前制定试验验证跟踪措施，RPN方法中的失效严酷度、失效发生频度、可探测度同样适用，可作为检修周期延长可行性分析依据的3个主要方面。

2.2.1失效严酷度S：按照前面所述动车组部件失效分别对运行安全、秩序和舒适度造成最终影响，相应的失效严酷度可依次分为严重(Ⅲ)、一般(Ⅱ)和轻微(Ⅰ)3种级别。

2.2.2失效发生频度O：针对动车组产品本身技术成熟、可靠性高、故障率低的特点，失效频度可分为“极低”(Ⅰ)、“较低”(Ⅱ)和“较高”(Ⅲ)3种等级。根据动车组百万公里故障率统计数据，“极低”、“较低”、“较高”可分别按百万公里故障率<0.1、0.1～0.5、>0.5 3个区间进行划分。

(1)数据来源

对分析动车组部件检修周期延长的可行性而言，失效频度的来源主要有：

①部件寿命试验的数据，包括设计阶段的寿命试验和运用后的剩余寿命试验，均具有很高参考价值；

②现场运用、检修的失效数据，来源包括车载和地面检测监测数据、检修故障处理记录等；

③同类或相似产品的失效数据，如CR400AF转向架构架参考CRH380A、CR400BF齿轮箱参考CRH380B等，二者结构相近、器件选型相同或相近，后者积累了大量的运用检修数据，可作为宝贵的失效数据库。

(2)变化趋势

动车组检修周期延长分为里程周期延长和时间周期延长，为此，应针对不同部件的失效频度随动车组运行里程和时间发展变化的不同规律特点，分类进行分析，重点分析部件在更换周期内的失效频度与里程、时间的相关性，评估检修周期延长后失效频度的增长变化情况。

动车组部件大体可分为结构类、机械磨耗类、电气板卡类、开关动作类、橡胶类等若干类别，其中结构类、机械磨耗类、开关动作类部件的失效频度主要与运行里程相关，电气板卡类、橡胶类部件的失效频度主要与时间相关，另有一些部件如起传力和缓冲振动冲击作用的橡胶节点，其失效频度与里程和时间均相关。以轴箱轴承为例，该部件属走行部轴承类，主要失效模式有润滑脂泄漏、温升异常、滚子/滚道面剥离、保持架断裂、电蚀等，失效频度与运行里程相关，检修周期延长后，可能会引起润滑脂性能下降和润滑脂泄漏、滚子/滚道面剥离等失效增多或失效可能性增大。

(3)可探测度D：可探测度一般指部件在发生失效前或造成严重失效后果前被提前识别并避免失效的可能性。对动车组部件高级修周期延长而言，除包括采用车载和地面手段进行的状态检测监测，还可引申为动车组日常检查、运用维护和检修中所采取预防性措施的有效性，如一级修对转向架构架关键焊缝目视检查、定期空心轴探伤、通过功能测试检测制动部件的完好情况等。可探测度的等级方面，由于动车组大多数部件实行预防性维修，可根据运用中是否采取了状态检测监测手段或一二级修内容是否覆盖，将检修周期延长阶段的失效可探测度分为较高(Ⅰ)、一般(Ⅱ)和较低(Ⅲ)3种等级。

3 周期延长可行性分析

按照上述方法和参数定义计算或评估出失效严酷度S、失效发生频度O、可探测度D后，评估每个部件、每种失效模式在检修周期延长阶段面临的失效风险和风险可接受程度，进而判断延长的可行性。其中，专门针对检修周期延长后失效频度增长变化趋势的评估，也应作为计算风险优先数RPN的重要参数，变化趋势用T表示，可分为增加和不变2种等级。计算结果可称之为修正的风险优先数或失效风险度，公式为：

RPN=S×O×T×D

基于失效风险评估的动车组检修周期延长可行性分析流程图如图1。

图1 动车组检修周期延长可行性分析流程图

以CR400AF动车组三级修里程周期延长(时间周期不变)为例，对各部件进行周期延长可行性分析，如表1所示。

表1 CR400AF动车组三级修里程周期延长可行性分析表

其中，转向架构架出现局部裂纹后，特殊情况下裂纹逐渐扩展并最终导致断裂，影响动车组运行安全，失效严酷度S为严重级；通过对5列三级修CR400AF动车组和采用同样主体结构的CRH380A、CRH2A平台动车组构架共计1 800余次的四、五级检修，构架关键焊缝均未检测出缺陷，失效频度O属于几乎不可能发生的极低级；转向架构架属于全寿命件，且线路长期跟踪测试结果表明构架关键部位动应力随里程变化趋势不明显，因此构架失效频度可视为随三级修里程周期延长不发生变化；此外，现行二级修有对关键焊缝进行目视检查的规定，可及时发现异常并处理，可探测度属于较高级。综上，在CR400AF三级修里程周期延长阶段，转向架构架局部裂纹的失效风险属于极低水平，可以忽略，构架裂纹状态检查三级修里程周期延长可行。

与转向架构架裂纹不同，轴箱轴承剥离和抗蛇行减振器性能衰减虽然失效严酷度S也属于严重级，但与之结构相似的CRH380A平台动车组检修数据表明，此两类失效模式均在运用或高级修时个别发生过(比例很低)，因此失效频度等级比构架裂纹高，为低级；加之轴箱轴承剥离和抗蛇行减振器性能衰减均随检修里程周期延长有增长的趋势，因而此两类失效模式的失效风险度明显较转向架构架裂纹偏高。尽管轴箱轴承剥离和抗蛇行减振器性能衰减两类失效模式实际存在一定的发生频度，但整体处于很低水平(如120万km高级修抗蛇行减振器阻尼性能衰减约占比0.8%)，加之在运用过程中轴箱轴承剥离和抗蛇行减振器性能衰减可分别通过轨边声学诊断系统(TADS)和动车组失稳检测装置进行检测监测，此两类失效模式在动车组三级修周期延长阶段的失效风险属于可接受程度。

按照上述方法分析其他部件、其他失效模式在高级修周期延长阶段面临的失效风险和风险可接受程度，只有当所有失效风险均为可忽略或可接受，不存在不可接受的情况，动车组整车高级修周期延长才具备可行性。

4 验证跟踪方案

总体上，对于失效风险度评估值较高的部件，尽管从理论分析或数据旁证等方面认为检修周期延长具备可行性，仍需利用一定的试验手段进行延长验证。验证一般分为地面验证和实车验证，地面验证指通过台架试验模拟实际运行状态，获取延长阶段可能出现的故障信息，统计延长后的故障变化规律，如对于CR400AF动车组三级修里程周期延长，抽选运行一定公里数的轴箱轴承进行剩余寿命试验；实车验证指结合试验动车组检修周期延长，从现车获取运用和检修故障数据，统计可靠性规律，评估延长的最终可行性。为安全起见，应在理论分析、台架试验等线下可行性论证全部通过后，再启动实车验证。

以CR400AF动车组三级修里程周期延长为例，经过对检修项目进行全面失效风险评估，部分项目的具体跟踪方案如表2所示。

表2 CR400AF动车组三级修里程周期延长实车验证跟踪方案(部分)

5 结 论

借鉴以可靠性为中心的维护理论在决策、失效模式及影响分析、风险评估等方面的方法和既有动车组修程修制优化实践经验，在确保动车组安全和运行秩序前提下，通过对部件检修内容、检修方式进行梳理划分，开展失效模式及影响分析，对每种失效模式评估失效严酷度、失效发生频度和可探测度，以及针对检修周期延长增加延长后失效频度增长变化趋势的分析，最终评估动车组各部件在检修周期延长阶段面临的失效风险和风险可接受程度，进而论证检修周期延长可行性。对于失效风险度评估值较高的部件，结合运行检测监测手段、一二级修和高级修作业内容制定验证跟踪方案。