双轴跨座式单轨转向架 RAMS指标体系构建研究

肖 静，杨百岭，叶珍珍，寇文娟，杨绪杰，冉 龙

（重庆中车长客轨道车辆有限公司，重庆 401133）

1 引言

双轴跨座式单轨转向架分为动力和非动力2种，其结构一致，互换性良好，走行轮采用橡胶轮胎代替地铁车辆的钢轮，通过导向轮替代地铁车辆车轮踏面的导向作用，如图1所示。双轴跨座式单轨转向架两侧梁外侧各安装3个水平轮，用以引导转向架并控制侧倾运动。作为跨座式单轨车辆的核心，转向架对车辆安全具有重要作用，其良好的RAMS（可靠性，可用性，维修性和安全性）特性，对于提高单轨车辆性能、满足用户需求具有重要意义。在国际铁路行业标准质量管理体系要求（IRIS）中，RAMS过程可单独作为一项工程来实施，并贯穿到产品全生命周期。从对产品的可行性分析研究到产品报废的整个生命周期过程中，建立RAMS论证过程，通过RAMS论证过程梳理RAMS要求，并通过定性和定量的RAMS指标评定以保证所有RAMS要求的实现。

2 构建 RAMS 指标体系

在跨座式单轨车辆转向架设计过程中，用户通过合同对各级供应商提出要求，然后由主机厂细化对下游供应商的要求，例如，某项目在招标文件中对整车可靠性提出要求：对导致列车停车时间超过3 min及以上时间的故障给出平均无故障时间（MTBF）指标（不低于3000 h）；还有其他项目招标书要求：造成2 min或以上初始延误的故障率要求小于1.48次/百万车公里。通过指标的量化，可以更加具体地约束下游供应商，保证车辆可靠性的持续提升。

2.1 可靠性指标

可靠性是产品在规定时间、规定条件下保持规定功能的能力。通常采用每列车的故障率（单位：次/h）或MTBF（单位：h）来表示。在用户车辆采购的招标书中，通常会以某种形式给出可靠性指标的具体数值，然后由RAMS工程师对其进行指标分解，并最终落实到具体设备上。对于可靠性指标而言，要深入到每个部件，甚至零件。

2.2 可用性指标

可用性是产品在任意一个随机时刻处于可用状态的能力。可用性指标是指一项设备在其可靠度、可维修度及维修辅助配合下，在既定或超越既定期间内充分提供所需功能的能力，其指标是一个百分比，显示了列车可供使用的比率，该指标可简称为可用度A，其计算公式为：

式（1）中，MTBF为平均无故障时间；MTTR为平均维修时间。也可采用以下公式计算可用度A：

式（2）中，停车期是在一段时间内全体列车因为故障或安排维修而停止载客服务的时间，维修包括大修、架修、定修、故障修等。在设计阶段，根据系统分层架构表及预防性维修计划的资料，计算出测试期内用于全体列车检修、定修、架修和故障修所需要的总工时。同时，参考合同中列明的运营状况，计算出测试期内全体列车的总运转时间。

2.3 维修性指标

维修性是产品在规定时间、规定条件下，按规定程序进行维修时，恢复正常运作的能力。维修性表征车辆预防和修复故障的能力，表达其维修的难易程度，是车辆设计所赋予的一种固有属性。该指标相对复杂，它与一系列维修需求指标相关，包括所有定期检修的内容、需要的人数和停车时间，需详细列明故障修复时间的涵盖范围。车辆维修分为纠正性维修或故障修（CM）和预防性维修或检修（PM），对CM而言，可通过计算车队的MTTR来评价车辆可维修性。通过预测每一个系统的MTTR和故障数，计算车队整体平均维修时间。

2.4 安全性指标

安全性是免受不可接受的风险影响的特性，包括人员受伤、财产损失、业务中断等。安全性指标是以安全风险等级来评定的，风险分为4个等级：R1，除特殊情况外，必须消除该类风险；R2，必须将风险减低至最低实际可行的水平；R3，可忍受的风险，但仍须按成本效益尽量减低风险；R4，可接受的风险。

风险等级根据故障的发生频率和该故障所造成的后果，通过查询如图2所示的城市轨道交通车辆风险矩阵来进行确定。对车辆供应商而言，目标就是把所有的危害降低到R3或R4的风险等级。

由图2可知，故障发生频率可分为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J等10个类别，如：A级，表示每周发生数次或更多，对应频率大于100次/年（含），其他类别的含义以此类推。故障所造成的后果严重度可分为1、2、3、4、5、6、7等7个类别，如：1级表示特别重大事故，指多于50（含）人死亡，系统中断1个月，线路中断几个月，车站服务中断1年，其他类别以此类推。

3 影响 RAMS 指标体系的因素

车辆的安全性和可用性目标只能通过满足列车可靠性和维修性技术要求，控制当前和长期的运用、维修工作及环境来达到。为达到车辆良好的RAMS性能，对影响转向架系统的RAMS因素进行分析十分必要。对影响转向架系统的RAMS因素进行全方位、全过程的分类考虑，如图3所示。

宏观上，影响转向架系统的RAMS因素可分为系统条件、运营条件和维护条件3个方面。系统条件主要是指双轴跨座式单轨转向架的技术特性，例如，车轮系统为轮胎系统，走行轮采用双轴双轮辋充气轮胎，轮轴为悬臂式结构，轮胎安装在轮辋上，轮辋通过轮芯装配在空心车轴上。运营条件为列车在轨道梁上运行涉及的相关条件，走行轮直径为1008 mm（自由），承载5600 kg；水平轮直径为730 mm（自由），承载2000 kg；走行辅助轮通过空心轴安装到构架上，当走行轮胎无气失效后，将代替走行轮承受垂向和横向载荷、振动、冲击。维护条件包括人为因素、维护程序、维护保障，需在车辆全寿命周期范围内制定合适的维修方案。以上因素都将影响整个RAMS特性，针对各个影响因素，采取合适的策略使其向需要的方向发展是RAMS设计的主要方向。

4 转向架系统 RAMS 指标计算算例

4.1 可靠性模型构建

在单轨车辆转向架系统RAMS设计中，为方便RAMS分析，减少相关的重复性工作，对转向架系统功能分解如下：构架组成、车轮系统、牵引装置、二系悬挂、辅助装置、走行轮有线胎压监测装置、驱动装置等7大模块，可靠性框图如图4所示。

在标书中要求造成初始延误小于3 min的故障故障率要小于3.33E-04次/h，在投标和设计阶段，根据以往相似结构的事故比例，对可靠性指标进行逐级分配，其中转向架系统的事故比例为4.56%，每列车转向架故障率为1.22E-05次/h，MTBF为82237 h。假设车辆运行条件如表1所示。

表1 运行条件假设

4.2 可靠性指标计算

RAMS指标分配是一套自上而下的系统工程，可靠性指标要分配到功能相对独立的模块或部件中。根据项目合同要求，转向架系统导致初始延误小于3 min的故障故障率为1.22E-05次/h。根据既有转向架的运营情况，统计出转向架各部件的事故比例，根据事故比例确定转向架系统的可靠性指标分配，其故障率分配表如表 2所示。

表2 转向架故障率分配表

假设1年内，平均维修时间MTBF为0.61 h，车队每年故障数目为2.3次，车队每年的故障维修时间为1.403 h，则可用度为：

根据表2所示的指标分配比例，可知在实际中车辆车轮系统、二系悬挂、胎压监测等故障率较高，且车辆一旦出现轮胎爆胎、轴承损伤、空气弹簧故障等问题时，将会导致清客甚至救援的情况发生，对车辆安全产生很大影响，因此下文对双轴跨座式单轨转向架的安全冗余进行设计。

车辆可靠性对可用性的影响取决于故障的各种状况，列车发生不同的故障模式对系统功能影响也存在差异。为提高产品的可用性，产品除了具有高的可靠性外，还必须具有良好的维修性。

5 系统的安全冗余设计

双轴跨座式单轨车辆转向架作为车辆安全的关键系统，其多重的安全冗余设计可提高乘客对车辆安全的信心，提高产品核心竞争力。

为保证车辆在不同载荷条件下地板面与站台平面的高度差，采取以下措施：在每个空气弹簧中配置高度调整杆和高度阀，使地板面高度与站台高度在公差范围内；通过安装压力传感器监视每个转向架空气弹簧的故障并报告列车控制和管理系统（TCMS）；制动系统执行空重车调整，当一个转向架的空气弹簧压力不在正常范围时，制动系统将采用该节车的另一个转向架的载荷信息进行常用制动；当同一节车的2个转向架的空气弹簧压力均不在正常范围时，制动系统将采用空载（AW0）载荷信息进行常用制动。制动系统的空重车调整功能具有空车保证（100%空车条件）和过载限制，避免了当空气弹簧破裂或载荷信号过大所引起的错误信息，同时该功能也会将载荷信号传递给主控制单元。

为避免发生车辆倾斜，可采取以下措施：在走行轮胎安装胎压监测装置，一旦轮胎失压，司机室报警，车辆限速运行，在转向架构架端部设置走行安全辅助轮，走行轮胎失气后，该辅助轮能将车辆低速运行回车辆段，为保证走行辅助轮安全，添加辅助轮着陆检测装置；在水平轮胎安装无线胎压监测装置，一旦轮胎失压，司机室报警，车辆限速运行。在水平轮轮辋设置安全辅助轮，水平轮胎失气后，该辅助轮能将车辆低速运行回车辆段；在轮胎上设置磨耗到限标记，并定期进行检查；走行辅助安全轮表面采用硫化聚氨酯橡胶，提高抗疲劳性能。

此外，针对每一个故障模式的影响，在设计与工艺方面采取相应措施，以保证：当转向架零部件发生故障时，能够继续工作，不影响运行安全；能够消除或降低故障影响的设计或工艺改进；在运营过程中采用合适的补偿措施，在使用和维护手册中规定使用维护措施，以避免和预防类似故障的发生。一旦出现故障后，采取最适宜的补救措施，将损失降至最低。在RAMS设计过程中，以水平轮轴承擦伤为例，通过隐患登记册对这些设计要点进行系统管理，如表3所示。

表3 隐患登记册（局部）

6 结论

本文构建了RAMS指标体系，阐述各项指标之间的关联，分析影响RAMS指标体系的因素。RAMS指标的最终目标是要保证车辆可靠性的执行，并在技术上得到持续改进。

为保证车辆安全性，双轴跨座式单轨转向架进行了多重冗余设计，对车辆倾斜、地板面高度调整等安全性故障采取多重保护措施，并以水平轮轴承擦伤隐患为例，建立其隐患分析档案，进行风险评估，从而保证RAMS指标体系的持续优化。