基于RAMS的轨道交通转向架关键部件状态评估

刘俊洁,徐永能,马文军,张斌峰

(南京理工大学 自动化学院， 南京 210094)

1 引言

转向架是轨道交通车辆运行的关键系统，它具有承载重量、导向、减震、牵引、制动等功能，轨道交通车辆的运行离不开转向架。因此有必要对转向架系统的运维状态进行全方面的评估，来保证转向架维持平稳正常的工作状态。

RAMS分析包含可靠性分析、安全性分析、可用性分析以及维修性分析。将其运用在转向架时，需要利用到转向架在实际运行中的大量故障数据，并以此作为分析基础。而目前针对部件运行中的RAMS分析，将RAMS中所有分析结合起来研究却很少。如在太阳能光伏发电系统或电动汽车中将可靠性、安全性与维修性结合分析研究。在轨道交通领域亦是如此，如信号系统安全性和可靠性分析；列控系统可靠性及可用性分析；车载部件可靠性、安全性及维修性分析。对于转向架而言，RAMS分析基本只有可靠性运用在转向架部件层次分析或系统层次的分析，也有针对转向架系统中某个特定部件的分析(如构架、侧架等)。因此有必要针对转向架系统的各个关键部件，并利用RAMS理论进行全面评估，来保证轨道交通车辆安全运行。为了验证方法的科学性，基于某地铁公司一号线的转向架系统故障数据来验证，首先筛选出转向架系统中的关键部件，然后基于RMAS对关键部件在运营过程中的可靠性、安全性、可用性以及维修性进行状态评估。

2 转向架关键部件筛选模型

根据国内外地铁先进经验及管理实践，为了确定研究对象，因此利用ABC分类法对转向架关键部件进行筛选。其中，A表示关键部件(前30%部件)、B表示重要部件、C表示一般部件。围绕管理目标并结合部件特点，根据部件常见的故障状态对部件进行评分，共分为5类单项指标与相应的评分细则(表1)。

转向架的部件一般由构架、轮对轴箱装置、悬挂装置、牵引装置、基础制动装置、驱动装置、辅助装置等组成。专家依据表1中每项指标评分细则对转向架系统中选定部件各项指标打分，每个部件的指标打分结果按表1中各项指标权重加权计算，按总得分由高到低排序，取前30%为关键部件然后利用RAMS进行分析。

表1 关键部件筛选指标评分细则Table 1 Scoring rules for key equipment screening indicators

3 基于RAMS的部件评估方法

3.1 可靠性分析方法

可靠性是指部件在规定时间区间以及规定条件下，完成规定功能的能力。对部件运行时进行可靠性分析，首先需要处理大量历史数据，除了故障模式，还要拟合确定部件故障时间间隔故障分布函数。从历史故障时间间隔绘制的直方图可以找出故障规律确定故障分布函数。常用的故障分布函数有以下几个：

1)指数分布

()=exp-

(1)

2) 正态分布

(2)

3) 威布尔分布

(3)

其中：为尺度参数；为形状参数。

为了判断故障时间间隔符合哪个故障分布分数，可以借助AD检验判断，某故障分布函数的AD值越小越可能符合该函数。

3.2 可用性分析方法

可用性是指在要求的外部资源得到保证的前提下，部件在规定条件和规定时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力，其具体评价指标主要是可用度表述。部件在运行时的运营可用度()如下式所示：

(4)

式中：为部件平均无故障时间(h)；为故障排除时间和停机时间之和的平均值(h)。

利用值可依照标准值评估关键部件是否需采用新的维修措施。

3.3 安全性分析方法

安全性主要体现在部件抵抗风险的能力，部件运行中的安全性分析是针对部件运行中发生的各种故障模式来分析，同时依据指标划分等级，其中常用的方法就是基于风险优先数()的方法，它是由严酷度等级(，即故障发生后果的影响程度)、故障发生频度等级(，也即故障发生的可能性大小)、故障被检测难易程度()组成。计算公式如下所示：

=××

(5)

对以上3个指标的量化具体要求如表2、表3以及表4所示。

表2 严酷度等级Table 2 Severity level table

表3 故障发生频度等级Table 3 Failure frequency level table

表4 被检测难度等级Table 4 Test difficulty level table

对于部件的安全性分析，以上3个指标的等级均不能大于6，否则需要采取措施来降低该项指标等级，且值不能大于或等于125，否则会对部件安全运行有很大威胁。

3.4 维修性分析方法

维修性体现的是RAMS最终状态评估结果，维修性可分为维修措施制定以及维修状态评估两部分，维修措施制定方法从事后维修到预防性维修不断更新，如今以可靠性为中心的部件维修措施制定方法应用最多。为了使RAMS理论中各部分结合更加紧密，除了从可靠性考虑维修措施制定，还可以依据安全性(表5)。

表5 基于RPN值的维修方式表Table 5 Maintenance mode table based on RPN value

基于RAMS的状态评估方法的评估流程可用图1进行概述。

图1 基于RAMS的状态评估流程框图Fig.1 RAMS based state evaluation process block diagram

4 实例分析

依据某地铁公司的一号线转向架系统数据来开展RAMS分析，数据从2013年12月22日至2020年6月11日共606条故障数据。在对故障数据处理前，选定轴箱、车轮、齿轮箱、一系弹簧、二系弹簧、中心牵引装置、液压减振器、构架、轮缘润滑装置、联轴节以及抗侧滚扭杆进行筛选(表6)。

表6 转向架系统关键部件筛选Table 6 Screening of key equipment of bogie system

经过专家打分后，确定轴箱、车轮、齿轮箱、一系弹簧以及二系弹簧为转向架系统的关键部件。在划分转向架系统的关键部件后，利用直方图分析关键部件的故障时间间隔(图2)。

图2 关键部件故障时间间隔直方图Fig.2 Histogram of failure time interval distribution of key equipment

通过图2可以直观看出，转向架的关键部件故障都属于早期故障，因此判断转向架关键部件的故障分布函数为指数分布或者威布尔分布。对部件的指数分布、威布尔分布利用Minitab软件进行拟合(图3和图4)，2种分布拟合的检验结果如表7所示。

图3 关键部件故障时间间隔指数分布函数拟合曲线Fig.3 Fitting curve of exponential distribution function of failure time interval of key equipment

图4 关键部件故障时间间隔威布尔分布函数拟合曲线Fig.4 Fitting curve of Weibull distribution function for failure time interval of key equipment

表7 关键部件故障分布函数拟合检验值Table 7 Fitting test value of fault distribution function of key equipment

经过检验，车轮的故障分布函数为：

(6)

轴箱的故障分布函数为：

(7)

二系弹簧的故障分布函数为：

(8)

一系弹簧的故障分布函数为：

(9)

齿轮箱的故障分布函数为：

(11)

在获得关键部件的故障分布函数后，经过计算得出部件运行时间与可靠度的关系如表8所示。

表8 关键部件可靠度随时间变化结果Table 8 Reliability change results of key equipment with time

从关键部件的故障分布函数来看，车轮、轴箱运行2 d后可靠度就会下降到0.75、0.74，二系弹簧、一系弹簧运行3 d后下降到0.74、0.72，而齿轮箱在运行5 d后才会下降到0.75，因此有必要针对不同的关键部件制定不同的维修时间间隔来提高维修经济性。在完成转向架系统关键部件可靠性分析后，对关键部件的运营可用性进行计算(计算结果见表9)。

表9 关键部件运营可用性计算结果Table 9 Calculation results of operational availability of key equipment

由关键部件的运营可用性可以看出，车轮以及一系弹簧的运营可用性均低于99%，需要采取措施提升可用性。完成转向架关键部件可用性评估后，得出关键部件的安全性以及对应等级的维修方式分析结果(表10)。

表10 关键部件安全性及维修性分析结果Table 10 Safety and maintainability analysis results of key equipment

对关键部件的RMAS状态评估中发现车轮以及一系弹簧的运营可用性较低，需要采用新的维修措施，轴箱、齿轮箱以及二系弹簧可以不进行维修措施调整，但仍对新的维修措施进行说明，在实际情况下可根据其他需求来判断是否需要调整。

5 结论

建立了基于RAMS的轨道交通转向架状态评估方法。以某地铁公司的转向架系统为例，首先确定车轮、一系弹簧、二系弹簧、齿轮箱以及轴箱为关键部件，通过运营可用性、安全性及维修性分析结果确定各个关键部件的维修措施以及车轮和一系弹簧必要的新维修措施，二系弹簧、齿轮箱以及轴箱可保持现状。这种RAMS评估方法可用于轨道交通转向架系统的运维工程实践。