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動車組維修體制現狀分析及展望

發布日期:2017-08-30    來源:《上海設備管理》      點擊數:30011

      隨著科技水平的進步和維修理論的發展,軌道交通裝備的維修體制也在不斷變革,從早期的事后維修體制到計劃預防修體制,再到正逐步推進的視情維修體制,現代軌道交通裝備運維管理水平正不斷提高。
      國內外很多學者對高速列車的修程修制做了大量研究,例如依據多年運維經驗對CRH2型動車組修程修制的特點和優化方法的論證和研究,還有基于各類數學方法和模型對現有修程修制進行綜合評價,也有學者從設計研究角度對動車組的修程修制的規劃和合理性進行分析研究。基于此,本文對動車組維修體制現狀進行了分析,并以具體維修項點為例,運用視情維修的相關思想論證了其可行性和必要性。
      一、現代軌道交通裝備維修體制的發展
      現代軌道交通裝備維修早期采用事后維修體制,現已發展到計劃預防修與視情維修相結合的預防性維修體制。
      1、事后維修體制(Breakdown Maintenance)
事后維修也叫故障維修,即在設備發生功能故障后再進行修理。這種維修方式適合結構簡單、故障后果不嚴重的裝備,如生活中對自行車的維修、早期蒸汽機車的維修通常采用這種維修方式。
      2、預防性維修體制(Preventive Maintenance)
      隨著裝備結構日趨復雜,事后維修逐漸不能滿足需求,出現了預防性維修體制,即通過對裝備進行系統性檢查、設備測試和更換等以防止功能故障發生。“以可靠性為中心的維修”(RCM)是推動預防性維修理論發展的最重要的思想,根據對裝備不同零部件的不同故障模式和故障影響進行分析,采取相應的維修方式。預防性維修的發展經歷了計劃預防修和視情維修2個階段:
      (1)計劃預防修(Periodic Maintenance)。計劃預防修也叫定期維修,是指依據相對固定的周期(時間或使用壽命)進行的預防性維修。計劃預防修構成因素主要包括維修周期、維修項點、維修質量標準,其中最重要的因素是維修周期。維修周期主要依據浴盆曲線理論,每個裝備因個體差異有不同的狀態退化曲線,通過這些退化曲線可以計算出裝備的壽命分布情況,當給定失效風險概率后,就可以從理論上得到定期維修間隔。
      (2)視情維修(Condition Based Maintenance)。視情維修也叫基于狀態的維修,是指無固定維修周期的、根據部件運行狀態演變趨勢而決定是否進行維修的預見性維修。隨著軌道交通裝備結構的日趨復雜,部分部件的性能退化趨勢不符合浴盆曲線理論,按照固定的維修間隔實施預防性維修并不能防止故障的發生。隨著信息技術手段不斷發展和現代維修理論的不斷演化,出現了視情維修體制,它是運用數據分析與維修決策方法對裝備狀態進行實時評價,在有維修需求時才進行的預見性維修。
      二、動車組維修體制現狀
      我國動車組目前實行的是“計劃預防修為主、事后維修補充”的維修體制,維修周期采用以走行公里周期為主、時間周期為輔的模式。
      1、國內動車組維修體制現狀
      我國動車組維修修程共分為5級,其中一、二級檢修為運用檢修,三、四、五級檢修為高級檢修,如表1所示。
      表1 動車組計劃預防修周期表 
      
      一級檢修以目視檢查和功能測試為主;二級檢修在目視檢查和功能測試的基礎上,增加了性能檢測和維護保養等內容;三級檢修主要對轉向架進行分解檢修,對制動、牽引、空調等系統進行性能測試和維護保養;四級檢修主要對動車組各系統進行分解檢修;五級檢修是對全車進行分解檢修,較大范圍地更新零部件。
      2、國外動車組維修體制現狀
      日本高速列車主要采用以可靠性為中心的預防修制度,注重對設備性能和可靠性周期的優化,并合理優化其維修策略和周期,主要分為4個等級的修程:日常檢查(日檢)、周期檢查(月檢)、轉向架檢查(年檢)、全面檢查(大修),此外還有臨時檢查和運行檢查組成的2類臨時性檢查。德國ICE高速列車維修體系以計劃預防修為總體框架,采用定期檢測、保養與狀態修相結合,部件互換修和主要部件集中修相結合的方法,按照走行公里和運行時間計劃實施各級檢修,主要有L級檢查、N級檢查、IS510級檢查、IS520級檢查、IS530級檢查、IS540級檢查以及大修(Rev)等修程。法國高速列車TGV的維修體制也大致類似,以計劃預防修為主體,分為運營檢查、定期檢查、定期部件更換等幾級修程。
      歐洲以德國為代表的高速列車檢修采用了先進的車載故障監測診斷系統、豐富的信息感知網絡、多種地面智能檢測診斷設備、車地實時通信、車輛綜合檢修信息系統等技術手段,因此各級修程規定的內容都以例行檢查為主,對轉向架、高壓牽引、制動等關鍵系統和部件可基本實現視情維修。這些措施的實施,使得這些高速列車運維經驗豐富成熟的國家可以實現最大限度地減少人力,提高車輛檢修效率和精度。
      3、我國動車組維修體制分析
      我國動車組目前采用的維修體制基本滿足了動車組運行安全的需求,但隨著對全壽命周期內動車組服役性能退化規律研究的深入,發現計劃預防修體制在實際應用過程中也存在不少的弊端和不足。
      (1)維修不足。一方面,由于動車組高度的集成化、復雜化、一體化,故障規律不再簡單地遵循機械磨損理論,簡單地按照固定周期進行維修已無法防止功能故障的發生;另一方面,由于設備的個體性差異實際存在,而制定維修周期間隔時考慮的風險失效概率不可能覆蓋所有個體,所以計劃預防修體制必然存在維修不足的問題。對于關鍵部件來說,維修不足問題帶來的后果是嚴重的,將直接危害動車組的運行安全。
      (2)過度維修。鑒于動車組運行工況的差異、部件個體性能的差異、部件制造工藝的差異等因素,在確定動車組設備維修周期時往往過于保守,以保證足夠低的風險失效概率。所以,對于大部分的動車組部件來說,存在過度維修問題。
      (3)次生災害風險高。一方面,由于頻繁地定期維修,人為地破壞了設備原有的良好配合,降低了設備可靠性,導致了故障率升高;另一方面,由于維修作業避免不了人力的不可靠性,不必要的過度維修實際增加了作業類問題的發生,在這些年的動車組運維過程中作業類故障或事故并不鮮見。
      (4)運用效率低。無論是因為“過度維修”占用的維修修時,還是因為“維修不足”導致的故障維修修時,或者是診斷監測裝置設備的不足,都勢必影響動車組的運用效率。根據統計,2015年全路動車組平均檢修率達14.22%,這意味著目前全路每天有大量動車組處于檢修狀態而無法上線運營,75%左右的平均上線率和德國等國家90%左右的上線率相比,仍有較大差距。
      (5)維修成本浪費。“過度維修”帶來的最大影響就是不必要的維修產生的成本浪費,同時導致人力成本的居高不下。根據美國國家統計局過去的研究資料,計劃預防修體制下裝備維修費用中有近1/3是由于“過度維修”造成的浪費。
      三、動車組視情維修的可行性分析
      我國動車組維修體制的發展趨勢如圖1所示。當前動車組維修體制仍以計劃預防修和事后維修相結合為主,隨著動車組車載信息感知網絡、車地通信技術以及先進的診斷與預測等技術手段的運用,我國已經具備對動車組部分部件開展視情維修的能力,動車組維修體制也已經具備向“計劃預防修為主、視情維修輔助、事后維修補充”發展的條件,以下對已經具備的條件進行分析。
      圖1 動車組維修體制發展趨勢
      
      (1)列車狀態信息感知網絡的完善。隨著動車組數字化、智能化、集成化及列車控制網絡的發展,動車組關鍵部件狀態監控、車載自診斷功能和遠程數據傳輸功能的不斷完善,為動車組狀態預防修的實施提供了可靠的數據基礎。以CRH380B(L)型動車組為例,列車控制與管理系統(TCMS)對動車組的運行維修方式和策略、維修級別和周期。對牽引變流、轉向架、輔助電氣等關鍵系統,繼續完善車載感知網絡的診斷監測功能,豐富并優化傳感器輸出參數,實現系統部件的視情狀態修。
      四、動車組視情維修的典型應用
      以CRH380B型動車組牽引變壓器散熱裝置清潔作業為例,中國鐵路總公司維修標準如表2所示。該標準在執行過程中暴露出了“維修不足”的問題,在早期執行過程中多次發生因變壓器油溫過高導致動車組減載、限速的問題。為此,鐵路局在執行過程中采取了加裝濾棉和縮短清潔周期的強化措施,如表3所示,但維修周期過于保守,存在“過度維修”、“成本浪費”、“次生災害”等問題或隱患。
      表2 中國鐵路總公司針對牽引變壓器的維修標準
      
      表3 鐵路局針對牽引變壓器運維強化措施
      
      按照視情維修的基本思想,通過對牽引變壓器散熱裝置性能惡化時的故障機理進行分析,建立根據牽引變壓器散熱裝置的熱平衡油溫動態判斷維修時機的策略,即當牽引變壓器散熱裝置熱平衡溫度達到或超過70℃時,安排更換濾棉,當濾棉更換時間間隔已短于或等于4天時,組織沖洗。
      選取1列CRH380B型動車組進行試驗對比驗證,2016年4月19日至2016年5月4日期間按照4天的固定周期進行換棉作業,5月5日至6月5日期間根據牽引變壓器油溫的變化趨勢判斷換棉作業時機,平均換棉周期達到10天,維修工作量減少了約60%。且由于維修的針對性強,試驗驗證期間未再發生牽引變壓器散熱裝置的相關故障,表現出維修安全性、預見性、針對性和經濟性等優勢。
      除牽引變壓器散熱裝置外,在現有數據的基礎上,同時在二級修范圍內對牽引電機、蓄電池、空調裝置、軸箱軸承等多個部件開展視情維修的研究,以充分發揮視情維修體制的優勢。
      五、動車組修程修制優化的建議
      通過對動車組維修體制的現狀及發展趨勢的分析可知,我國動車組維修體制已經具備向“計劃預防修為主、視情維修輔助、事后維修補充”發展的條件,參考美國航空運輸協會(ATA)發布的《運營人/制造廠預定維修大綱制訂文件—MSG-3》的理念,并結合我國動車組維修特點制定動車組維修策略邏輯決斷流程圖,建議未來在編制新型動車組維修大綱或對既有動車組檢修規程進行修訂時,參照該邏輯決斷流程進行判斷和評估。邏輯決斷流程的優點主要體現在4個方面。
      (1)邏輯決斷方法的使用。通過邏輯分析決斷的方法,可以快速地、正確地確定維修體制、維修項點、維修修程、維修方式等關鍵要素,科學地指導維修大綱的建立。
      (2)視情維修體制的應用。視情維修可以通過發現潛在的故障隱患而開展針對性維修,凡是具備實施視情維修條件的,都應該優先開展狀態預防修。
      (3)故障模式的深度分析。根據不同部件的不同故障模式危害程度的不同,辨識動車組關鍵部件、重要部件和一般部件,分別采取針對性的維修策略,在確保動車組安全性和使用性的前提下,最大程度地實現經濟性維修的目標。
      (4)主動辨識設計類源頭問題。任何維修方式都無法解決動車組的設計缺陷,因此,必須通過維修數據的積累和分析,將設計類的源頭問題反饋至設計環節中去,以從根本上改善和提高動車組的可靠性。
      六、展望
      本文回顧了軌道裝備的修程修制發展歷程,分析了當前存在的不足,并論證了開展視情維修的可行性。文章以CRH380B型動車組牽引變壓器散熱裝置清潔為例,運用實時數據監測和健康預警預測模型的手段對清潔作業進行了視情維修的探索,充分驗證其可行性。本文最后分析了動車組修程修制發展趨勢,提出了新的動車組維修大綱和修程編制依據。
      本文所提方法仍處在理論探索和實踐驗證階段,研究的部件和對象仍不足,作者所在研究團隊將長期致力于動車組健康管理系統的深入研究,后期將運用大數據分析挖掘、物理失效模型、可靠性模型、數據驅動以及預警預測模型等方法手段對動車組的牽引電機、輪對軸承、空調系統等13個關鍵部件及子系統進行實時和全周期健康狀態監控和預警預測分析,并構建動車組健康評價指標和健康度指數模型等狀態評判依據,為修程修制的優化提供理論和實踐支撐,實現動車組全生命周期的健康管理。
      隨著現代維修理論的不斷發展、動車組運維經驗的不斷積累、信息技術手段的不斷進步,視情維修將完善和解決當前維修體制下“維修不足”、“過度維修”等不足,對于推動我國動車組維修向“計劃預防修為主、視情維修輔助、事后維修補充”的發展具有重要意義。
      作者:1、周斌、謝名源  單位:上海鐵路局高鐵運維技術中心  2、吳克明  上海鐵路局上海動車段

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