1、前言
隨著我國高鐵建設的快速發(fā)展，高鐵已逐步成為了人們出行的首選。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L出行及服務質(zhì)量需求，軌道車輛系統(tǒng)的安全、可靠是關鍵。正因如此，國內(nèi)外很多機構都在投入相應的人力、物力開展軌道交通系統(tǒng)的可靠性、安全性研究工作。但是，由于軌道車輛系統(tǒng)的可靠性相關標準較少，主要有EN 50126-軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例、GB/T 21562-軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例(即EN 50126)，使得軌道車輛系統(tǒng)的相關研制單位在實施可靠性工作過程中，無所適從。本文結合實例，詳細介紹如何開展軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析工作。通過分析，確定輪副及組件分系統(tǒng)的故障率比重較高，且采用球型軸承設計的輪副可靠性比圓柱型軸承設計的輪副高一些。進一步分析這兩種設計方案的輪副實際工作環(huán)境、使用的材料、使用頻率等數(shù)據(jù)，最終確定兩者可靠性存在差異的根本原因。最終的分析結果可以為后續(xù)的軌道車輛系統(tǒng)的可靠性設計、改進提供技術、數(shù)據(jù)支撐。
2、軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析流程
關于全壽命周期階段的軌道車輛系統(tǒng)可靠性工作項目、流程問題，在EN 50126.3標準的第6章節(jié)、EN 50126.1標準的第6章節(jié)已經(jīng)詳細介紹，這里不再贅述。本文主要介紹的是如何結合相應維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，開展可靠性分析工作，以支撐軌道車輛系統(tǒng)設計、運行與使用階段的RAMS工作。
軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析流程大體分為以下幾步：
第一：明確可靠性分析目的，明確可靠性分析對象，對軌道車輛系統(tǒng)、子系統(tǒng)組成結構的理解，及其故障的識別和編碼；
第二：收集、篩選和分類處理每個子系統(tǒng)的相關故障數(shù)據(jù)（MTBF、MDBF等，參數(shù)含義見附錄A）；
第三：驗證相同和獨立分布的組件的數(shù)據(jù)；
第四：擬合子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，獲得理論的概率分布；
第五：評估每個子系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，以及最優(yōu)分布。
需要注意的是：下面的分析是基于以下假設：（1）系統(tǒng)是可修的；（2）系統(tǒng)可進行維修和維護更新；（3）所研究的系統(tǒng)功能是獨立的；（4）修復的組件與新的一樣好，即修復如新。
3、軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析案例
3.1 對象及目的
本次分析的對象是軌道車輛系統(tǒng)。分析的目的是：通過分析，確定軌道車輛系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并利用相應的維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)找出薄弱環(huán)節(jié)的可靠性影響規(guī)律，用于評估、確定各分系統(tǒng)的可靠性指標，用于合理確定系統(tǒng)的預防性維修工作計劃等。
3.2 數(shù)據(jù)收集、分類
列車在運行過程中，可能會發(fā)生各種各樣的故障。但是，只有特定的一些故障才會影響到車廂正常運行、乘客乘車安全。此外，一些嚴重的故障可能還會導致一個或者多個車廂脫軌，從而導致列車的低可用性、低安全性，影響乘客的乘車滿意度。
軌道車輛系統(tǒng)的每節(jié)車廂，都是由多個子系統(tǒng)組成，包括轉向架子系統(tǒng)、變速箱子系統(tǒng)等，每個子系統(tǒng)由不同的組件、設備組成，每個組件壽命都可能服從一定的失效分布。為了更清晰地判斷軌道車輛系統(tǒng)到底是哪個環(huán)節(jié)更為薄弱，需要對軌道車輛系統(tǒng)的故障進行分類收集、處理。因此，我們首先需要分析列車每節(jié)車廂由哪些子系統(tǒng)、組件組成，這樣就可以對故障數(shù)據(jù)進行分類處理。
我們以軌道列車為例，把每節(jié)車廂劃分為轉向架與車輪定位分系統(tǒng)、輪副及組件分系統(tǒng)、空調(diào)（冷氣系統(tǒng)）、剎車系統(tǒng)、蒸汽加熱系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)等組成。根據(jù)收集的故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)，進行不同子系統(tǒng)的故障數(shù)統(tǒng)計（使用帕托圖方法統(tǒng)計）。通過統(tǒng)計可知，輪副及組件分系統(tǒng)的故障比重占76%。因此，我們重點分析輪副及組件分系統(tǒng)的可靠性問題。
通過分析，該公司研制的車廂使用的輪副包括三種類型，分別為I類（770mm、碟剎、球型軸承）、II類（770mm、碟剎、圓柱型軸承）、III類（830mm、蹄片剎車、圓柱型軸承）。分別找出這三類不同輪副的故障與維修數(shù)據(jù)，進行進一步的分析。
3.3 數(shù)據(jù)有效性驗證、分析
收集到的數(shù)據(jù)，不能直接用于可靠性分析。需要進行一定的數(shù)據(jù)有效性驗證、分析工作。驗證分析主要是對所收集的數(shù)據(jù)進行有效性驗證、分布檢驗等，確認數(shù)據(jù)是否服從統(tǒng)一分布、是否具有相關性，確保后續(xù)可靠性評估等工作的數(shù)據(jù)輸入的準確性。這里，利用PosVim工具的威布爾分析模塊進行驗證分析，把表2的數(shù)據(jù)輸入到軟件工具中，進行箱圖分析、早期失效分析、圖示檢驗、分布檢驗（AD檢驗、KS檢驗、T檢等）等多種手段檢驗。通過檢驗分析，可以看出，威布爾分布與數(shù)據(jù)擬合更為合理。
3.4 分布擬合分析
確認數(shù)據(jù)有效性以及后，即可進行分布擬合、分布參數(shù)的估計。利用PosVim工具的威布爾分析模塊，使用0.95置信度，極大似然法進行擬合。通過擬合，得到I類、II類、III類輪副的分布參數(shù)擬合結果如下表所示。
3.5 可靠性評估
根據(jù)三類輪副的分布參數(shù)擬合結果，利用PosVim工具的威布爾分析模塊分別計算不同時間（這里使用Km為單位）的可靠度。計算結果如下表所示。從結果可知，當列車運行時間達到40000Km時，類型I的輪副可靠度為0.8395（即有0.8395的概率不會失效），類型II的輪副可靠度為0.8017，類型III的輪副可靠度只有0.6851。
通過圖6、圖7以及表4也可以直觀看出，I類、II類這兩類輪副是相似、相近的。主要差別是軸承的設計方案不同，造成壽命分布參數(shù)不相同。一種使用的是球型軸承設計，一種是選用圓柱型軸承設計。從分析結果可以看出，選擇軸承球型設計時，可靠度比圓柱型設計的高一些。但是，不能直接下判斷。需要進一步分析這兩種輪副實際的工作環(huán)境（溫度、濕度、振動、受力情況）是否有差異、使用頻次是否有差異、選用的材料是否有差異、生產(chǎn)工藝是否有差異。通過多項的對比分析，確定最終造成兩種設計可靠性存在差異的根本原因。通過對比，也可以為后續(xù)的可靠性改進設計提供數(shù)據(jù)參考。
3.6 預防性維修間隔期計算
根據(jù)三類輪副的分布參數(shù)擬合結果，以及可靠性指標要求，可以合理確定預防性維修間隔期。這里使用PosVim工具的威布爾分析模塊分別計算可靠度指標要求為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95等值時的預防性維修間隔期時間。計算結果如下表5所示。例如，當輪副可靠度要求不低于0.8時，I類輪副的預防性維修間隔期需要不超過46869.46KM，即列車運行累積公里數(shù)不超過46869.46KM，需要進行預防性維修。
4 結論與建議
本文結合軌道車輛系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)，詳細介紹了如何開展軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析工作。通過分析可知，軌道車輛系統(tǒng)的輪副分系統(tǒng)的可靠性偏低，且采用球型軸承設計的輪副的可靠性比采用圓柱型軸承設計的輪副可靠性高一些。通過分析，可以合理評估得到軌道車輛系統(tǒng)的可靠性水平，以及合理確定預防性維修間隔，為軌道車輛系統(tǒng)的研制、管理決策提供重要技術、數(shù)據(jù)支撐。