南非20E&21E機(jī)車維修策略的研究

引言

南非20E&21E機(jī)車是專為南非鐵路貨物運(yùn)輸設(shè)計(jì)的交流傳動(dòng)電力機(jī)車,它能適用于南非交流25kV/50Hz和直流3kV雙電流供電制式和軌距1065mm的特殊運(yùn)營條件,一般采用4臺(tái)20E機(jī)車+100節(jié)車廂或6臺(tái)21E機(jī)車+200節(jié)車廂長大編組的形式來承擔(dān)貨物運(yùn)輸。機(jī)車在投入運(yùn)營后,隨著時(shí)間的推移,各部件在使用過程中必然會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損、疲勞、變形、損傷或故障,它們的技術(shù)狀態(tài)會(huì)逐漸下降,導(dǎo)致性能降低甚至功能喪失。恰當(dāng)?shù)木S修策略是保障機(jī)車正常運(yùn)營,防止事故發(fā)生,延長機(jī)車使用壽命,降低全壽命周期成本的關(guān)鍵因素。本文基于以可靠性為中心的維修理論,結(jié)合機(jī)車結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)以及實(shí)際運(yùn)營與檢修環(huán)境,對(duì)20E&21E機(jī)車維修策略進(jìn)行了分析和研究,提出了20E&21E機(jī)車維修策略選擇的基本思路和方法。

1維修策略的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1常見的設(shè)備維修策略

國內(nèi)外設(shè)備維修策略大體可分為事后維修、預(yù)防性維修、預(yù)測(cè)性維修和改善性維修四種。

1.1.1事后維修(BreakdownMaintenance)

指設(shè)備發(fā)生故障后,使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的維修活動(dòng)。這種維修策略在設(shè)備的可靠性指標(biāo)和對(duì)環(huán)境的友好性等方面考慮得不全面、不充分,設(shè)備發(fā)生事故后進(jìn)行補(bǔ)救,往往會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失或造成較為嚴(yán)重的安全事故,檢修效率低,維修成本高,運(yùn)營方經(jīng)濟(jì)效益差。

1.1.2預(yù)防性維修(PreventiveMaintenance)

預(yù)防性維修又叫定期維修,是按照計(jì)劃對(duì)設(shè)備進(jìn)行的周期性的維修。機(jī)車通常以一定的運(yùn)營時(shí)間或走行公里數(shù)為維修周期,到限強(qiáng)制進(jìn)行規(guī)定的維修工作。采用這種維修策略時(shí),檢修人員能夠提前準(zhǔn)備好相關(guān)的工作設(shè)備、場(chǎng)地及工序,有效地執(zhí)行檢修工作。但對(duì)于復(fù)雜的機(jī)車系統(tǒng)來說,不同類型的部件通常有不同的故障曲線,各部件難以就檢修周期進(jìn)行統(tǒng)一:不同的部件在統(tǒng)一的周期內(nèi)進(jìn)行維修,容易造成"過度維修"或"維修不足",進(jìn)而造成維修效率低下、維修成本浪費(fèi),或者導(dǎo)致機(jī)車可靠性降低,影響機(jī)車行車安全等。

1.1.3預(yù)測(cè)性維修(PredictiveMaintenance)

預(yù)測(cè)性維修主要是以設(shè)備狀態(tài)為依據(jù)預(yù)測(cè)設(shè)備未來狀態(tài),然后制定維修計(jì)劃并按計(jì)劃執(zhí)行的維修。通過對(duì)設(shè)備的各部位進(jìn)行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷,判定其所處的狀態(tài)并預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì),然后根據(jù)裝備的狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)和潛在的故障模式,預(yù)先制定預(yù)測(cè)性維修計(jì)劃,確定設(shè)備修理的時(shí)間、內(nèi)容、方式和必需的技術(shù)和物資支持。預(yù)測(cè)性維修能有效地減少維修活動(dòng),降低維修成本:減少設(shè)備故障率,降低運(yùn)營方經(jīng)濟(jì)損失:最大化利用部件的設(shè)計(jì)使用壽命,提升設(shè)備利用率,進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。但由于機(jī)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,監(jiān)測(cè)設(shè)備成本投入大,且部分部件難以監(jiān)測(cè):而一些新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和評(píng)判方法仍處于初步研究和驗(yàn)證的階段,尚需要一定的時(shí)間來驗(yàn)證其可靠性和準(zhǔn)確性:此外,預(yù)測(cè)性維修對(duì)于技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)要求也比較高。

1.1.4改善性維修(ImprovementMaintenance)

改善性維修是利用完成其他設(shè)備維修任務(wù)的時(shí)機(jī),對(duì)設(shè)備部分系統(tǒng)或部件進(jìn)行技術(shù)改造或升級(jí),消除設(shè)備的缺陷,防止特定故障的重復(fù)發(fā)生,提高設(shè)備固有的可靠性、維護(hù)性和安全性的維修。

1.2發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子信息、傳感器、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)于越來越多的部件和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修成為可能。在多部件的復(fù)雜機(jī)車系統(tǒng)中,以上幾種維修策略都會(huì)運(yùn)用。預(yù)測(cè)性維修具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益,它將成為未來檢修和維護(hù)中主要的維修策略。

2機(jī)車維修策略選擇

2.1維修理論依據(jù)

南非運(yùn)營方對(duì)于20E&21E機(jī)車編組的可靠性指標(biāo)提出了明確的要求。在研究機(jī)車的維修策略時(shí),是基于以可靠性為中心的維修理論,結(jié)合機(jī)車的產(chǎn)品特點(diǎn)如構(gòu)成、功能和冗余度,客戶對(duì)于機(jī)車運(yùn)營的規(guī)定和當(dāng)?shù)貙?shí)際的維修環(huán)境如維修設(shè)備、工具、備件、人力等,而進(jìn)行的綜合性分析。

以可靠性為中心的維修理論要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能與故障分析,明確系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的故障、故障原因及后果:用規(guī)范化的邏輯決斷法,確定出各故障的維修對(duì)策:通過故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專家評(píng)估、定量化建模等方式,在保證安全性和可靠性的前提下,以最少的維修資源消耗來保持、恢復(fù)設(shè)備的可靠性。

以可靠性為中心進(jìn)行維修策略分析可分為三個(gè)步驟:(1)確定設(shè)備的重要功能或性能部件:(2)進(jìn)行故障模式及故障影響分析:(3)應(yīng)用邏輯決策圖選擇合適的維修策略。

2.2部件重要度評(píng)估

在進(jìn)行部件重要度評(píng)估之前,首先需要列舉出機(jī)車所有零部件,對(duì)于南非20E&21E機(jī)車來說,列出的零部件是指在總承修單位能力范圍內(nèi)可進(jìn)行檢修或者整體替換的最小檢修單元,不包括需要返回制造廠或者委外檢修的零部件。

在分析機(jī)車各部件重要度時(shí),主要從以下八個(gè)影響因素來綜合評(píng)判:部件故障對(duì)安全性的影響、部件故障對(duì)整列車運(yùn)營和功能的影響、部件的故障率、部件故障的可監(jiān)控性、部件故障恢復(fù)所需的維修時(shí)間、部件維修難易度、部件故障恢復(fù)所需的維修費(fèi)用。邀請(qǐng)多名行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家對(duì)各影響因素進(jìn)行評(píng)分,評(píng)分范圍為1~10分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

用wi(i=S,F0,SF,Mr,MD,FD,Mc)表示各影響因素的權(quán)重值:運(yùn)用層次分析法,構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n,滿足aij=l,aij=l/aji,aij>0(i,jeN)。其中aij就是第i個(gè)影響因素與第j個(gè)影響因素重要度的比例標(biāo)度,表示這兩個(gè)影響因素之間的相對(duì)重要度。然后求出其特征向量和最大特征值,并對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn),如一致性通過則說明權(quán)重分配合理,否則需調(diào)整判斷矩陣,直到取得滿意的一致性為止。

最后采用線性加權(quán)的方法計(jì)算各部件的重要度評(píng)價(jià)指數(shù):

式中,n為影響因素的個(gè)數(shù):mi為被評(píng)價(jià)部件的第i個(gè)影響因素的評(píng)分:wi為第i個(gè)影響因素的權(quán)重。

2.3故障模式及故障影響分析

故障模式及故障影響分析的目的是綜合評(píng)估故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(RL)。通常情況下,將故障發(fā)生頻率、故障嚴(yán)重程度、故障的可探測(cè)性作為影響故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(RL)的評(píng)判因素。南非20E&21E機(jī)車選取故障率(FR)、故障發(fā)生后對(duì)運(yùn)營的影響(F0)以及故障的可探測(cè)性(FD)作為故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(RL)的影響因素。影響因素的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

針對(duì)列出的機(jī)車部件,列出各部件的故障模式,分析其故障造成的影響。

故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的影響因素全部來自于故障重要度的影響因素,因而部件的故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與該部件的重要度有一定的相關(guān)性。這里采用傳統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法來計(jì)算故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù),即:故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)(RL)=故障率(FR)x故障發(fā)生后對(duì)運(yùn)營的影響(F0)×故障可監(jiān)測(cè)性(FD)。

將計(jì)算出的故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(RL)值按照大小排序,得到部件各故障模式的危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)。

2.4維修策略邏輯決策圖

邏輯決策圖是一種定性的分析方式,在對(duì)20E&21E機(jī)車維修策略決策圖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),優(yōu)先考慮的是安全性,然后考慮部件的重要度以及故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),再次是維修的可行性和經(jīng)濟(jì)性。20E&21E機(jī)車維修策略邏輯決策圖如圖1所示。

在根據(jù)圖1進(jìn)行部件維修策略決策之前,需要對(duì)定義重要部件的重要度指標(biāo)閾值和故障風(fēng)險(xiǎn)是否可接受的故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)進(jìn)行明確的規(guī)定,這里通過不同領(lǐng)域的專家共同討論以及同級(jí)別部件或故障模式進(jìn)行類比分析來共同確認(rèn)。最后,根據(jù)維修策略決策圖,可形成完整的20E&21E機(jī)車各部件維修策略清單。

3結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹了設(shè)備維修策略的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)探討了以可靠性為中心,通過層次分析法確認(rèn)部件重要度和采用傳統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估的思路來評(píng)估故障影響的方法,最后設(shè)計(jì)了維修策略邏輯決策圖用以確認(rèn)20E&21E機(jī)車各部件的維修策略。但實(shí)際的維修計(jì)劃還應(yīng)包含定期維修的維修周期、狀態(tài)修部件的定期檢測(cè)和持續(xù)監(jiān)測(cè)的選擇等問題,這些問題有待后續(xù)進(jìn)一步研究。