（光学工程专业论文）城市轨道交通车辆检修制度研究.pdf

中文摘要 摘要：在城市轨道交通高速发展的今天，全国各大城市陆续开始城市轨道项目的 兴建，城轨车辆的需求迅速增长，对城轨车辆运用质量状态的要求日益增高。因 此，对城轨车辆进行及时、可靠的维修工作是非常必要的。车辆检修工作在城市 轨道交通运营中占有非常重要的地位，它对于城市轨道交通正常运营具有重大的 意义。 我国各大城市现行的城轨车辆检修制度是计划预防修为主的检修制度，它对 于保证车辆安全运行起到了一定的积极作用，但也日益暴露出许多弊端，维修不 足和过剩维修的现象大量存在，严重地影响了城市轨道交通的运营效率和效益， 因此，城轨车辆检修制度的改革势在必行。 论文进行广泛调研、搜集大量资料，运用技术经济分析方法，分析比较了国 内外城轨车辆检修制度的发展及现状，通过研究检修制度的相关构成因素：检修 原则、依据、修理方式等，从可靠性理论出发，通过建立车辆可靠性模型，从定 量的角度进一步确定了城轨车辆的各修程周期制定的依据，从而逐步延长车辆检 修周期，实现由计划预防修向状态修转变；并从经济性的角度研究了城轨车辆检 修制度中的有关问题，重点研究了城轨车辆的经济使用寿命问题，最后，提出了 完善城轨车辆检修制度的设想。 本文建议：我国城轨车辆检修制度的改革应从实际情况出发，借鉴国外先进 经验，以可靠性、计划性、经济性为基本原则，逐步向状态修转变，要“统筹规 划、分步实施、积极试点”。 关键词：城轨车辆；检修制度；可靠性：经济性；状态修； 分类号：u 2 7 9 4 a b s t r a c t a b s t r a c t ：n o w a d a y s ，t h eu r b a nt r a n s i ti si nah i g h s p e c dd e v e l o p m e n t a l l o v e rt h e c o u n t r y , m a n yc i t i e sa l - eb e g i n n i n gt h ep r o j e c to f u r b a nt r a n s i t c o n s t r u c t i o ni ns u c c e s s i o n t h ed e m a n do fu r b a nt r a n s i tv e h i c l e si si n c r e a s i n gr a p i d l y t h eu r b a nt r a n s i tv e h i c l e s a p p l i e dq u a l i t ya n ds t a t u si sr e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e r t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r y t om a i n t a i nt h eu r b a nt r a n s i tv e h i c l e sr e l i a b l ya n dt i m e l y t h ev e h i c l e sm a i n t e n a n c e h o l d st h ev e r yi m p o r t a n ts t a t u si nt h eu r b a nt r a n s i tv e h i c l e st r a n s p o r t a t i o n i ti s s i g n i f i c a n tt ot h en a t u r a lc i r c u l a t i o no f u r b a nt r a n s i tv e h i c l e s i no u r b i gc i t i e s ，p l a n n e da n dp r e v e n t i v em a i n t e n a n c es c h e m ei sa p p l y i n gi nt t r b a n t r a n s i tv e h i c l e s i tp l a y sap o s i t i v er o l et og u a r a n t e et h es a f e t yo f v e h i c l e s t r a n s l x ) j r t a t i o n w h e r e a s ，s o m ed e f e c t h a sb e e nr e v e a l e di n c r e a s i n g l y p h e n o m e n o no fl a c ko f m a i n t e n a n c ea n da b u n d a n tm a i n t e n a n c ee x i s ti nv e h i c l e s t h ep r o b l e mh a sb a d l y a f f e c t e dt h er u n n i n ge f f i c i e n c ya n db e n e f i t s i t si m p e r a t i v et ot h eu r b a nt r a n s i tv e l a i e l e m a i n t e n a n c es y s t e m t h r o u g hc o m p r e h e n s i v es u r v e ya n ds u b s t a n t i v ei n f o r m a t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e s 锄dc o m p a r e st h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fu r b a nt r a n s i tv e h i c l em a i n t e n a n c e s y s t e mh e r e a n da b r o a dw i t i lt h em e t h o do ft e c h n o l o g i c a le c o n o m ya n a l y t i c a l i t s e a r c h e st h er e l a t i v ec o m p o n e n tf a c t o r so fm a i n t e n a n c es y s t e ms u c ha sm a i n t e n a n c e p r i n c i p l e ，m a i n t a i nm e t h o d , a n ds oo n b a s e do i lt h er e l i a b i l i t yt h e o r y , i tc o n f i r m st h e b a s i st oe s t a b l i s ht h ep e r i o do fr e p a i rf o rt h eu r b a nt r a n s i tv e h i c l e c o n s e q u e n t l y , i t p r o l o n g st h ev e h i c l em a i n t e n a n c ep e d o a t h et r a n s f o r m a t i o n f r o mp l a n n e da n d p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e t os t a t u sm a i n t e n a n c ew i l lb er e a l i z e ds t e pb ys t e p w h a t si t l o r e i ts e a r c h e st h ep r o b l e mo fu r b a nt r a n s i tv e h i c l em a i n t e n a n c es y s t e mf r o mt h ep o i n to f e c o n o m i e s ，t a k i n gt h ep r o b l e mo fe c o n o m i c a lu s i n gl i f ea se m p h a s e s f i n a l l y , i tb r i n g s o u tt h ea s s u m p t i o nt oc o n s u m m a t et h eu r b a nt r a n s i tv e h i c l em a i n t e n a n c es y s t e m t h ep a p e r sp r o p o s a l ：t h er e f o r mo fl o c a lu r b a nt r a n s i tv e h i c l em a i n t e n a n c e s y s t e ms h o u l ds e to u tf r o mt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o na n da b s o r b i n go v e i s c a sa d v a n c e d e x p e r i e n c e t h eb a s i cp r i n c i p l ei sr e l i a b i l i t y , p l a n n i n ga n de c o n o m i c a le f f i c i e n c y t h e n , i ts h o u l db et r a n s f o r m e dt os t a t u sm a i n t e n a n c e s w es h o u l dm a k eo v e r a l lp l a n s ，p r a c t i c e s t e pb ys t e pa n dt e s tp o s i t i v e l y k e y w o r i o s ：u r b a nw a m i tv e h i c l e s ；m a i n t e n a n c es y s t e m ；r e l i a b i l i t y ；e c o n o m i c a l e t f i e i c n c y ；s t a t u sm a i n t e n a n c e ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日签字日期： 年 月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本文是在导师柳拥军副教授热情的鼓励和悉心地指导下完成的，柳拥军副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在论文选题和研 究方向上导师给予了极大的支持和帮助，导师精深广博的知识，实事求是的工作 作风以及高尚的品德，都给我留下深刻的印象、使我受益非浅。在此衷心感谢三 年来柳拥军老师对我的关心和指导。 在论文编写过程中，长春轨道客车股份有限公司市场二部宫平高工对论文的 编写提出了指导和修改意见，同时还得到了北京、广州、上海地铁公司等单位的 协助，在此向他们表示诚挚的谢意。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在工作的同时专心完成我 的学业。 序 随着经济的高速发展，城市化速度的加快，城市人口增加、城市范围扩大， 而且由于城市中心区过度开发，造成人口、产业和功能过度集中，产生了高负荷 的交通需求。需要大容量、快速交通系统的支持，特别是轨道交通系统的支持。 目前，相当多的城市已认识到发展大容量快速轨道交通的重要性，国内已有 若干城市己建或正筹建城市轨道交通，轨道交通正处在一个良好的发展阶段，城 市轨道交通已成为解决现代化大城市城市交通日益恶化的一种重要手段。 城轨车辆作为城市轨道交通的运载设备，在运用中由于摩擦、振动、冲击、 腐蚀等因素，长期处于自然损耗的状态，当某个零部件的磨损、老化超过了一定 限度时，就会出现故障，危及行车安全，甚至危及乘客生命和财产安全。特别随 着城轨交通对车辆的安全性能要求越来越高，车辆技术状态的稳定性已是保证轨 道交通安全和有序的关键。安全可靠是实现经济效益和社会效益的重要保证。因 此，城轨车辆工作的重要任务就是：不断加强车辆管理，做好维护保养工作，改 善车辆技术状态，提高车辆质量，保证行车安全，增强检修能力，压缩残车，增 加运用车，为轨道交通运营提供优良车辆。 我国各城市轨道车辆现行的检修制度均为计划预防修体制，主要包括日常保 养和定期检修，这种维修方式，依据是磨损规律，是以时间或运行里程作为维修 期限，只要设备使用到预先规定的时间，不论技术状态优劣都要进行规定维修工 作。在这种体制中，很重要的一点，就是要科学合理地确定检修周期，只有当计 划维修的周期接近车辆发生故障的实际周期时，这种维修计划才是最有效的。当 计划维修的周期短于车辆发生故障的实际周期时，将产生过量维修，造成不必要 的浪费，当计划维修的周期长于车辆发生故障的实际周期时，将使得车辆维修不 足，影响车辆的运用和安全。这种检修制度在尚未有充分的科学手段来准确判断 车辆质量状态的阶段，适应城市轨道交通安全运营的需要，能够及时发现零部件 的各种缺陷和隐患，使车辆处于良好的技术状态，保证行车安全，并能使车辆的 检修工作有计划有组织地进行，对不断提高修车质量和修车效率，缩短修车时间， 提高车辆的运用效率起到了很大作用，它是车辆部门长期实践经验和管理经验的 总结。 随着科学技术的不断提高，各种新技术、新工艺、新材料、新装备的大量应 用，车辆的结构、性能也正向自动化、机电一体化、复杂化发展，车辆检修、检 测设备和安全监控设施取得了明显的进步，在机械化、自动化、可靠性方面得到 了很大的提高，原有的检修体制已不适应，计划预防修制度的缺点也日益暴露出 来，现有的维修工作正面临新的挑战，实践证明，现行体制是车辆维修过频，修 时太长，降低了车辆的利用率：同时修理费用过高，零部件剩余的有效寿命浪费 严重，一些部件在拆卸中无谓地被损坏，造成费用损失严重，更主要的是这种修 制所维持的车辆费用高昂，但技术可靠性水平仍然很有限，不能满足城轨交通的 需要，所以修制改革势在必行。 综上所述，本文试以可靠性理论为中心，用技术经济分析的方法，通过先进 的技术诊断、检测，按照车辆各部件的功能状态、功能故障、故障原因、后果， 确定部件使用寿命，有目的、有针对性地进行维修，根据检测诊断结果确定维修 范围和修程，维修采用换件修和专业化集中修，找出一种符合国情的城轨车辆检 修制度。在保证车辆的安全可靠性的前提下，又能保证维修的经济性，提高车辆 的运用效率，获得最大的经济效益和社会效益。 1 引言 1 1城轨车辆检修制度改革的意义 随着国民经济和社会的发展，发展城轨交通己成为缓解城市交通压力的必然， 而城轨交通的有序运营离不开城轨车辆良好的技术状态，这就意味着车辆及时可 靠的维修保养将起着至关重要的作用，它决定了车辆各项运用指标的及时完成， 也决定了运营工作的安全有序。 但高运行品质、技术性能优良的车辆仍采用过时的检修制度，不但造成大量 人力、物力、财力的浪费，更重要的是修理频繁，修时过长，造成运用效率降低， 并且会造成上线运营车辆减少，运营间隔时间延长，给城市交通带来不便。因此， 在城市轨道交通快速发展的今天，车辆检修制度的研究意义就更加重要。 车辆运用是城轨交通运营的中心环节之一，它的重要性在于： 1 ) 车辆作为乘客乘降的载体，其技术性能、技术状态，运用效率，将会直接 关系到运营任务完成的数量、质量以及所取得的社会经济效益，车辆运用效率越 高，则运营的社会经济效益越好。 2 ) 车辆的技术性能及运用水平代表着城轨交通移动设备水平和管理水平。车 辆的质量和技术性能如果不能保证，必将影响整体运能的实现。 3 ) 车辆的检修费用、折旧费是城轨交通的运营成本中的一个重要的组成部分， 运营成本是评价投入产出效益，衡量企业经济效益的重要尺度。所以必须完善车 辆检修制度，以最小的消耗和最高的劳动生产率来切实降低生产费用，减少运营 支出。 1 2本论文研究的目的和内容 本论文研究的目的：随着新技术、新材料、新工艺、新的设计思路、新的运 营维护方式的大量应用，使车辆的技术性能得到了大幅度改善。车辆运行的安全 性、稳定性有了明显的提高( 同时车辆检测、维修手段的丰富、工艺设备的发展、 现代科学的先进检测技术的应用，为车辆检修的发展创造了有利条件) 。但由于车 辆的使用率不致，造成检修与车辆技术状态不相适合的情况，对使用率高的车 辆，往往未等定期检修到期，已经出现了较严重的技术不良现象，对于使用率低 的车辆。定期检修到期后，各种损坏不大，仍按规定进行定期检修，造成检修能 力和检修费用的浪费。 我国城轨车辆检修制度多是。计划预防”为主的检修体制。它对于保证车辆 安全运行起到了一定的积极作用，但随着科学技术的进步，也日益暴露出许多弊 端。维修不足和过剩维修的现象大量存在，严重影响了城轨交通的运营效率和效 益。通过对国外城轨车辆检修制度的研究，对现有检修制度进行改革，确保对城 轨车辆能够进行及时、可靠的维修，这对于城市轨道交通运营工作的正常有序具 有重大的意义，成为亟待解决的课题。 本论文的主要研究内容： 1 ) 在研究国外城轨车辆的维修制度和检修方式，确定我国城轨车辆修制改革 的目标的基础上，对我国城轨车辆检修制度的基本原则、基本方式进行了详细地 分析和讨论。 2 ) 从现场运营单位搜集实际数据，从可靠性理论出发分析失效分布的类型， 建立失效分布的函数模型，进行预测及其可靠性指标，分析了我国城轨车辆的现 状和安全可靠性。 3 ) 研究分析我国城轨车辆检修经济性需考虑的因素。 4 ) 结合实际对现行城轨车辆检修制度提出改革建议，从实际出发以可靠性、 计划性、经济性为原则，逐步向状态修转变。 城轨车辆检修制度改革问题的研究需要长期的摸索和实践，有些问题和矛盾 并不是能够马上解决和消除的，这正是本文所要研究的另一个意义所在。 2 2 国外( 地区) 城轨( 电动) 车辆检修制度的发展及现状 随着城市轨道交通的不断发展，科学技术水平的不断提高，城轨车辆维修的 综合效益己成了人们所关注的问题，即用最小的费用，得到最高的运行可靠度和 使用效率。我国各城市现行的城轨车辆检修制度不尽完善。 随着城轨交通的蓬勃发展，制定更为合理的检修制度已刻不容缓。制定新的 车辆检修制度是一项负责的课题，不进行专门的调查和试验、研究，就难以达到 最佳经济效果。因此，结合我国的实际情况，借鉴国外城轨车检修方面的经验， 更是其中至关重要的环节。 2 1 日本城轨( 电动) 车辆检修制度 2 1 1 新干线电动车检修制度阳1 ( 1 ) 概述 构成新干线电动车辆的部件可分为故障安全部分和非故障安全部分，前者是 指，即使这些部件发生故障，其结果不造成列车停车等安全问题；后者则不同， 部件的损伤、故障将会导致车辆脱轨、颠覆、直接危及旅客安全。 就维修而言，分为事后维修和预防维修。前者是指发生故障后进行维修，后 者则是按事先确定的走行公里或使用时间进行维修。 为确保新干线安全、稳定地运行，并考虑新干线车辆是在高速度、长距离运 行的恶劣条件下使用，基本上是对非故障安全部分实施预防维修，对故障安全部 分实施事后维修。 需要指出，预防维修的部分并非到期一律进行维修，而是按各部件找出其恰 当的修程，避免不必要的浪费：即使是故障安全部件，经过一定的走行距离或天 数，对于那些在消耗、磨耗、老化、污损等方面确己超过规定限度的部件，要结 合修程来决定更换、补充、清扫。因此，新干线的维修称为“按部件类别实施恰 当维修的方式”。自新干线营业之时起，就采取了这种采纳“预防维修、事后维修” 优点的维修方式。 ( 2 ) 检修修程、内容及周期 使车辆安全、平稳运行，维持“低成本、高质量”状态，是维修的最大使命。 但是，随着维修经验的积累、技术的进步，维修内容也随时代的变化而变化。就 新干线的检修周期，检查修理内容介绍如下： 表2 1新干线车辆检修修程和周期变化 修程 周期场所 1 9 6 4 1 9 7 11 9 7 2 - 1 9 9 7 1 9 9 7 至今 日常检修 4 8 小时车辆所、运输所，运转所 轮修2 万公里3 万公里3 万公里车辆所 转向架修2 4 万公里3 0 万公里4 5 万公里车辆所 大修7 2 万公里9 0 万公里7 2 万公里工厂 t c 动作试验4 b 小时 车辆所、运输所、运转所 a t c 特性试验9 0 天车辆所、工厂 大修日常检修轮修转向架修转向架修大修 口 4 8 1 13 个月1 2 个月1 2 个月3 6 个月 3 万公里4 5 万公里9 0 万公里 图2 1 新干线车辆现行的检修周期 日常检修：更换、补充消耗品，对受电弓、转向架、制动装置、电气设备、 自动门装置、室内设备等的状态、作用和功能进行外部试验。 轮修：对受电弓、超高压电路、主回路、辅助回路、控制电路、自动门、制 动装置、转向架、车体、仪表、室内设备、附属设备等的状态、作用、机能及电 气部分的绝缘电阻进行检修。 转向架修：牵引电机、传动装置、转向架、弹簧装置、制动装置的主要部分 进行拆卸或解体，对各部分进行试验。 大修：拆卸、分解车辆的主要部件，对各部分进行全面试验。 a t c 动作试验：对a t c 车载设备各部的状态及机能进行外部试验。 a t c 特性试验：对a t c 车载设备各部的状态及特性进行全面检查。 2 1 2 日本营团地铁检修制度心 ( 1 ) 概述 日本营团地铁根据预防修的原则，从走行公里与运行时间上考虑，对车辆的 各部件进行修理，并以专业分工为原则，设有车辆部，下辖工场、检车区、车辆 区，车辆工场承担车辆的重要部位检( 相当于国内定修) ，全面修( 相当于国内架 修) 。检车区承担日检、月修、清扫洗刷，停放管理。 ( 2 ) 检修修程、内容及周期 日本营团地铁检修修程、内容及周期见表2 2 4 表2 2 营团地铁检修修程、内容及周期 修程周期修停时间( 日)场所 日检查3 天0 2 5检车区 月检查3 个月l 重要部检查3 年( 新车4 年) 1 2 - 1 5 车辆工厂 或4 0 万公里 全面检查 6 年( 新车7 年) 1 8 - 2 5 日检查：根据车辆种类及状态，主要对车辆的重要部位从外部进行检查。 月检查：根据使用状况，对集电装置、主电动机、控制装置、辅助电源装置、 台车、制动装置、联结装置、门系统、车体、灯具、蓄电池等各部状态及作用进 行检查。 重要部检查：根据使用状况，对集电装置、主电动机、控制装置、辅助电源 装置、台车、制动装置、联结装置、门系统、车体、仪表、蓄电池等重要部件进 行部分解体，检查其状态及作用。 全面检查：最高级别修程，主要对集电装置、主电动机、控制装置、辅助电 源装置、台车、制动装置、联结装置、门系统、车体、仪表、蓄电池等重要部件 拆下解体，检查其状态及作用。 2 2 法国巴黎地铁检修制度口1 2 2 1 概述 法国巴黎地铁是一个拥有1 0 0 年历史和经验的地铁公司，采用“计划性”维 修，利用非营运时间和运营非高峰时间来做列车维修，在满足运营用车的前提下， 找到列车的维修机会( 称为维修窗) 。维修组织体现在如下三方面： 1 ) 在每个车厂做现场维修。一个车厂下设一个轻型维修车间和一个现场维修 车间。维修的对象为整列车，内容是小于3 h 的短时间修理。如：日检、双周检、 三月检、半年检、一年检、二年检。维修采用普通的方法：在列车上利用维修机 会( 维修窗) ，在非营运时间和运营非高峰时间进行较小修程的计划性维修以及通 过驻站维修和轮值维修的故障性维修，从而确保地铁车辆的技术状态和地铁运营， 并做到在高峰时间将每个车厂配属的列车全部上线。 2 ) 在大修工厂做强化维修。一个大修工厂可设x 线和y 线。维修的对象为整 列车，内容是全面的长时间维修，如三年检、小修、大修。维修的方法是在整列 车上进行，并用装备进行必要的部件更换。 3 ) 在大修工厂或委外的专业工厂做部件维修。维修的对象为部件，内容是部件 的大修或改进。维修的方法是在专业班组或工厂专业大修或改进。 2 2 2 检修制度 巴黎地铁公司经过不断优化，将车辆维修分为5 级，如表2 3 表2 3巴黎地铁计划性维修制度 级别 列车装置部件任务内容备注 l 操作的实用性与 短时问的修理( t ) 表示产品的寿命t 超过规定时间t 的概率，即产品在规定时间t 内，完成功能 的概率。 i ( t 10 t 图5 1 可靠度与时间的关系 根据可靠度的定义，可以得出：r ( 0 ) = 1 ，r ( 一) = 0 。即开始使用时，所有产品 都是好的；只要时间充分大，全部产品都失效。可靠度与时间的关系曲线如图5 1 1 9 所示。 2 ) 可靠度估计值良( o 可靠性特征量理论上的值成为真值，它完全由产品失效的数学模型所决定。 它虽然是客观存在的，但实际上是未知的，它主要应用在理论研究方面。在实际 工作中，只能获得优先个样本的观测数据，经过一定的统计计算得到真值的估计 值，称为可靠性特征量的估计值。 a 、对于不可修复的产品，可靠度估计值是指在固定的时间区间( 0 ，t ) 内，能完 成规定功能的产品数n ( t ) 与在该时间区间开始投入工作的产品数n 之比 b 、对于可修复的产品，可靠度估计值是指一个或多个产品的无故障工作时间达到 或超过规定时间t 的次数n 。( t ) 与在观测时间内无故障工作总次数n 之比。 因此，不论对可修复产品还是不可修复产品，可靠度估计值的公式相同，即 食( o = n 。( t ) n ( 2 ) 累积失效概率f ( t ) 1 ) 累积失效概率的定义 累积失效概率是产品在规定条件下和规定时问内失效的概率，其值等于 l - r ( t ) 。也可以说产品在规定条件下和规定时间内额完不成规定功能的概率。故也 称为不可靠度，它同样是时间的函数，记作f ( t ) 。有时也称为累积失效分布函数 ( 简称失效分布函数) 。其表示式为 f ( t ) - p ( t t ) = i - p ( t 0 = 1 一r ( t ) 从上述定义可以得出：f ( o ) = o ，f ( 一) = 1 。由此可见，r ( 0 和f ( t ) 互为对 立事件。失效分布函数f ( t ) 与时间关系曲线如图5 2 所示。 0 if ( t ) 一图5 2 累积失效分布函数 2 ) 累积失效概率的估计值良t ) f ( t ) = l r ( t ) - - n f ( t ) n 式中，n f ( t ) 是( o ，t ) 时间区间的失效产品数( 不可修复产品) 或故障次数 ( 可修复产品) ，n f ( t ) = n - l l s ( t ) 。 ( 3 ) 失效概率密度f ( t ) 1 ) 失效概率密度的定义 失效概率密度是累积失效概率对事件的变化率，记作f ( o 。它表示产品在单位 时间内的概率。其表示式为 f ( t ) = d f ( t ) d ( t ) - f ( t ) f ( t 户【f ( t ) d t 2 ) 失效概率密度的估计值讯) 硒= t f ( t + a t ) - f ( t ) - | 半一掣l 么才1 等 式中，n ，( t ) 在( t ，t + t ) 时间间隔内失效的产品数。 当产品的失效概率密度f ( t ) 已确定时，可知f ( t ) 、f ( t ) 、r ( t ) 之间的关系， 见图5 3 所示。 图5 3f ( t ) 、f ( t ) 、r ( t ) 之间的关系 ( 4 ) 失效率 ( t ) 1 ) 失效率的定义 失效率是工作到某时刻尚未失效的产品、在该时刻后单位时间内发生失效的 概率，记作 ( t ) ，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。 按上述定义，失效率是在时刻t 尚未失效的产品在t t + at 的单位时间内发生失 效的条件概率，它反映t 时刻失效的速率，故也称为瞬时失效。 ( t ) = l i m 丝三! 三! 型：1 曲f ( t + d o - f ( t ) 出0 p t 0 d t a t 寸0 r ( o a t ：一d f ( t ) 上：一业d t r r ( o 2 j 工程实际中，失效率与时间的关系曲线有各种不同形状，但典型的失效率曲 线呈浴盆状，见图5 4 所示。 () 1 期失效j 9 |偶然失效期耥失衲 ( 使用寿命期) l ， 图5 4 典型失效率曲线 由图5 4 可以看出，产品的失效可明显划分为以下三个阶段： a 、早期失效期 这阶段的失效主要是由产品的各种质量缺陷造成的。解决办法是对原材料和 工艺进行严格的控制，同时进行质量检验，剔除早期失效件，使其尽可能不投入 使用。 b 、偶然失效期 当失效率相对地呈现为一个常数时，这个时期称为偶然失效期。这阶段失效 将随机地发生，多数为工作应力引起的失效。这一段曲线的纵坐标高度( 失效率) 为m t b f 的倒数( m t b f 称平均无故障工作时间) ；沿横坐标方向的长度则为耗损 ( 老化) 寿命或使用寿命。 c 、耗损失效期 这阶段的失效是由于不同类型的耗损机理造成的性能退化或老化变质。如图 5 4 所示，当产品使用到一定时间，意味使用寿命期结束，耗损失效期开始。这时 产品失效是迅速上升的。由产品的制造质量、可靠性和耗损引起的失效，从理论 上说都可以贯穿其整个寿命期，只是每一时期有一种次年性质的失效占支配地位， 即在早期失效期内以质量问题为主：在偶然失效期内以可靠性问题为主( 产品失 效率高，表明可靠性低) ；而在耗损失效期内以耗损问题为主( 任何产品工作到一 定时间后都要失效或性能下降) 。 2 ) 失效率的估计值 ( f ) 不论产品是否可修复，产品失效率的估计值均可由下式求得： o ) = n ，( t + t ) 一n ，( t ) n 。( t ) a t = a n ，( t ) i n 。( t ) a t 3 ) 平均失效率 在工程实践中，常常用到平均失效率，其定义为 a 、对不可修复的产品是指在一个规定的时间内总失效产品数n m ) 与该批产品的累 计工作时间t 之比。 b 、对可修复的产品是指它们在使用寿命内的某种观测期间，该批产品的故障发生 总数n t ( t ) 与总累计工作时间t 之比。 所以，不论产品是否可修复，平均失效率估计值的公式为 栌n f r ( t ) 2 瓦n f 面( t ) 式中，t l i 第i 个产品失效前的工作时间； n 厂规定( 或观察) 期间未出现失效的产品数； n 广规定( 或观察) 期间出现失效的产品数。 ( 5 ) 产品的寿命特征 在可靠性工程中，规定了一系列与寿命有关的指标：平均寿命、可靠寿命、特 征寿命和中位寿命等等。这些指标总称为可靠性寿命特征，它们也是衡量产品可 靠性的尺度。 1 ) 平均寿命。 在寿命特征中最重要的是平均寿命。他定义为寿命的平均值。平均寿命的 数学意义就是寿命的数学期望，记作o ，数学公式为 口= r t f ( t ) d t 可以证明，能用可靠度r n ) 来表示平均寿命。 由于可维修产品与不可维修产品的寿命有不同的意义，故平均寿命也有不同的 意义。一般用m t b f 表示可维修产品的平均寿命，称“平均无故障工作时间”；用 m t t f 表示不可维修产品的平均寿命，称“失效前的平均工作时间”。 o = 该产品的总累计工作时间总失效数= t 佃f 2 ) 可靠寿命、特征寿命和中位寿命 前面已经提到可靠度函数r ( t ) 是产品工作时间t 的函数，在间时r ( 0 产1 ，当 工作时间增加，r ( t ) 逐渐减小。可靠度与工作时间有一一对应的关系。有时需要知 道可靠度等于给定值r 时，产品的寿命是多少，可靠寿命t r 就是给定可靠度r 时 对应的寿命，即 r ( t r 产- r “t io 图5 5 可靠寿命t r 与可靠水平r 的关系 当r f f r ) = e 1 = o 3 7 时，可靠寿命t o 3 7 称为特征寿命，对于失效规律服从指数 分布的产品而言，特征寿命就是平均寿命。 当r ( t r ) ：= 0 5 时，可靠寿命t 05 称为中位寿命。当产品工作到中位寿命时，可 靠度r ( t ) 和累计失效概率f ( t ) 都等于5 0 ，如图5 6 示。 x 图5 6 中位寿命与r ( t ) 及v ( t ) 的关系 工程中，经常用到的是平均寿命和可靠寿命这两个寿命特征量。 5 1 3 常用失效分布 产品的失效分布是指其失效概率密度函数或累计失效概率函数与可靠性特征 量的关系。如已知产品的失效分布函数，则可求出可靠度函数、失效率函数和寿 命特征量。即使不知道具体的分布函数，但如果已知失效分布的类型，也可以通 过对分布的参数估计求得某些可靠性特征量的估计值。因此，在可靠性理论中， 研究产品的失效分布类型是一个十分重要的问题。 下面介绍常见的四种失效分布。 ( 1 ) 指数分布 在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常见的分布，适合于失效率 ( t ) 为 常数的情况。 1 ) 失效概率密度函数f 【t ) m ) ： e “( t 0 ) 式中， 指数分布的失效率，为一常数。 2 ) 累积失效概率函数f ( o f 舻if ( t ) d t = i h 1 t d t = - 1 - c _ “( t o ) 3 ) 可靠度函数r ( t ) r ( t 产l - f ( t 户c - “( t 0 ) 4 ) 平均寿命0 o = fr ( t ) d t - - f e 。a d t = 1 1 因此，当产品寿命服从指数分布时，其平均寿命0 与失效率 互为倒数。 5 ) 可靠寿命t r 给定可靠度r 时，根据式( 1 3 ) 和( 1 6 ) ，可得： r ( t r ) = e 。m = r 将上式两边取自然对数，可得： ) i , t r = l n r 所以 t r = - i x i n r ( 2 ) 威布尔分布 威布尔分布在可靠性理论中是适用范围较广的一种分布。它能全面地描述浴 盆失效率曲线的各个阶段。当威布尔分布中的参数不同时，它可以蜕化为指数分 布、瑞利分布和正态分布。大量实践说明，凡是因为某一局部失效或故障所引起 的全局机能停止运行的元件、器件、设备、系统等的寿命服从威布尔分布；特别 在研究金属材料的疲劳寿命，如疲劳失效、轴承失效都服从威布尔分布。 1 ) 失效概率密度函数f 【t ) f 【沪旦f 型卜_ ( 舟( 6 t ；m ，n 0 ) ，7 ，7 式中，时一形状参数，决定失效分布曲线的形状： q 尺度参数，决定失效概率密度曲线的高度和宽度； 8 位置参数，决定分布曲线的起始位置。 2 ) 累积失效概率函数f ( 0 一f 型1 f ( t 产1 一p l4 ( 6 t ；m ，r i o ) 3 ) 可靠度函数g ( t ) - f 生k 肿p l 1 ( 6 t ：m ，n o ) 4 ) 失效率函数 ( t ) 舻竺f 型n 6 o ) r r ( 3 ) 正态分布 正态分布在数理统计学中是一个最基本的分布，在可靠性技术中也经常用到 它，如材料强度、磨损寿命、疲劳失效、同一批晶体管放大倍数的波动或寿命波 动等等都看作或近似看作正态分布。 1 ) 失效概率密度函数f ( t ) 1o - j y f ( t ) = 1 ： p2 0 2 ( 一一t o 所以，s 具有最小值( 在d s d t = o 时取得) 令d s d t = o ，即( p l ) t 2 + b 2 = o t = 2 ( p l ) b “2 t 一车辆经济使用寿命 p 一车辆购置价值 l 一车辆残值 卜车辆检修递增部分费用 由上式可以看出，车辆经济使用寿命的确定与车辆购置价值p 、车辆残值l 和 车辆检修递增部分费用b 有关，与车辆检修固定费用无关。 总之，随着车辆使用年限的增长，技术质量下降和修理费用上升成为必然； 若超过了经济使用年限车辆仍继续使用，实际上将认为加重修理费用支出，造成 车辆性能恶化，运用效率降低，增加运营成本。依据经济使用年限，及时报废旧 车，减少不可靠性因素，是进行状态修的前提。 6 3 关于车辆可靠性与经济性相协调的一点见解 尽可能的消除和防止故障是可靠性工作的理想目标，但任何产品发生故障是 不可避免的，合理的可靠性水平是与经济性向联系的，可靠性需与经济性协调。 但这一工作十分复杂，因为需将故障的费用加以量化，同样为提高可靠性所需的 费用也要量化。故障造成的损失有的不能用货币表示，提高可靠性的代价有的可 能用货币表示，有的也不可用货币表示。 对于车辆可靠性和经济性的协调，可以理解为寻求以下若干问题的解答： 1 ) 在给定投资的条件下，能把可靠性提高到何水平? 2 ) 在给定的可靠行条件下，如何使车辆系统的制造及维护费用最小? 3 ) 在给定预算条件下，应把投资花在什么地方最恰当? 4 ) 在什么基础上对不同的方案进行比较? 上述的问题是可以进行假设和估计的，但往往十分困难；首先是故障后果的 估计，故障总是造成人们不希望的后果，这些后果有的可用造成的经济损失表示， 但是有的是难以用货币表示的；其次是提高可靠性效益的估计，从经济上讲，期 望故障损失费用的降低至少与期望可靠性提高所带来的经济效益相等。 车辆系统可靠性的价值可以认为是安全连续的进行运输价值，对乘客来讲， 安全连续运输的价值取决于在使用车辆中可能得到的效益，可靠性低往往会造成 车辆短缺或停运，造成经济损失和社会损失，另一方面为提高车辆系统的可靠性， 车辆部门则需增加投资，因此要研究投资与提高车辆系统可靠性水平之间的关系。 7 结论及对城轨车辆检修制度的建议 通过对城轨车辆检修制度的分析，对国外及地区检修制度、车辆可靠性、经 济性的研究以及对城轨车辆检修制度改革的意义及具体实施办法的探讨，可以得 出以下结论：对城轨车辆检修制度的改革，应使其从以计划修为主、状态修为辅 向以状态修为主、计划修为辅转变，并实行计划修和状态修相结合的维修模式。 以科学理论为基础，依靠现代化的检测、检修设备、管理手段是完全可以逐步实 现的，从而保证城市轨道交通运营的安全可靠，实现城市轨道交通的效率和效益 的最大化。 随着新技术、新材料、新工艺、新的设计思想、新的运营维护方式的大量应 用，使得车辆的维修理念发生了根本变化。状态修是对计划修的探索和尝试，状 态修达到一定程度之后，经过总结归纳就可以将其列为计划修的一部分，而且更 具针对性、实效性和可操作性，避免修理内容既包罗万象，又不够详尽的缺陷， 也避免了一开始就将其列入计划修而可能出现的检修程序的失误或漏修等不足， 提高了效率，降低了成本。 计划修和状态修相结合的维修模式，应包含以下内容【4 】： a 、对于定修以下修理作业实行必检和轮检相结合的检修制度。对于行车安全有关 的主要零部件实行必修制，保证车辆质量和完好状态，如电动机、转向架、主牵 引电路、制动系统等，其它项目则分批分期检查修理，这样既保证了重点，又兼 顾了全面。 b 、在定修以上修理作业时，对一些受交变载荷作用频繁、运行要求较高的系统和 部件可按计划进行全面检修，如转向架、制动系统、牵引电机、受电弓等等，形 成一套较为稳定的检修程序。 c 、对一些载荷变化较小、作用应力较小、运行要求较低的系统和部件，可降低修 理级别或依据运用状态作修理调整，以便在最小修理量的情况下保证其运用的有 效性、安全性和可控性。 d 、运用科学统筹的方法对一些重大部件的修理方式和修理级别进行评估、核算， 如轴承和空调采用委外修或自修的综合对比，各部件或系统在某种特定条件下有 无继续修理的必要等等，找出安全性和经济性相统一条件下各部件最佳存续方案， 从而为修理作业提供科学决策依据。 e 、实行车辆修理预检制及重要部件、故障频繁部件的跟踪制度，这样不仅可消除 车辆修理中存在的故障和安全隐患，而且可加强修理的针对性和时效性。 f 、进一步完善车辆修理作业中的安全限度理论，在检修作业中大力推行等级修、 互换修和集中修等修理理念。 g 、加大技术投入，对一些频繁出现的惯性故障及影响行车安全的隐性故障组织力 量进行攻关。全面剖析有关故障和损伤发生的机理，从根本上消除故障隐患。 城轨车辆检修制度的改进建议： 1 ) 城轨车辆的维修需要建立辅助维修的车辆管理信息数据库系统，这是因为，城 轨车辆的维修由计划修逐步扩大到状态修，其转变的前提条件就是能做到对车辆 的技术参数进行检测、积累、分类统计、分析，随时了解其技术性能状况，确定 维修时机和维修项目。 根据数据库分析信息，车辆维修管理人员可以有理有据的安排状态最好的列 车投入运营，更加合理的安排检修，提高作业效率和检修台位的利用率，可以追 踪车辆维修维修后的质量表现；通过数据库信息，车辆技术人员可在查找疑难故 障、惯性故障时获得故障车的历史故障表现和故障处理信息，从而加快故障处理 速度。 2 ) 适当延长车辆的检修周期 随着新技术、新材料的使用，以及车辆制造技术、监控手段和检修水平的提 高，只要继续加强车辆的运用维修，逐步对车辆实行状态修，就可适当延长车量 的检修周期，提高车辆的利用率。 城轨车辆的检修制度是为车辆安