引言

南非20E&21E機車是專為南非鐵路貨物運輸設計的交流傳動電力機車,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的特殊運營條件,一般采用4臺20E機車+100節(jié)車廂或6臺21E機車+200節(jié)車廂長大編組的形式來承擔貨物運輸。機車在投入運營后,隨著時間的推移,各部件在使用過程中必然會產(chǎn)生不同程度的磨損、疲勞、變形、損傷或故障,它們的技術狀態(tài)會逐漸下降,導致性能降低甚至功能喪失。恰當?shù)木S修策略是保障機車正常運營,防止事故發(fā)生,延長機車使用壽命,降低全壽命周期成本的關鍵因素。本文基于以可靠性為中心的維修理論,結合機車結構和特點以及實際運營與檢修環(huán)境,對20E&21E機車維修策略進行了分析和研究,提出了20E&21E機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

1.1常見的設備維修策略

國內外設備維修策略大體可分為事后維修、預防性維修、預測性維修和改善性維修四種。

1.1.1事后維修(BreakdownMaintenance)

指設備發(fā)生故障后,使其恢復到規(guī)定狀態(tài)所進行的維修活動。這種維修策略在設備的可靠性指標和對環(huán)境的友好性等方面考慮得不全面、不充分,設備發(fā)生事故后進行補救,往往會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失或造成較為嚴重的安全事故,檢修效率低,維修成本高,運營方經(jīng)濟效益差。

1.1.2預防性維修(PreventiveMaintenance)

預防性維修又叫定期維修,是按照計劃對設備進行的周期性的維修。機車通常以一定的運營時間或走行公里數(shù)為維修周期,到限強制進行規(guī)定的維修工作。采用這種維修策略時,檢修人員能夠提前準備好相關的工作設備、場地及工序,有效地執(zhí)行檢修工作。但對于復雜的機車系統(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行統(tǒng)一:不同的部件在統(tǒng)一的周期內進行維修,容易造成"過度維修"或"維修不足",進而造成維修效率低下、維修成本浪費,或者導致機車可靠性降低,影響機車行車安全等。

1.1.3預測性維修(PredictiveMaintenance)

預測性維修主要是以設備狀態(tài)為依據(jù)預測設備未來狀態(tài),然后制定維修計劃并按計劃執(zhí)行的維修。通過對設備的各部位進行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,判定其所處的狀態(tài)并預測未來的發(fā)展趨勢,然后根據(jù)裝備的狀態(tài)及其發(fā)展趨勢和潛在的故障模式,預先制定預測性維修計劃,確定設備修理的時間、內容、方式和必需的技術和物資支持。預測性維修能有效地減少維修活動,降低維修成本:減少設備故障率,降低運營方經(jīng)濟損失:最大化利用部件的設計使用壽命,提升設備利用率,進而提高經(jīng)濟效益。但由于機車系統(tǒng)結構復雜,監(jiān)測設備成本投入大,且部分部件難以監(jiān)測:而一些新的監(jiān)測技術和評判方法仍處于初步研究和驗證的階段,尚需要一定的時間來驗證其可靠性和準確性:此外,預測性維修對于技術人員專業(yè)素質要求也比較高。

1.1.4改善性維修(ImprovementMaintenance)

改善性維修是利用完成其他設備維修任務的時機,對設備部分系統(tǒng)或部件進行技術改造或升級,消除設備的缺陷,防止特定故障的重復發(fā)生,提高設備固有的可靠性、維護性和安全性的維修。

1.2發(fā)展趨勢

隨著電子信息、傳感器、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術的飛速發(fā)展,對于越來越多的部件和系統(tǒng)實現(xiàn)預測性維修成為可能。在多部件的復雜機車系統(tǒng)中,以上幾種維修策略都會運用。預測性維修具有明顯的效率優(yōu)勢和經(jīng)濟效益,它將成為未來檢修和維護中主要的維修策略。

2機車維修策略選擇

2.1維修理論依據(jù)

南非運營方對于20E&21E機車編組的可靠性指標提出了明確的要求。在研究機車的維修策略時,是基于以可靠性為中心的維修理論,結合機車的產(chǎn)品特點如構成、功能和冗余度,客戶對于機車運營的規(guī)定和當?shù)貙嶋H的維修環(huán)境如維修設備、工具、備件、人力等,而進行的綜合性分析。

以可靠性為中心的維修理論要求對系統(tǒng)進行功能與故障分析,明確系統(tǒng)內可能發(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策:通過故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、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、恢復設備的可靠性。

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

2.2部件重要度評估

在進行部件重要度評估之前,首先需要列舉出機車所有零部件,對于南非20E&21E機車來說,列出的零部件是指在總承修單位能力范圍內可進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。

在分析機車各部件重要度時,主要從以下八個影響因素來綜合評判:部件故障對安全性的影響、部件故障對整列車運營和功能的影響、部件的故障率、部件故障的可監(jiān)控性、部件故障恢復所需的維修時間、部件維修難易度、部件故障恢復所需的維修費用。邀請多名行業(yè)內相關專家對各影響因素進行評分,評分范圍為1~10分。評分標準如表1所示。

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

最后采用線性加權的方法計算各部件的重要度評價指數(shù):

式中,n為影響因素的個數(shù):mi為被評價部件的第i個影響因素的評分:wi為第i個影響因素的權重。

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估故障風險等級(RL)。通常情況下,將故障發(fā)生頻率、故障嚴重程度、故障的可探測性作為影響故障風險等級(RL)的評判因素。南非20E&21E機車選取故障率(FR)、故障發(fā)生后對運營的影響(F0)以及故障的可探測性(FD)作為故障風險等級(RL)的影響因素。影響因素的評分標準見表1。

針對列出的機車部件,列出各部件的故障模式,分析其故障造成的影響。

故障風險等級的影響因素全部來自于故障重要度的影響因素,因而部件的故障風險等級與該部件的重要度有一定的相關性。這里采用傳統(tǒng)的故障風險計算方法來計算故障風險等級數(shù),即:故障風險等級數(shù)(RL)=故障率(FR)x故障發(fā)生后對運營的影響(F0)×故障可監(jiān)測性(FD)。

將計算出的故障風險等級(RL)值按照大小排序,得到部件各故障模式的危險優(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20E&21E機車維修策略決策圖進行設計時,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險等級,再次是維修的可行性和經(jīng)濟性。20E&21E機車維修策略邏輯決策圖如圖1所示。

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

3結語

本文簡要介紹了設備維修策略的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,同時探討了以可靠性為中心,通過層次分析法確認部件重要度和采用傳統(tǒng)故障風險等級評估的思路來評估故障影響的方法,最后設計了維修策略邏輯決策圖用以確認20E&21E機車各部件的維修策略。但實際的維修計劃還應包含定期維修的維修周期、狀態(tài)修部件的定期檢測和持續(xù)監(jiān)測的選擇等問題,這些問題有待后續(xù)進一步研究。