南非20E&21E机车维修策略的研究

引言

南非20E&21E机车是专为南非铁路货物运输设计的交流传动电力机车,它能适用于南非交流25kV/50Hz和直流3kV双电流供电制式和轨距1065mm的特殊运营条件,一般采用4台20E机车+100节车厢或6台21E机车+200节车厢长大编组的形式来承担货物运输。机车在投入运营后,随着时间的推移,各部件在使用过程中必然会产生不同程度的磨损、疲劳、变形、损伤或故障,它们的技术状态会逐渐下降,导致性能降低甚至功能丧失。恰当的维修策略是保障机车正常运营,防止事故发生,延长机车使用寿命,降低全寿命周期成本的关键因素。本文基于以可靠性为中心的维修理论,结合机车结构和特点以及实际运营与检修环境,对20E&21E机车维修策略进行了分析和研究,提出了20E&21E机车维修策略选择的基本思路和方法。

1维修策略的现状与发展趋势

1.1常见的设备维修策略

国内外设备维修策略大体可分为事后维修、预防性维修、预测性维修和改善性维修四种。

1.1.1事后维修(BreakdownMaintenance)

指设备发生故障后,使其恢复到规定状态所进行的维修活动。这种维修策略在设备的可靠性指标和对环境的友好性等方面考虑得不全面、不充分,设备发生事故后进行补救,往往会产生较大的经济损失或造成较为严重的安全事故,检修效率低,维修成本高,运营方经济效益差。

1.1.2预防性维修(PreventiveMaintenance)

预防性维修又叫定期维修,是按照计划对设备进行的周期性的维修。机车通常以一定的运营时间或走行公里数为维修周期,到限强制进行规定的维修工作。采用这种维修策略时,检修人员能够提前准备好相关的工作设备、场地及工序,有效地执行检修工作。但对于复杂的机车系统来说,不同类型的部件通常有不同的故障曲线,各部件难以就检修周期进行统一:不同的部件在统一的周期内进行维修,容易造成"过度维修"或"维修不足",进而造成维修效率低下、维修成本浪费,或者导致机车可靠性降低,影响机车行车安全等。

1.1.3预测性维修(PredictiveMaintenance)

预测性维修主要是以设备状态为依据预测设备未来状态,然后制定维修计划并按计划执行的维修。通过对设备的各部位进行定期或连续的状态监测和故障诊断,判定其所处的状态并预测未来的发展趋势,然后根据装备的状态及其发展趋势和潜在的故障模式,预先制定预测性维修计划,确定设备修理的时间、内容、方式和必需的技术和物资支持。预测性维修能有效地减少维修活动,降低维修成本:减少设备故障率,降低运营方经济损失:最大化利用部件的设计使用寿命,提升设备利用率,进而提高经济效益。但由于机车系统结构复杂,监测设备成本投入大,且部分部件难以监测:而一些新的监测技术和评判方法仍处于初步研究和验证的阶段,尚需要一定的时间来验证其可靠性和准确性:此外,预测性维修对于技术人员专业素质要求也比较高。

1.1.4改善性维修(ImprovementMaintenance)

改善性维修是利用完成其他设备维修任务的时机,对设备部分系统或部件进行技术改造或升级,消除设备的缺陷,防止特定故障的重复发生,提高设备固有的可靠性、维护性和安全性的维修。

1.2发展趋势

随着电子信息、传感器、人工智能、大数据分析等技术的飞速发展,对于越来越多的部件和系统实现预测性维修成为可能。在多部件的复杂机车系统中,以上几种维修策略都会运用。预测性维修具有明显的效率优势和经济效益,它将成为未来检修和维护中主要的维修策略。

2机车维修策略选择

2.1维修理论依据

南非运营方对于20E&21E机车编组的可靠性指标提出了明确的要求。在研究机车的维修策略时,是基于以可靠性为中心的维修理论,结合机车的产品特点如构成、功能和冗余度,客户对于机车运营的规定和当地实际的维修环境如维修设备、工具、备件、人力等,而进行的综合性分析。

以可靠性为中心的维修理论要求对系统进行功能与故障分析,明确系统内可能发生的故障、故障原因及后果:用规范化的逻辑决断法,确定出各故障的维修对策:通过故障数据统计、专家评估、定量化建模等方式,在保证安全性和可靠性的前提下,以最少的维修资源消耗来保持、恢复设备的可靠性。

以可靠性为中心进行维修策略分析可分为三个步骤:(1)确定设备的重要功能或性能部件:(2)进行故障模式及故障影响分析:(3)应用逻辑决策图选择合适的维修策略。

2.2部件重要度评估

在进行部件重要度评估之前,首先需要列举出机车所有零部件,对于南非20E&21E机车来说,列出的零部件是指在总承修单位能力范围内可进行检修或者整体替换的最小检修单元,不包括需要返回制造厂或者委外检修的零部件。

在分析机车各部件重要度时,主要从以下八个影响因素来综合评判:部件故障对安全性的影响、部件故障对整列车运营和功能的影响、部件的故障率、部件故障的可监控性、部件故障恢复所需的维修时间、部件维修难易度、部件故障恢复所需的维修费用。邀请多名行业内相关专家对各影响因素进行评分,评分范围为1~10分。评分标准如表1所示。

用wi(i=S,F0,SF,Mr,MD,FD,Mc)表示各影响因素的权重值:运用层次分析法,构造判断矩阵A=(aij)n×n,满足aij=l,aij=l/aji,aij>0(i,jeN)。其中aij就是第i个影响因素与第j个影响因素重要度的比例标度,表示这两个影响因素之间的相对重要度。然后求出其特征向量和最大特征值,并对判断矩阵A进行一致性检验,如一致性通过则说明权重分配合理,否则需调整判断矩阵,直到取得满意的一致性为止。

最后采用线性加权的方法计算各部件的重要度评价指数:

式中,n为影响因素的个数:mi为被评价部件的第i个影响因素的评分:wi为第i个影响因素的权重。

2.3故障模式及故障影响分析

故障模式及故障影响分析的目的是综合评估故障风险等级(RL)。通常情况下,将故障发生频率、故障严重程度、故障的可探测性作为影响故障风险等级(RL)的评判因素。南非20E&21E机车选取故障率(FR)、故障发生后对运营的影响(F0)以及故障的可探测性(FD)作为故障风险等级(RL)的影响因素。影响因素的评分标准见表1。

针对列出的机车部件,列出各部件的故障模式,分析其故障造成的影响。

故障风险等级的影响因素全部来自于故障重要度的影响因素,因而部件的故障风险等级与该部件的重要度有一定的相关性。这里采用传统的故障风险计算方法来计算故障风险等级数,即:故障风险等级数(RL)=故障率(FR)x故障发生后对运营的影响(F0)×故障可监测性(FD)。

将计算出的故障风险等级(RL)值按照大小排序,得到部件各故障模式的危险优先数。

2.4维修策略逻辑决策图

逻辑决策图是一种定性的分析方式,在对20E&21E机车维修策略决策图进行设计时,优先考虑的是安全性,然后考虑部件的重要度以及故障风险等级,再次是维修的可行性和经济性。20E&21E机车维修策略逻辑决策图如图1所示。

在根据图1进行部件维修策略决策之前,需要对定义重要部件的重要度指标阈值和故障风险是否可接受的故障风险等级数进行明确的规定,这里通过不同领域的专家共同讨论以及同级别部件或故障模式进行类比分析来共同确认。最后,根据维修策略决策图,可形成完整的20E&21E机车各部件维修策略清单。

3结语

本文简要介绍了设备维修策略的现状和发展趋势,同时探讨了以可靠性为中心,通过层次分析法确认部件重要度和采用传统故障风险等级评估的思路来评估故障影响的方法,最后设计了维修策略逻辑决策图用以确认20E&21E机车各部件的维修策略。但实际的维修计划还应包含定期维修的维修周期、状态修部件的定期检测和持续监测的选择等问题,这些问题有待后续进一步研究。