動(dòng)車組維修體制現(xiàn)狀分析及展望

      隨著科技水平的進(jìn)步和維修理論的發(fā)展，軌道交通裝備的維修體制也在不斷變革，從早期的事后維修體制到計(jì)劃預(yù)防修體制，再到正逐步推進(jìn)的視情維修體制，現(xiàn)代軌道交通裝備運(yùn)維管理水平正不斷提高。
      國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)高速列車的修程修制做了大量研究，例如依據(jù)多年運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)對(duì)CRH2型動(dòng)車組修程修制的特點(diǎn)和優(yōu)化方法的論證和研究，還有基于各類數(shù)學(xué)方法和模型對(duì)現(xiàn)有修程修制進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，也有學(xué)者從設(shè)計(jì)研究角度對(duì)動(dòng)車組的修程修制的規(guī)劃和合理性進(jìn)行分析研究�；�于此，本文對(duì)動(dòng)車組維修體制現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并以具體維修項(xiàng)點(diǎn)為例，運(yùn)用視情維修的相關(guān)思想論證了其可行性和必要性。
      一、現(xiàn)代軌道交通裝備維修體制的發(fā)展
      現(xiàn)代軌道交通裝備維修早期采用事后維修體制，現(xiàn)已發(fā)展到計(jì)劃預(yù)防修與視情維修相結(jié)合的預(yù)防性維修體制。
      1、事后維修體制（Breakdown Maintenance）
事后維修也叫故障維修，即在設(shè)備發(fā)生功能故障后再進(jìn)行修理。這種維修方式適合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障后果不嚴(yán)重的裝備，如生活中對(duì)自行車的維修、早期蒸汽機(jī)車的維修通常采用這種維修方式。
      2、預(yù)防性維修體制（Preventive Maintenance）
      隨著裝備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，事后維修逐漸不能滿足需求，出現(xiàn)了預(yù)防性維修體制，即通過(guò)對(duì)裝備進(jìn)行系統(tǒng)性檢查、設(shè)備測(cè)試和更換等以防止功能故障發(fā)生。“以可靠性為中心的維修”（RCM）是推動(dòng)預(yù)防性維修理論發(fā)展的最重要的思想，根據(jù)對(duì)裝備不同零部件的不同故障模式和故障影響進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的維修方式。預(yù)防性維修的發(fā)展經(jīng)歷了計(jì)劃預(yù)防修和視情維修2個(gè)階段：
      （1）計(jì)劃預(yù)防修（Periodic Maintenance）。計(jì)劃預(yù)防修也叫定期維修，是指依據(jù)相對(duì)固定的周期（時(shí)間或使用壽命）進(jìn)行的預(yù)防性維修。計(jì)劃預(yù)防修構(gòu)成因素主要包括維修周期、維修項(xiàng)點(diǎn)、維修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中最重要的因素是維修周期。維修周期主要依據(jù)浴盆曲線理論，每個(gè)裝備因個(gè)體差異有不同的狀態(tài)退化曲線，通過(guò)這些退化曲線可以計(jì)算出裝備的壽命分布情況，當(dāng)給定失效風(fēng)險(xiǎn)概率后，就可以從理論上得到定期維修間隔。
      （2）視情維修（Condition Based Maintenance）。視情維修也叫基于狀態(tài)的維修，是指無(wú)固定維修周期的、根據(jù)部件運(yùn)行狀態(tài)演變趨勢(shì)而決定是否進(jìn)行維修的預(yù)見(jiàn)性維修。隨著軌道交通裝備結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，部分部件的性能退化趨勢(shì)不符合浴盆曲線理論，按照固定的維修間隔實(shí)施預(yù)防性維修并不能防止故障的發(fā)生。隨著信息技術(shù)手段不斷發(fā)展和現(xiàn)代維修理論的不斷演化，出現(xiàn)了視情維修體制，它是運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與維修決策方法對(duì)裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，在有維修需求時(shí)才進(jìn)行的預(yù)見(jiàn)性維修。
      二、動(dòng)車組維修體制現(xiàn)狀
      我國(guó)動(dòng)車組目前實(shí)行的是“計(jì)劃預(yù)防修為主、事后維修補(bǔ)充”的維修體制，維修周期采用以走行公里周期為主、時(shí)間周期為輔的模式。
      1、國(guó)內(nèi)動(dòng)車組維修體制現(xiàn)狀
      我國(guó)動(dòng)車組維修修程共分為5級(jí)，其中一、二級(jí)檢修為運(yùn)用檢修，三、四、五級(jí)檢修為高級(jí)檢修，如表1所示。
      表1 動(dòng)車組計(jì)劃預(yù)防修周期表 
      
      一級(jí)檢修以目視檢查和功能測(cè)試為主；二級(jí)檢修在目視檢查和功能測(cè)試的基礎(chǔ)上，增加了性能檢測(cè)和維護(hù)保養(yǎng)等內(nèi)容；三級(jí)檢修主要對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行分解檢修，對(duì)制動(dòng)、牽引、空調(diào)等系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和維護(hù)保養(yǎng)；四級(jí)檢修主要對(duì)動(dòng)車組各系統(tǒng)進(jìn)行分解檢修；五級(jí)檢修是對(duì)全車進(jìn)行分解檢修，較大范圍地更新零部件。
      2、國(guó)外動(dòng)車組維修體制現(xiàn)狀
      日本高速列車主要采用以可靠性為中心的預(yù)防修制度，注重對(duì)設(shè)備性能和可靠性周期的優(yōu)化，并合理優(yōu)化其維修策略和周期，主要分為4個(gè)等級(jí)的修程：日常檢查（日檢）、周期檢查（月檢）、轉(zhuǎn)向架檢查（年檢）、全面檢查（大修），此外還有臨時(shí)檢查和運(yùn)行檢查組成的2類臨時(shí)性檢查。德國(guó)ICE高速列車維修體系以計(jì)劃預(yù)防修為總體框架，采用定期檢測(cè)、保養(yǎng)與狀態(tài)修相結(jié)合，部件互換修和主要部件集中修相結(jié)合的方法，按照走行公里和運(yùn)行時(shí)間計(jì)劃實(shí)施各級(jí)檢修，主要有L級(jí)檢查、N級(jí)檢查、IS510級(jí)檢查、IS520級(jí)檢查、IS530級(jí)檢查、IS540級(jí)檢查以及大修（Rev）等修程。法國(guó)高速列車TGV的維修體制也大致類似，以計(jì)劃預(yù)防修為主體，分為運(yùn)營(yíng)檢查、定期檢查、定期部件更換等幾級(jí)修程。
      歐洲以德國(guó)為代表的高速列車檢修采用了先進(jìn)的車載故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)、豐富的信息感知網(wǎng)絡(luò)、多種地面智能檢測(cè)診斷設(shè)備、車地實(shí)時(shí)通信、車輛綜合檢修信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，因此各級(jí)修程規(guī)定的內(nèi)容都以例行檢查為主，對(duì)轉(zhuǎn)向架、高壓牽引、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)和部件可基本實(shí)現(xiàn)視情維修。這些措施的實(shí)施，使得這些高速列車運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)豐富成熟的國(guó)家可以實(shí)現(xiàn)最大限度地減少人力，提高車輛檢修效率和精度。
      3、我國(guó)動(dòng)車組維修體制分析
      我國(guó)動(dòng)車組目前采用的維修體制基本滿足了動(dòng)車組運(yùn)行安全的需求，但隨著對(duì)全壽命周期內(nèi)動(dòng)車組服役性能退化規(guī)律研究的深入，發(fā)現(xiàn)計(jì)劃預(yù)防修體制在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也存在不少的弊端和不足。
      （1）維修不足。一方面，由于動(dòng)車組高度的集成化、復(fù)雜化、一體化，故障規(guī)律不再簡(jiǎn)單地遵循機(jī)械磨損理論，簡(jiǎn)單地按照固定周期進(jìn)行維修已無(wú)法防止功能故障的發(fā)生；另一方面，由于設(shè)備的個(gè)體性差異實(shí)際存在，而制定維修周期間隔時(shí)考慮的風(fēng)險(xiǎn)失效概率不可能覆蓋所有個(gè)體，所以計(jì)劃預(yù)防修體制必然存在維修不足的問(wèn)題。對(duì)于關(guān)鍵部件來(lái)說(shuō)，維修不足問(wèn)題帶來(lái)的后果是嚴(yán)重的，將直接危害動(dòng)車組的運(yùn)行安全。
      （2）過(guò)度維修。鑒于動(dòng)車組運(yùn)行工況的差異、部件個(gè)體性能的差異、部件制造工藝的差異等因素，在確定動(dòng)車組設(shè)備維修周期時(shí)往往過(guò)于保守，以保證足夠低的風(fēng)險(xiǎn)失效概率。所以，對(duì)于大部分的動(dòng)車組部件來(lái)說(shuō)，存在過(guò)度維修問(wèn)題。
      （3）次生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高。一方面，由于頻繁地定期維修，人為地破壞了設(shè)備原有的良好配合，降低了設(shè)備可靠性，導(dǎo)致了故障率升高；另一方面，由于維修作業(yè)避免不了人力的不可靠性，不必要的過(guò)度維修實(shí)際增加了作業(yè)類問(wèn)題的發(fā)生，在這些年的動(dòng)車組運(yùn)維過(guò)程中作業(yè)類故障或事故并不鮮見(jiàn)。
      （4）運(yùn)用效率低。無(wú)論是因?yàn)?ldquo;過(guò)度維修”占用的維修修時(shí)，還是因?yàn)?ldquo;維修不足”導(dǎo)致的故障維修修時(shí)，或者是診斷監(jiān)測(cè)裝置設(shè)備的不足，都勢(shì)必影響動(dòng)車組的運(yùn)用效率。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全路動(dòng)車組平均檢修率達(dá)14.22%，這意味著目前全路每天有大量動(dòng)車組處于檢修狀態(tài)而無(wú)法上線運(yùn)營(yíng)，75%左右的平均上線率和德國(guó)等國(guó)家90%左右的上線率相比，仍有較大差距。
      （5）維修成本浪費(fèi)。“過(guò)度維修”帶來(lái)的最大影響就是不必要的維修產(chǎn)生的成本浪費(fèi)，同時(shí)導(dǎo)致人力成本的居高不下。根據(jù)美國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局過(guò)去的研究資料，計(jì)劃預(yù)防修體制下裝備維修費(fèi)用中有近1/3是由于“過(guò)度維修”造成的浪費(fèi)。
      三、動(dòng)車組視情維修的可行性分析
      我國(guó)動(dòng)車組維修體制的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。當(dāng)前動(dòng)車組維修體制仍以計(jì)劃預(yù)防修和事后維修相結(jié)合為主，隨著動(dòng)車組車載信息感知網(wǎng)絡(luò)、車地通信技術(shù)以及先進(jìn)的診斷與預(yù)測(cè)等技術(shù)手段的運(yùn)用，我國(guó)已經(jīng)具備對(duì)動(dòng)車組部分部件開(kāi)展視情維修的能力，動(dòng)車組維修體制也已經(jīng)具備向“計(jì)劃預(yù)防修為主、視情維修輔助、事后維修補(bǔ)充”發(fā)展的條件，以下對(duì)已經(jīng)具備的條件進(jìn)行分析。
      圖1 動(dòng)車組維修體制發(fā)展趨勢(shì)
      
      （1）列車狀態(tài)信息感知網(wǎng)絡(luò)的完善。隨著動(dòng)車組數(shù)字化、智能化、集成化及列車控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，動(dòng)車組關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)控、車載自診斷功能和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能的不斷完善，為動(dòng)車組狀態(tài)預(yù)防修的實(shí)施提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以CRH380B（L）型動(dòng)車組為例，列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)行維修方式和策略、維修級(jí)別和周期。對(duì)牽引變流、轉(zhuǎn)向架、輔助電氣等關(guān)鍵系統(tǒng)，繼續(xù)完善車載感知網(wǎng)絡(luò)的診斷監(jiān)測(cè)功能，豐富并優(yōu)化傳感器輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部件的視情狀態(tài)修。
      四、動(dòng)車組視情維修的典型應(yīng)用
      以CRH380B型動(dòng)車組牽引變壓器散熱裝置清潔作業(yè)為例，中國(guó)鐵路總公司維修標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。該標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行過(guò)程中暴露出了“維修不足”的問(wèn)題，在早期執(zhí)行過(guò)程中多次發(fā)生因變壓器油溫過(guò)高導(dǎo)致動(dòng)車組減載、限速的問(wèn)題。為此，鐵路局在執(zhí)行過(guò)程中采取了加裝濾棉和縮短清潔周期的強(qiáng)化措施，如表3所示，但維修周期過(guò)于保守，存在“過(guò)度維修”、“成本浪費(fèi)”、“次生災(zāi)害”等問(wèn)題或隱患。
      表2 中國(guó)鐵路總公司針對(duì)牽引變壓器的維修標(biāo)準(zhǔn)
      
      表3 鐵路局針對(duì)牽引變壓器運(yùn)維強(qiáng)化措施
      
      按照視情維修的基本思想，通過(guò)對(duì)牽引變壓器散熱裝置性能惡化時(shí)的故障機(jī)理進(jìn)行分析，建立根據(jù)牽引變壓器散熱裝置的熱平衡油溫動(dòng)態(tài)判斷維修時(shí)機(jī)的策略，即當(dāng)牽引變壓器散熱裝置熱平衡溫度達(dá)到或超過(guò)70℃時(shí)，安排更換濾棉，當(dāng)濾棉更換時(shí)間間隔已短于或等于4天時(shí)，組織沖洗。
      選取1列CRH380B型動(dòng)車組進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，2016年4月19日至2016年5月4日期間按照4天的固定周期進(jìn)行換棉作業(yè)，5月5日至6月5日期間根據(jù)牽引變壓器油溫的變化趨勢(shì)判斷換棉作業(yè)時(shí)機(jī)，平均換棉周期達(dá)到10天，維修工作量減少了約60%。且由于維修的針對(duì)性強(qiáng)，試驗(yàn)驗(yàn)證期間未再發(fā)生牽引變壓器散熱裝置的相關(guān)故障，表現(xiàn)出維修安全性、預(yù)見(jiàn)性、針對(duì)性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。
      除牽引變壓器散熱裝置外，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)在二級(jí)修范圍內(nèi)對(duì)牽引電機(jī)、蓄電池、空調(diào)裝置、軸箱軸承等多個(gè)部件開(kāi)展視情維修的研究，以充分發(fā)揮視情維修體制的優(yōu)勢(shì)。
      五、動(dòng)車組修程修制優(yōu)化的建議
      通過(guò)對(duì)動(dòng)車組維修體制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的分析可知，我國(guó)動(dòng)車組維修體制已經(jīng)具備向“計(jì)劃預(yù)防修為主、視情維修輔助、事后維修補(bǔ)充”發(fā)展的條件，參考美國(guó)航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（ATA）發(fā)布的《運(yùn)營(yíng)人/制造廠預(yù)定維修大綱制訂文件—MSG-3》的理念，并結(jié)合我國(guó)動(dòng)車組維修特點(diǎn)制定動(dòng)車組維修策略邏輯決斷流程圖，建議未來(lái)在編制新型動(dòng)車組維修大綱或?qū)�既有�?dòng)車組檢修規(guī)程進(jìn)行修訂時(shí)，參照該邏輯決斷流程進(jìn)行判斷和評(píng)估。邏輯決斷流程的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。
      （1）邏輯決斷方法的使用。通過(guò)邏輯分析決斷的方法，可以快速地、正確地確定維修體制、維修項(xiàng)點(diǎn)、維修修程、維修方式等關(guān)鍵要素，科學(xué)地指導(dǎo)維修大綱的建立。
      （2）視情維修體制的應(yīng)用。視情維修可以通過(guò)發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患而開(kāi)展針對(duì)性維修，凡是具備實(shí)施視情維修條件的，都應(yīng)該優(yōu)先開(kāi)展?fàn)顟B(tài)預(yù)防修。
      （3）故障模式的深度分析。根據(jù)不同部件的不同故障模式危害程度的不同，辨識(shí)動(dòng)車組關(guān)鍵部件、重要部件和一般部件，分別采取針對(duì)性的維修策略，在確保動(dòng)車組安全性和使用性的前提下，最大程度地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性維修的目標(biāo)。
      （4）主動(dòng)辨識(shí)設(shè)計(jì)類源頭問(wèn)題。任何維修方式都無(wú)法解決動(dòng)車組的設(shè)計(jì)缺陷，因此，必須通過(guò)維修數(shù)據(jù)的積累和分析，將設(shè)計(jì)類的源頭問(wèn)題反饋至設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中去，以從根本上改善和提高動(dòng)車組的可靠性。
      六、展望
      本文回顧了軌道裝備的修程修制發(fā)展歷程，分析了當(dāng)前存在的不足，并論證了開(kāi)展視情維修的可行性。文章以CRH380B型動(dòng)車組牽引變壓器散熱裝置清潔為例，運(yùn)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和健康預(yù)警預(yù)測(cè)模型的手段對(duì)清潔作業(yè)進(jìn)行了視情維修的探索，充分驗(yàn)證其可行性。本文最后分析了動(dòng)車組修程修制發(fā)展趨勢(shì)，提出了新的動(dòng)車組維修大綱和修程編制依據(jù)。
      本文所提方法仍處在理論探索和實(shí)踐驗(yàn)證階段，研究的部件和對(duì)象仍不足，作者所在研究團(tuán)隊(duì)將長(zhǎng)期致力于動(dòng)車組健康管理系統(tǒng)的深入研究，后期將運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析挖掘、物理失效模型、可靠性模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及預(yù)警預(yù)測(cè)模型等方法手段對(duì)動(dòng)車組的牽引電機(jī)、輪對(duì)軸承、空調(diào)系統(tǒng)等13個(gè)關(guān)鍵部件及子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和全周期健康狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警預(yù)測(cè)分析，并構(gòu)建動(dòng)車組健康評(píng)價(jià)指標(biāo)和健康度指數(shù)模型等狀態(tài)評(píng)判依據(jù)，為修程修制的優(yōu)化提供理論和實(shí)踐支撐，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組全生命周期的健康管理。
      隨著現(xiàn)代維修理論的不斷發(fā)展、動(dòng)車組運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的不斷積累、信息技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，視情維修將完善和解決當(dāng)前維修體制下“維修不足”、“過(guò)度維修”等不足，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)動(dòng)車組維修向“計(jì)劃預(yù)防修為主、視情維修輔助、事后維修補(bǔ)充”的發(fā)展具有重要意義。
      作者：1、周斌、謝名源  單位：上海鐵路局高鐵運(yùn)維技術(shù)中心  2、吳克明  上海鐵路局上海動(dòng)車段