動車組維修體制現(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。
      國內(nèi)外很多學(xué)者對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CRH2型動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)方法和模型對現(xiàn)有修程修制進(jìn)行綜合評價，也有學(xué)者從設(shè)計研究角度對動車組的修程修制的規(guī)劃和合理性進(jìn)行分析研究。基于此，本文對動車組維修體制現(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)簡單、故障后果不嚴(yán)重的裝備，如生活中對自行車的維修、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，即通過對裝備進(jìn)行系統(tǒng)性檢查、設(shè)備測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）是推動預(yù)防性維修理論發(fā)展的最重要的思想，根據(jù)對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)歷了計劃預(yù)防修和視情維修2個階段：
      （1）計劃預(yù)防修（Periodic Maintenance）。計劃預(yù)防修也叫定期維修，是指依據(jù)相對固定的周期（時間或使用壽命）進(jìn)行的預(yù)防性維修。計劃預(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，每個裝備因個體差異有不同的狀態(tài)退化曲線，通過這些退化曲線可以計算出裝備的壽命分布情況，當(dāng)給定失效風(fēng)險概率后，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，是指無固定維修周期的、根據(jù)部件運(yùn)行狀態(tài)演變趨勢而決定是否進(jìn)行維修的預(yù)見性維修。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裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時評價，在有維修需求時才進(jìn)行的預(yù)見性維修。
      二、動車組維修體制現(xiàn)狀
      我國動車組目前實(shí)行的是“計劃預(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、時間周期為輔的模式。
      1、國內(nèi)動車組維修體制現(xiàn)狀
      我國動車組維修修程共分為5級，其中一、二級檢修為運(yùn)用檢修，三、四、五級檢修為高級檢修，如表1所示。
      表1 動車組計劃預(yù)防修周期表 
      
      一級檢修以目視檢查和功能測試為主；二級檢修在目視檢查和功能測試的基礎(chǔ)上，增加了性能檢測和維護(hù)保養(yǎng)等內(nèi)容；三級檢修主要對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行分解檢修，對制動、牽引、空調(diào)等系統(tǒng)進(jìn)行性能測試和維護(hù)保養(yǎng)；四級檢修主要對動車組各系統(tǒng)進(jìn)行分解檢修；五級檢修是對全車進(jìn)行分解檢修，較大范圍地更新零部件。
      2、國外動車組維修體制現(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個等級的修程：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），此外還有臨時檢查和運(yùn)行檢查組成的2類臨時性檢查。德國ICE高速列車維修體系以計劃預(yù)防修為總體框架，采用定期檢測、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)行時間計劃實(shí)施各級檢修，主要有L級檢查、N級檢查、IS510級檢查、IS520級檢查、IS530級檢查、IS540級檢查以及大修（Rev）等修程。法國高速列車TGV的維修體制也大致類似，以計劃預(yù)防修為主體，分為運(yùn)營檢查、定期檢查、定期部件更換等幾級修程。
      歐洲以德國為代表的高速列車檢修采用了先進(jìn)的車載故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)、豐富的信息感知網(wǎng)絡(luò)、多種地面智能檢測診斷設(shè)備、車地實(shí)時通信、車輛綜合檢修信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，因此各級修程規(guī)定的內(nèi)容都以例行檢查為主，對轉(zhuǎn)向架、高壓牽引、制動等關(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、我國動車組維修體制分析
      我國動車組目前采用的維修體制基本滿足了動車組運(yùn)行安全的需求，但隨著對全壽命周期內(nèi)動車組服役性能退化規(guī)律研究的深入，發(fā)現(xiàn)計劃預(yù)防修體制在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在不少的弊端和不足。
      （1）維修不足。一方面，由于動車組高度的集成化、復(fù)雜化、一體化，故障規(guī)律不再簡單地遵循機(jī)械磨損理論，簡單地按照固定周期進(jìn)行維修已無法防止功能故障的發(fā)生；另一方面，由于設(shè)備的個體性差異實(shí)際存在，而制定維修周期間隔時考慮的風(fēng)險失效概率不可能覆蓋所有個體，所以計劃預(yù)防修體制必然存在維修不足的問題。對于關(guān)鍵部件來說，維修不足問題帶來的后果是嚴(yán)重的，將直接危害動車組的運(yùn)行安全。
      （2）過度維修。鑒于動車組運(yùn)行工況的差異、部件個體性能的差異、部件制造工藝的差異等因素，在確定動車組設(shè)備維修周期時往往過于保守，以保證足夠低的風(fēng)險失效概率。所以，對于大部分的動車組部件來說，存在過度維修問題。
      （3）次生災(zāi)害風(fēng)險高。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，不必要的過度維修實(shí)際增加了作業(yè)類問題的發(fā)生，在這些年的動車組運(yùn)維過程中作業(yè)類故障或事故并不鮮見。
      （4）運(yùn)用效率低。無論是因?yàn)?ldquo;過度維修”占用的維修修時，還是因?yàn)?ldquo;維修不足”導(dǎo)致的故障維修修時，或者是診斷監(jiān)測裝置設(shè)備的不足，都勢必影響動車組的運(yùn)用效率。根據(jù)統(tǒng)計，2015年全路動車組平均檢修率達(dá)14.22%，這意味著目前全路每天有大量動車組處于檢修狀態(tài)而無法上線運(yùn)營，75%左右的平均上線率和德國等國家90%左右的上線率相比，仍有較大差距。
      （5）維修成本浪費(fèi)。“過度維修”帶來的最大影響就是不必要的維修產(chǎn)生的成本浪費(fèi)，同時導(dǎo)致人力成本的居高不下。根據(jù)美國國家統(tǒng)計局過去的研究資料，計劃預(yù)防修體制下裝備維修費(fèi)用中有近1/3是由于“過度維修”造成的浪費(fèi)。
      三、動車組視情維修的可行性分析
      我國動車組維修體制的發(fā)展趨勢如圖1所示。當(dāng)前動車組維修體制仍以計劃預(yù)防修和事后維修相結(jié)合為主，隨著動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)測等技術(shù)手段的運(yùn)用，我國已經(jīng)具備對動車組部分部件開展視情維修的能力，動車組維修體制也已經(jīng)具備向“計劃預(yù)防修為主、視情維修輔助、事后維修補(bǔ)充”發(fā)展的條件，以下對已經(jīng)具備的條件進(jìn)行分析。
      圖1 動車組維修體制發(fā)展趨勢
      
      （1）列車狀態(tài)信息感知網(wǎng)絡(luò)的完善。隨著動車組數(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）型動車組為例，列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）對動車組的運(yùn)行維修方式和策略、維修級別和周期。對牽引變流、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、動車組視情維修的典型應(yīng)用
      以CRH380B型動車組牽引變壓器散熱裝置清潔作業(yè)為例，中國鐵路總公司維修標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。該標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行過程中暴露出了“維修不足”的問題，在早期執(zhí)行過程中多次發(fā)生因變壓器油溫過高導(dǎo)致動車組減載、限速的問題。為此，鐵路局在執(zhí)行過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，但維修周期過于保守，存在“過度維修”、“成本浪費(fèi)”、“次生災(zāi)害”等問題或隱患。
      表2 中國鐵路總公司針對牽引變壓器的維修標(biāo)準(zhǔn)
      
      表3 鐵路局針對牽引變壓器運(yùn)維強(qiáng)化措施
      
      按照視情維修的基本思想，通過對牽引變壓器散熱裝置性能惡化時的故障機(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態(tài)判斷維修時機(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70℃時，安排更換濾棉，當(dāng)濾棉更換時間間隔已短于或等于4天時，組織沖洗。
      選取1列CRH380B型動車組進(jìn)行試驗(yàn)對比驗(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判斷換棉作業(yè)時機(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)見性、針對性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢。
      除牽引變壓器散熱裝置外，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，同時在二級修范圍內(nèi)對牽引電機(jī)、蓄電池、空調(diào)裝置、軸箱軸承等多個部件開展視情維修的研究，以充分發(fā)揮視情維修體制的優(yōu)勢。
      五、動車組修程修制優(yōu)化的建議
      通過對動車組維修體制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的分析可知，我國動車組維修體制已經(jīng)具備向“計劃預(yù)防修為主、視情維修輔助、事后維修補(bǔ)充”發(fā)展的條件，參考美國航空運(yùn)輸協(xié)會（ATA）發(fā)布的《運(yùn)營人/制造廠預(yù)定維修大綱制訂文件—MSG-3》的理念，并結(jié)合我國動車組維修特點(diǎn)制定動車組維修策略邏輯決斷流程圖，建議未來在編制新型動車組維修大綱或?qū)�既有動車組檢修規(guī)程進(jìn)行修訂時，參照該邏輯決斷流程進(jìn)行判斷和評估。邏輯決斷流程的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在4個方面。
      （1）邏輯決斷方法的使用。通過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。視情維修可以通過發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患而開展針對性維修，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，辨識動車組關(guān)鍵部件、重要部件和一般部件，分別采取針對性的維修策略，在確保動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）主動辨識設(shè)計類源頭問題。任何維修方式都無法解決動車組的設(shè)計缺陷，因此，必須通過維修數(shù)據(jù)的積累和分析，將設(shè)計類的源頭問題反饋至設(shè)計環(huán)節(jié)中去，以從根本上改善和提高動車組的可靠性。
      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，并論證了開展視情維修的可行性。文章以CRH380B型動車組牽引變壓器散熱裝置清潔為例，運(yùn)用實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測和健康預(yù)警預(yù)測模型的手段對清潔作業(yè)進(jìn)行了視情維修的探索，充分驗(yàn)證其可行性。本文最后分析了動車組修程修制發(fā)展趨勢，提出了新的動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，研究的部件和對象仍不足，作者所在研究團(tuán)隊將長期致力于動車組健康管理系統(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)動以及預(yù)警預(yù)測模型等方法手段對動車組的牽引電機(jī)、輪對軸承、空調(diào)系統(tǒng)等13個關(guān)鍵部件及子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時和全周期健康狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警預(yù)測分析，并構(gòu)建動車組健康評價指標(biāo)和健康度指數(shù)模型等狀態(tài)評判依據(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”、“過度維修”等不足，對于推動我國動車組維修向“計劃預(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  上海鐵路局上海動車段