神華集團公司 張小圃

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交流機車與直流機車LCC對比分析與評估

神華集團公司 張小圃

該文從介紹機車壽命周期費用（LCC）模型的建立和費用構成入手，以“神華號”八軸交流傳動電力機車和SS4B型八軸交直傳動電力機車為例，對比分析了交流機車與直流機車LCC的計算過程和結果，指出了影響機車壽命周期費用的因素，闡述了應用LCC分析結果選擇大功率交流機車的依據(jù)。

壽命周期費用 交流機車 直流機車 對比分析

1 概述

壽命周期費用（Life Cycle Cost，LCC）是產(chǎn)品在其整個壽命周期中的累計費用，該理論發(fā)展至今已有60余年的歷史，并在軍事、石油、電力等領域得到廣泛應用。

電力機車車輛壽命周期費用是全面反映機車車輛系統(tǒng)財政資源的一套綜合參數(shù)，是指在整個車輛壽命周期內的研發(fā)、設計、生產(chǎn)、使用、維護保障及報廢處理等所有相關費用的總和。隨著企業(yè)生產(chǎn)效率的提高，企業(yè)對機車車輛的安全性、可靠性、可維護性以及使用維護成本等性能提出較高要求，要求機車車輛整個壽命周期費用低，且在壽命期內運營安全、維修方便。為滿足企業(yè)長遠發(fā)展，需要結合機車車輛的實際情況、對機車車輛整個壽命周期內各個階段的費用進行分析研究，以實現(xiàn)它們之間的優(yōu)化配置，達到提高產(chǎn)品性能和降低壽命周期成本的目的。

2 電力機車LCC建模

在電力機車LCC分析中，建立LCC模型直接關系到LCC分析是否準確有效。因此，有必要對LCC模型進行研究。

2.1 電力機車LCC模型

不同的產(chǎn)品所選擇和建立的LCC模型、分解結構是不一樣的。按照產(chǎn)品的硬件、軟件和壽命周期各階段的工作項目，將壽命周期費用逐級分解，直至基本費用單元。

本文依據(jù)IEC 60300-3-3《壽命周期費用分析》標準，將電力機車LCC分解為三維矩陣結構，對電力機車LCC分解為壽命周期階段、產(chǎn)品/工作分解結構和費用目錄三種類型,作為三個維度。根據(jù)LCC分析的目的和范圍，單獨確定和評價基本費用單元，將基本費用單元累加起來得出電力機車總LCC值。

費用目錄分解是費用分解矩陣的一項重要內容。它首先把壽命周期費用分解為幾個主費用單元，建立主費用模型；再將主費用分解為子費用單元，建立子費用模型，根據(jù)需要對子費用單元繼續(xù)分解直到相應的基本費用單元模型。最后將各費用模型匯總得到壽命周期費用模型。

2.2 電力機車LCC構成

電力機車壽命周期費用可以分為研發(fā)費用、生產(chǎn)費用、運用和維修費用、不可用費用、退役處置費用等五項主費用項目。公式如下：

2.2.1電力機車研發(fā)費用

電力機車研發(fā)費用是指從項目論證、設計、研制、試驗、定型等各階段所發(fā)生的費用，主要包括論證費用、研制費用、試驗費用、管理費用等。公式如下：

2.2.2電力機車生產(chǎn)費用

電力機車生產(chǎn)費用分為直接費用和間接費用。直接費用是機車生產(chǎn)過程中直接發(fā)生的費用，包括材料費用、能耗費用、人員工資及福利費用、工裝（包括工具、刀具）費用、廢品損失費用等；間接費用是用于生產(chǎn)過程管理的期間費用，包括設備（設施）折舊費用、運輸費用、其他生產(chǎn)管理費用等。公式如下：

2.2.3電力機車運用和維修費用

機車運用費用也叫使用費用。機車運維費用計算公式如下：

式中：C為運用費用， C為維修費用。

壽命周期費用中，運用和維修費用是最為重要的一項費用，占壽命周期費用的絕大部分，是無形的，很難預測，尤其在早期設計階段缺乏可見性，因此在決策過程中存在不確定性和風險。

2.2.3.1電力機車運用費用

電力機車運用費用包括能耗費用、消耗品費用、司乘人員工資、使用管理費用、人員培訓及資料費用等。公式如下：

式中： C為能耗費用， C為消耗品費用， C為司乘人員工資， C為運用管理費用，C為人員培訓及資料費用。

2.2.3.2電力機車維修費用

電力機車維修費用是壽命周期費用中最為復雜的一項費用，包括定期預防性維修費用、修復性維修費用和維修管理費用。公式如下：

式中： C為定期預防性維修費用， C為修復性維修費用， C為維修管理費用。

合理提高機車的可靠性和維修性，是降低機車壽命周期費用的有效途徑。機車維修策略和維修方式的合理定制對降低維修費用也是非常重要的。

維修費用一般以年度計算，根據(jù)年度維修費用再折算成壽命周期維修費用。

（1）年度定期預防性維修費用

年度定期預防性維修費用包括備件消耗費用、工時費用、耗材費用、后勤保障費用等。公式如下：

式中：N為每年定期預防性維修的次數(shù)，T每次定期預防性維修所需的工時總數(shù)，C為每個維修工時的人工費用，C為每次定期預防性維修所需的備件費用，C為每次定期預防性維修所需的耗材費用，C為每年定期預防性維修的后勤保障費用。

定期預防性維修有不同的維修等級和維修活動。

（2）年度修復性維修費用

年度修復性維修費用包括修復性工作消耗的備件費用、工時費用、耗材費用、后勤保障費用等。公式如下：

式中：N為每年修復性維修的次數(shù)，T為每次修復性維修所需的工時總數(shù)，C為每個維修工時的人工費用，C為每次修復性維修所需的備件費用，C為每次修復性維修所需的耗材費用，C為每年修復性維修的后勤保障費用。

（3）年度維修管理費用

維修管理費用包括后勤、運用和培訓費用等。公式如下：

式中：C、C、C為每年的后勤、運用、培訓費用；T、T、T為每年的后勤、運用、培訓工時數(shù)；C、C、C為每個后勤、運用、培訓工時的人工費用。

2.2.4電力機車不可用費用

不可用費用是電力機車由于故障不得不中斷使用，進行計劃外維修所喪失的使用收益費用，還包括由于中斷使用造成的其他費用損失，如機車發(fā)生機破阻塞線路影響其他列車的正常運行。根據(jù)機車故障后果不同，可分為幾個等級，如救援、機破、臨修等，分別計算各故障等級的不可用費用再累加匯總。公式如下：

式中：N為產(chǎn)品壽命周期內第i個等級故障發(fā)生次數(shù)，C為第i個等級故障平均不可用費用，k為劃分的故障等級數(shù)。

2.2.5電力機車退役處置費用

退役處置費用是指電力機車使用到報廢時的殘值與報廢后處置費用（包括機車處置、庫存?zhèn)浼幹?、資料存檔管理及其他費用）的差值。該值可能為正或負值。公式如下：

式中：C為機車報廢后的處置費用，C為機車報廢時的殘值。

3 “神華號”八軸交流傳動電力機車與SS4B型八軸電力機車LCC對比分析

下面以“神華號”八軸交流傳動電力機車和SS4B型八軸電力機車為例，對電力機車策劃階段的LCC進行分析。由于目前數(shù)據(jù)收集所限，僅對機車生產(chǎn)費用、運用維修費用進行估算分析。機車研發(fā)費用、不可用費用和退役處置費用未作具體估算分析。

3.1 LCC分析假設條件

（1）神華鐵路電力機車工作條件

運行線路：神華鐵路；設計速度：120km/h；年運行里程20萬公里；預期使用壽命為30年。

（2）神華電力機車運行環(huán)境條件

工作環(huán)境溫度：－40℃～＋40℃；海拔高度≤2000m；最大相對濕度95%（月平均最低溫度不低于20 oС）；能承受風、沙、雨、雪、煤塵和偶有沙塵暴的侵襲。

（3）機車預防性維修檢修周期見表1和表2。

表1 “神華號”八軸機車預防性維修周期

表2 SS4B型機車預防性維修周期

3.2 機車產(chǎn)品分解結構、費用分解結構

兩種機車產(chǎn)品按照車體、轉向架、電氣系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、通風系統(tǒng)及其他設備五部分逐級向下分解。

根據(jù)機車產(chǎn)品結構，細化分解機車生產(chǎn)費用和運用維修費用中的使用費用、預防性維修費用和修復性維修費用。

3.3 費用估算方法

機車策劃階段的LCC分析采用類比估算的方法，是考慮LCC分析的資源要求、數(shù)據(jù)要求來選擇的費用估算方法。

3.4 數(shù)據(jù)收集和費用估算

收集數(shù)據(jù)及LCC估算時根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性恰當選取產(chǎn)品結構的級別進行LCC估算。以既有機車經(jīng)驗和數(shù)據(jù)為基礎進行估算分析。估算時，考慮到機車彼此之間的異同和時間、條件上的差別，對估算值做適當修正。

3.5 LCC計算過程

機車全壽命周期成本（LCC）是全面反映機車總體資金消耗的綜合參數(shù)，是機車整個運用周期內（30年）購置、運營、維護等所有相關費用的總和。

3.5.1數(shù)據(jù)收集

（1）機車全壽命周期30年，機車牽引定數(shù)：神華八軸電力機車牽引1萬噸，SS4B型電力機車牽引0.5萬噸；

（2）神華八軸機車年平均運行22萬公里，SS4B型機車年平均運行18萬公里；

（3）機車單位耗電量：神華八軸為59度/萬噸·公里，SS4B型機車為78度/萬噸·公里；

（4）電價0.55元/度，運價140元/萬噸·公里；

（5）管理成本=人工費用+基本運營費用。管理成本包括機車運營所需的人工費用、庫存器材費用、倉庫保管費用、文件資料費用、保險費用等。人工費用主要為司乘人員工資，按照每臺機車配備6名司乘人員測算，計算標準10萬元/人年，按每年5%遞增；基本運營費用按行業(yè)標準2元/車·公里。

3.5.2購置成本

SS4B型電力機車單臺購置成本：1 × 1550萬元=1550萬元。神華號八軸電力機車單臺購置成本：1 × 3350萬元=3350萬元。

3.5.3維修成本

根據(jù)機車修程規(guī)定，結合筆者多年電力機車修造經(jīng)驗，估算得出神華機車和SS4B型機車在全壽命周期內發(fā)生的維修費用如表3、表4所示，神華機車約4065.47萬元，SS4B型機車約3077.88萬元。

表3 SS4B型電力機車維修成本計算

表4 神華八軸電力機車維修成本計算

3.5.4 管理成本

SS4B機車管理成本=人工費用+基本運營費=6×單人工資+年數(shù)×年運行公里×2元/車·公里，合計5066.33萬元。

神華機車管理成本=人工費用+基本運營費=6×單人工資+年數(shù)×年運行公里×2元/車·公里，合計5306.33萬元。

3.5.5能耗成本

已知：SS4B機車萬噸·公里耗電量78kWh，合計42.9元；神華機車萬噸·公里耗電量59kWh，合計32.45元。

計算結果：

SS4B機車能耗成本：42.9元/萬噸·公里× 0.5萬噸× 18萬公里/年× 30年=11583萬元。

神華機車能耗成本：32.45元/萬噸·公里× 1萬噸× 22萬公里/年× 30年=21417萬元。

3.5.6總成本

SS4B型機車總成本：1550+3077.88+5066.33+11583= 21277.21（萬元）；其中，總運量：270萬（萬噸·公里）；單位運量成本：78.8元/萬噸·公里。

神華機車總成本：3350+4065.47+5306.33+21417=34138.8（萬元）；其中，總運量：660萬（萬噸·公里）；單位運量成本：51.73元/萬噸·公里。

3.6 LCC對比分析與評估

綜合以上計算結果，將單臺機車30年壽命期LCC各項費用及收入進行對比，如表5～表8所示。

表5 機車LCC匯總對比表 （單位：萬元）

全壽命周期成本費用分解神華八軸交流機車SS4B直流機車SS4B 用于萬噸列車牽引（2臺） 金額百分比(%)金額百分比(%)金額百分比(%) 全壽命周期成本機車運營前期費用機車購置成本33509.815507.331007.3 運營與維護費用機車管理成本基本運營費用13203.910805.121605.1 人工費用3986.3311.73986.3318.77972.6618.7 能耗成本2141762.71158354.42316654.4 維修成本4065.4711.93077.8814.56155.7614.5 全壽命周期成本總計34138.8021277.2142554.42

注：八軸交流機車牽引定數(shù)為1萬噸，SS4B直流機車為0.5萬噸。

表6 八軸交流機車與SS4B的對比（朔黃鐵路）(單位：萬元)

注：運價按140元/萬噸·公里計算。

表7 用于萬噸列車牽引時，八軸交流機車與SS4B成本、 收入對比表（朔黃鐵路） （單位：萬元）

注：運價按140元/萬噸·公里計算。

表8 按30年周期實現(xiàn)660萬( 萬噸·公里) 的運輸目標，機車成本、收入對比表 （單位：萬元）

注：運價按140元/萬噸·公里計算。

從上文分析可以得出，“神華號”八軸電力機車與SS4B型八軸電力機車牽引萬噸列車時，“神華號”LCC較SS4B型機車節(jié)約費用約8698.26萬元。各項成本構成中，神華號八軸機車與SSB4機車購置費用基本相當（SS4B需2臺牽引萬噸列車），基本運營管理費、人工費、能耗成本、維修成本“神華號”八軸機車均較SS4B機車有大幅度降低。在電力機車壽命周期費用中，神華機車生產(chǎn)費用占整個壽命周期費用的11.5%；運營維修費用占整個壽命周期費用的88.5%。機車維修費用占全部運用維修費用的22.3%；預防性維修費用占全部維修費用的80.1%；機車使用費用占整個壽命周期費用的68.8%。

因此，神華機車生產(chǎn)費用、運用維護費用中的預防性維修費用和修復性維修費用占機車壽命周期費用的比例相對較低，說明目前的檢修體系在一定程度上比較合理。如果需進一步降低維修成本，必須運用RAMS工程技術，對修程修制做進一步的優(yōu)化研究。

圖1為神華機車壽命周期費用分布比例圖，從圖中可以看出，機車使用費用所占比例較高，如果優(yōu)化機車管理，降低能耗，將會存在較大的降幅空間。

圖1 電力機車壽命周期費用分布

綜上所述，從機車全壽命周期成本的角度分析，選用大功率交流傳動電力機車的優(yōu)越性是顯而易見的，這也是電力機車的發(fā)展方向。在保證機車使用性能、RAMS的前提下，對交流機車整個壽命周期內的分項費用進行計算、分析、鑒定和評價，優(yōu)化設計，調整運用維修方案、保障資源的合理配置，可進一步降低交流電力機車壽命周期費用，滿足機車用戶的需求。

4 結束語

電力機車壽命周期費用分析技術在國際上已經(jīng)被廣泛應用，在國內也越來越引起制造廠家和采購方的共同關注。為了盡快實現(xiàn)神華鐵路技術裝備與國際接軌，提高電力機車在運輸生產(chǎn)中的優(yōu)勢和競爭力，開展電力機車壽命周期費用分析研究非常有必要。

深入研究機車壽命周期總費用，在機車設計階段開展與機車性能、結構強度并行的RAMS設計，不但使機車性能穩(wěn)定、品質優(yōu)良，運用可靠、便于維修，而且會使鐵路運營的綜合效益得以提高。本文通過神華號八軸電力機車和SS4B型機車LCC的模型分析、實例應用，希望能夠對電力機車壽命周期費用的計算、分析和評價提供參考，但在實際應用中還應就具體項目技術做進一步的細化和完善。

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