李希寧，李忠厚，張奕奕

（1 南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基于維修性預計的機車網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計改進*

李希寧1，李忠厚2，張奕奕1

（1 南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基于時間累積法，介紹機車維修性預計的常用方法和程序。通過分析網(wǎng)側(cè)柜維修性預計結(jié)果，提出網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計存在的問題及改進措施。最后闡述了維修性預計對機車設(shè)計的指導作用以及在設(shè)計階段開展維修性預計的重要性。

網(wǎng)側(cè)柜；維修性預計；平均修復時間；故障率

和諧型機車已陸續(xù)進入相應(yīng)的修程，機車的維護檢修成本越來越受到鐵路運輸部門的重視。在機車全壽命周期成本構(gòu)成中，運用維修成本約占機車全壽命周期成本的70～80%左右。因此，如何減少運用維修成本，是降低機車全壽命周期成本的關(guān)鍵。

對機車運用維修成本的控制，與機車的可靠性和維修性密切相關(guān)。機車的可靠性和維修性是設(shè)計賦予的固有特性，一旦產(chǎn)品定型，其可靠性和維修性基本上已經(jīng)確定下來。因此，在設(shè)計初期重視維修性設(shè)計與分析工作，以較少的投入，可減少后續(xù)產(chǎn)品的維修停時、簡化維修，從而提高機車的可用度，降低全壽命周期成本，這對于高速重載運輸具有重要的經(jīng)濟效益。

以某和諧機車網(wǎng)側(cè)柜為例，說明基于時間累計法的網(wǎng)側(cè)柜維修性預計的過程。根據(jù)網(wǎng)側(cè)柜維修性預計結(jié)果，分析網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計存在的問題，及時采取相應(yīng)的解決措施。闡述了利用維修性預計分析結(jié)果指導設(shè)計改進的重要性，強調(diào)在產(chǎn)品性能設(shè)計的同時，關(guān)注維修性設(shè)計，對于提高機車的維修性具有重要意義。

1　機車維修性及維修性預計簡介

維修性是指在規(guī)定的條件下，使用規(guī)定的程序和資源進行維修時，對于給定使用條件下的產(chǎn)品在規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，能完成指定的實際維修工作的可能性。機車維修性可以從定性和定量兩個方面進行評價。維修性定性要求是滿足定量指標的必要條件，而定量指標又是通過定性特點在保障條件約束下來實現(xiàn)的。定性要求通常是指維修性設(shè)計準則，如可達性設(shè)計、維修簡化設(shè)計、維修安全性設(shè)計、標準化和模塊化設(shè)計、檢測診斷設(shè)計、防差錯/標識設(shè)計等。定量要求是指明確選用的評價參數(shù)和指標，如平均修復時間（M ean Time to Restore，M T T R）和平均維修時間（M ean Time to M aintenance，M T T M）等。本文采用平均修復時間對機車及其部件進行維修性評價。

維修性預計通常以歷史經(jīng)驗和類似產(chǎn)品的維修性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對新產(chǎn)品的設(shè)計方案或已有的設(shè)計方案，預估在規(guī)定條件下開展維修時的機車維修性水平，以了解設(shè)計滿足維修要求的程度。

我國的維修性工程起步較晚，直到進入20世紀80年代，才在軍工產(chǎn)品上開始應(yīng)用。隨著中國鐵路的快速發(fā)展，為了提高軌道裝備的可靠性、維修性、安全性及降低其全壽命周期成本，維修性工程在軌道交通領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已成為非常迫切的要求。與可靠性預計相比，維修性預計的難度要大一些，因為它不僅與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、可靠性等內(nèi)在屬性有關(guān)，而且與機車的維修方法、維修體制等綜合后勤保障因素有關(guān)，例如維修人員的技能水平，以及所使用的工具、測試設(shè)備、保障設(shè)施等，因此，維修性預計必須考慮與規(guī)定的保障條件相一致。

目前，維修性預計方法主要依據(jù)軍用標準GJB/Z 57—1994提供的205時間累計法，這是由于目前機車可靠性、維修性數(shù)據(jù)積累有限，而時間累計法具有較強的可操作性和工程實用性，在工程中已得到了廣泛的應(yīng)用，被認為是進行維修性預計的首先方法。時間累計法是一種比較細致的維修性預計方法。它根據(jù)歷史經(jīng)驗或現(xiàn)有的數(shù)據(jù)、圖表，對照機車的設(shè)計方案和維修保障條件，逐步確定每個在線可更換單元（Line Removable Unit，LR U）、每項維修活動甚至每項基本維修作業(yè)所需的時間，然后通過累加或加權(quán)進行維修性預計，計算出系統(tǒng)的平均修復時間，其數(shù)學模型如下：

式中Tn為第n 個L R U的平均修復時間；λnk為第n個L R U的第k種故障模式的模式故障率；Tnk為對第n個L R U的第k種故障模式進行的所有維修活動耗時，每項維修活動耗時等于對應(yīng)的各項基本維修作業(yè)耗時之和；K 為第n個L R U的故障模式總數(shù)。

式中M T T Rn為系統(tǒng)的平均修復時間；λn為第n個L R U的故障率，通過可靠性預計得出或由供應(yīng)商提供；N為L R U的總數(shù)量。

2　機車網(wǎng)側(cè)柜維修性預計分析

在機車設(shè)計期間，同步開展了機車維修性預計工作。根據(jù)機車整車維修性預計結(jié)果，發(fā)現(xiàn)供電子系統(tǒng)平均修復時間較大，是對整車修復性維修貢獻最大的子系統(tǒng)?，F(xiàn)將供電子系統(tǒng)維修性預計過程說明如下。

供電系統(tǒng)是電力機車的子系統(tǒng)之一，主要包括受電弓、真空主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器、高壓電纜總成、高壓電流互感器、接地電流互感器、回流接地裝置、車頂絕緣子、主變壓器等部件。其中，真空主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器安裝在網(wǎng)側(cè)柜；主變壓器含油泵、布赫繼電器、A端子等部件。供電子系統(tǒng)系統(tǒng)分解見表1。

根據(jù)式（1），計算得出供電子系統(tǒng)各L R U的平均修復時間見表2。

根據(jù)式（2），供電系統(tǒng)平均修復時間預計結(jié)果如下：

供電子系統(tǒng)λnTn分布如圖1。

從圖1分析可以得出，供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)柜中主斷路器的平均修復時間與其故障率的乘積值較高，是對供電子系統(tǒng)的維修性水平貢獻較大的零部件，決定了供電子系統(tǒng)的修復性維修水平。因此，影響供電子系統(tǒng)修復性維修水平的關(guān)鍵部件是網(wǎng)側(cè)柜中的真空主斷路器。必須加以改進，才能降低供電子系統(tǒng)平均修復時間，確保機車整車平均修復時間較低。

表1　供電系統(tǒng)系統(tǒng)分解表（以某8軸機車為例）

表2　供電系統(tǒng)平均修復時間計算

圖1　供電子系統(tǒng)λnTn分布圖

3　網(wǎng)側(cè)柜維修性設(shè)計存在的問題及分析

機車網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)安裝部件包括真空主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器等，柜體空間十分有限，真空斷路器安裝于網(wǎng)側(cè)柜底部。

根據(jù)檢修要求，真空主斷路器在每年冬季之前需排放氣路，以免積水凍結(jié)氣動元件而產(chǎn)生誤操作；真空斷路器調(diào)壓閥、儲風缸每年在冬季來臨之前需進行一次排水。

真空主斷路器需要排水的儲風缸和調(diào)壓閥排水口位于底板下方。在原設(shè)計方案中，斷路器氣路機構(gòu)安裝有保護罩，沒有預留調(diào)壓閥排水的空間，導致調(diào)壓閥無法直接排水，需要將頂蓋吊開后將主斷路器從網(wǎng)側(cè)柜中吊出排水，檢修時間大大增加，給檢修帶來較大困難，檢修執(zhí)行難度大，具體見圖2、圖3。

圖2　機車網(wǎng)側(cè)柜布置圖　

圖3　儲風缸、調(diào)壓閥位置示意圖

要提高真空主斷路器的維修性水平，可以通過降低網(wǎng)側(cè)柜的平均修復時間或者降低網(wǎng)側(cè)柜的故障率來降低供電子系統(tǒng)以及整車的平均修復時間，具體做法是重新選型或者改進設(shè)計，使其更加方便維修，從而減少網(wǎng)側(cè)柜的平均修復時間。其核心目的是實現(xiàn)在無需吊頂蓋的情況下，實現(xiàn)主斷路器的排水。

4　網(wǎng)側(cè)柜維修性設(shè)計改進

為了在不吊頂蓋的情況下便于真空斷路器調(diào)壓閥、儲風缸的排水，對真空斷路器的維修性設(shè)計改進如下：

（1）采用針式排泄閥取代儲風缸排放口處的銅管堵，便于真空斷路器儲風缸排水；

（2）在保護罩調(diào)壓閥的安裝位置加開調(diào)壓閥排水孔，經(jīng)現(xiàn)場操作，可以通過該孔對調(diào)壓閥進行排水。

（3）在調(diào)壓閥排水孔周邊加裝密封墊邊保護，方便檢修人員對調(diào)壓閥進行排水安全操作。

經(jīng)過維修性設(shè)計改進，真空主斷路器的排水無需吊頂蓋，即可在機械間內(nèi)實現(xiàn)排水操作，大大簡化了機車維護檢修工作。

對設(shè)計改進后的機車供電子系統(tǒng)再次進行維修性預計，其維修性顯著提高，M T T R降低為5.58 h，供電子系統(tǒng)λnTn分布如圖4。

圖4　網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計改進后的供電子系統(tǒng)λnTn分布圖

5　結(jié)束語

維修性預計是機車設(shè)計和設(shè)計改進過程中必不可少且費用效益較好的維修性工作。機車維修性的好壞直接影響著維修工時、維修費用及維修質(zhì)量。通過改善維修性可顯著降低維修成本，提高機車效能。作為生產(chǎn)制造廠家，往往更多地關(guān)注產(chǎn)品的性能設(shè)計，對維修性設(shè)計考慮不夠，這種狀態(tài)很容易導致運用檢修成本的增加。維修性預計可在機車施工設(shè)計完成之前，對機車可能達到的維修性水平做出估計，以便及早避免設(shè)計的盲目性。同時，維修性預計是分析性工作，投入較少，而賦予機車較高的可靠性、較好的維修性，有利于提高機車的可用度，降低全壽命周期成本。

［1］ GJB/Z 57-1994.維修性分配與預計手冊［S］.

［2］ GJB/Z 145-2006.維修性建模指南［S］.

［3］ 甘茂治.維修性設(shè)計與驗證［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［4］ 董錫明.機車車輛運用可靠性工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］ 張奕奕.基于時間累積法的機車維修性預計分析［J］.電力機車與城軌車輛，2011，34（6）：65-68.

Im proved Design on Line Side Cubicle in Locomotive Based on M aintainability Prediction

LI Xining1，LI Zhonghou2，Z H A N G Yiyi1
（1 CSR Zhuzhou Electric Loco m otive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 H unan，China；2 Loco m otive&Car Research Institute，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the time-cumulated method，this paperintroduces the com mon method and process oflocomotive maintainabi l ity prediction.By analyzing the maintainabi l ity prediction resultforl ine side cubicle，the problem on design and improving measuresis putforward.Final ly，guidance to locomotive design from maintainabi l ity prediction and the importance carrying out maintainabi l ity prediction at design stage are presented.

line side cubicle；maintainability prediction；mean time to restore；fault rate

U269.1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.25

1008-7842（2015）05-0106-03

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（2013J006-A）

李希寧（1974—）男，教授級高級工程師（2015-05-12）