錢銘， 呂曉春， 黃成榮

（1.中國國家鐵路集團有限公司 機輛部，北京 100844；2.中國國家鐵路集團有限公司 辦公廳，北京 100844）

1 概述

截至2020年7月底，我國鐵路營業(yè)里程突破14萬km，其中，高速鐵路營業(yè)里程達到3.6萬km，繼續(xù)保持世界第一位。匹配宏大的路網(wǎng)，我國鐵路配屬了大量動車組、機車、客車和貨車，機車車輛品種涵蓋不同速度等級、不同軸重等級、不同動力方式、不同功率范圍和不同運行環(huán)境。復(fù)興號動車組實現(xiàn)350 km/h商業(yè)運營速度、單列年運行里程最高近80萬km；大秦鐵路重載運輸實現(xiàn)單列運量2.1萬t、年運量4.5億t；青藏鐵路機車車輛保持10余年安全運行。我國機車車輛運用總體表現(xiàn)優(yōu)異，高速鐵路、重載鐵路、高原高寒鐵路機車車輛均達到世界先進水平。

同時，為確保運輸安全，保持和發(fā)揮機車車輛服役期內(nèi)應(yīng)有的效能和效率，需要持續(xù)養(yǎng)護和維修，特別是隨著我國動車組、交流傳動機車等新型裝備配屬數(shù)量的快速增長、修程的逐步深入，機車車輛維護檢修費用也逐年攀升，在運輸成本中占比不斷提高［1-3］。節(jié)約機車車輛檢修成本、提高運用效率等面臨很多現(xiàn)實課題，突出體現(xiàn)在以下方面：

（1）研發(fā)設(shè)計時普遍存在重視性能、輕視效能問題。在傳統(tǒng)理念長期影響下，設(shè)計制造企業(yè)重點研究提升機車車輛速度、功率等性能指標，而對可靠性、可用性、維修性、安全性（Reliability Availability Maintainability and Safety，RAMS）及故障預(yù)測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）的設(shè)計規(guī)劃不足［4］，導致整車與部件修程周期不匹配、檢修不方便、監(jiān)測不全面的現(xiàn)象依然普遍存在。

（2）缺少機車車輛購置費用和使用成本的綜合研究。隨著機車車輛技術(shù)性能的提升，購置、使用、維修成本均大幅攀升，全生命周期內(nèi)的使用和維修費用常常是購置費的數(shù)倍。運用全生命周期費用評價手段，引導機車車輛購置費、使用費、維修費更加合理、協(xié)調(diào)、透明，實現(xiàn)機車車輛全生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）最匹配，值得深入研究。

（3）需要更新理念，重視機車車輛延壽效益。機車車輛運用達到設(shè)計壽命后，部分機車車輛主要結(jié)構(gòu)件仍具備一定剩余壽命，全部報廢很不經(jīng)濟。開展機車車輛翻新重造探索研究，通過整車翻新重造，對落后技術(shù)或老舊設(shè)備進行技術(shù)升級和改造，充分利用主要結(jié)構(gòu)件的剩余壽命，可獲得可觀的經(jīng)濟效益。

為此，要按照機車車輛造修一體化的思路，通過全生命周期統(tǒng)籌優(yōu)化，系統(tǒng)提高機車車輛的設(shè)計水平、運用效率和運維水平。

2 機車車輛造修一體化總體思路

機車車輛造修一體化思想基于裝備全生命周期管理理念，依據(jù)現(xiàn)代維修理論和技術(shù)，按照新造-維修一體化統(tǒng)籌規(guī)劃、權(quán)衡和決策機車車輛的設(shè)計、制造、運用、維護、檢修和報廢工作，以實現(xiàn)機車車輛安全、可靠、高效、經(jīng)濟運用和維修的總體目標。為實現(xiàn)上述目標，重點在新造奠定維修基礎(chǔ)、維修促進新造提升這2個方面開展工作，也需在設(shè)計階段考慮壽命末期的延壽使用和翻新重造。

2.1 新造奠定維修基礎(chǔ)

機車車輛長期運用和檢修實踐表明，在設(shè)計方案中，元器件等級、材料性能、產(chǎn)品性能及設(shè)計結(jié)構(gòu)等因素對可靠性、維修條件、維修方式、維修停時、維修成本等均有重要影響，很大程度決定修程修制。僅在運用維修階段開展修程修制優(yōu)化，不僅被動且效果有限，必須在研發(fā)階段就開展維修規(guī)劃工作，基于造修一體化思想，在機車車輛研發(fā)之初并行開展RAMS和PHM設(shè)計、修程修制規(guī)劃和LCC優(yōu)化，合理設(shè)置產(chǎn)品使用壽命、維修工作等級及其周期，以獲得最佳的使用性能、維修保障性能和經(jīng)濟性，實現(xiàn)以較小的前期投入換得較大的后期費用節(jié)省。

2.2 維修促進新造提升

新型機車車輛正式投入運用前，一般只要按規(guī)定進行型式試驗就可以實現(xiàn)對機車車輛性能指標的符合性驗證確認。與性能驗證要求不同，RAMS設(shè)計、修程修制規(guī)劃和LCC優(yōu)化的效能指標驗證很難在短期內(nèi)借助型式試驗完成，而需要制定專門的可靠性、維修性試驗驗證方案和程序，如可靠性增長試驗、可靠性鑒定試驗、維修性驗證試驗等，有時會持續(xù)相當長時間。

有些產(chǎn)品甚至需要結(jié)合長期運用和檢修不斷驗證、優(yōu)化和完善，歷經(jīng)幾代產(chǎn)品改進最終成熟定型。例如：我國東風系列內(nèi)燃機車、韶山系列電力機車的升級換代歷程，德國動車組從ICE1、ICE2、ICE3發(fā)展到ICE4，其中的許多技術(shù)提升和改進都源于運用和檢修需求的驅(qū)動。此外，即便是相對成熟的機車車輛，在長期運用和檢修實踐中仍會暴露一些不適于運用和檢修要求的可靠性、維修性等方面設(shè)計不足和缺陷，通過消除和改進上述缺陷可大幅提高機車車輛可靠性和經(jīng)濟性。

為此，需要把機車車輛運用檢修與設(shè)計制造作為一個整體進行安排，搭建平臺，加強造修企業(yè)間的技術(shù)交流和信息溝通，將機車車輛可靠性、維修性、經(jīng)濟性等效能指標納入設(shè)計基本指標。

3 研發(fā)設(shè)計決定造修一體化條件

機車車輛設(shè)計應(yīng)以保證運行安全、滿足運輸性能、適應(yīng)不同環(huán)境、實現(xiàn)全生命周期最佳經(jīng)濟性為目標。在機車車輛設(shè)計研發(fā)階段，依據(jù)現(xiàn)代維修思想和理論，按照全生命周期費用最優(yōu)的原則，通過對機車車輛RAMS進行綜合比選，實現(xiàn)整車、系統(tǒng)及零部件的維修工作設(shè)計和規(guī)劃。通過在研發(fā)階段開展機車車輛維修規(guī)劃研究，可為其維修保障工作奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

德國鐵路公司（DB）將維修工作納入全生命周期管理，成立專門研究機構(gòu)，進行運用及維護界面及檢修設(shè)備研究，在產(chǎn)品概念、設(shè)計階段就把維修作為重要輸入條件，在各種合同、協(xié)議等供需雙方文件中明確約定維修要求，并反復(fù)溝通，共同努力落實。法國阿爾斯通公司在TGV動車組研發(fā)過程中邀請法國鐵路公司運用維修專家參與設(shè)計工作，廣泛聽取采納運用維修專家在產(chǎn)品可靠性、維修性、經(jīng)濟性、維修方案等方面的優(yōu)化建議，結(jié)合運用檢修經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，更具針對性地提升產(chǎn)品可靠性、改善維修便利性、降低LCC，使動車組獲得更優(yōu)化的性能和效能指標。

3.1 可靠性設(shè)計

（1）降額設(shè)計。降額設(shè)計是使產(chǎn)品或零部件所承受的工作應(yīng)力（機械應(yīng)力、電應(yīng)力、溫度應(yīng)力）適當?shù)陀陬~定值，從而達到降低故障率、提高可靠性的目的。例如：電子產(chǎn)品可靠性對其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力較敏感，故而降額設(shè)計技術(shù)對電子產(chǎn)品尤為重要。機車車輛設(shè)計最高時速和牽引、制動功率具有一定余量，不僅為性能退化留有余量，還能減少日常運用中滿負荷運行的概率，從而降低故障率。

（2）冗余設(shè)計。冗余設(shè)計是通過備份配置某些關(guān)鍵設(shè)備，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，冗余設(shè)備介入工作，承擔故障設(shè)備的功能，減少停機故障發(fā)生。冗余設(shè)計是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性、高安全性的有效方法。特別是當基礎(chǔ)元器件或零部件在特定環(huán)境下可靠性水平降低、采用一般設(shè)計無法滿足系統(tǒng)可靠性要求或因改進元器件可靠性所需費用比冗余設(shè)計費用更高時可考慮該方法。動車組和機車一般都由幾個獨立的基本動力單元組成，基本動力單元中的電氣設(shè)備發(fā)生故障時，可全部或部分切除該動力單元，而不影響到其他動力單元的運用，實現(xiàn)系統(tǒng)局部故障隔離后維持繼續(xù)運行，降低運營損失和影響。

（3）耐環(huán)境設(shè)計。耐環(huán)境設(shè)計是在設(shè)計時考慮產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境影響。例如：針對沖擊、振動、側(cè)風、溫度、濕度、含氧量、紫外線等影響，采取散熱（加熱）、冷卻、隔熱、密封、干燥、防護涂層、加固、控制諧振及減振等技術(shù)，選用耐高（低）溫、高絕緣、抗干擾、耐潮等技術(shù)和材料，確保產(chǎn)品可靠性。

3.2 維修性設(shè)計

（1）可達性。可達性是指維修時接近維修部位的難易程度，維修部位看得見、可檢測，不需拆裝其他單元或拆裝簡便，容易達到維修部位，同時具有為檢查、修理或更換所需的空間即為可達性好。機車車輛應(yīng)合理設(shè)置檢測窗口和維修通道，統(tǒng)籌安排、合理布局，將故障率高、維修空間需求大的部件盡量安排在系統(tǒng)外部或易接近部位，觀察孔或檢查窗蓋板采用透明窗或快速開啟蓋板。

（2）標準化、互換性和通用化。標準化、互換性和通用化不僅有利于零部件的設(shè)計和生產(chǎn)，而且能顯著減少維修備件的品種、數(shù)量，簡化保障需求，方便維修人員作業(yè)。機車車輛設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用標準化設(shè)備、工具、元器件和零部件，并盡量減少其品種、規(guī)格；故障率高、容易損壞、關(guān)鍵性零部件更應(yīng)具有良好的互換性和模塊化；不同廠家、型號產(chǎn)品不僅應(yīng)具有功能互換性，而且要具有安裝互換性。

（3）模塊化。模塊化是以系統(tǒng)的分解和組合理論為基礎(chǔ)，研究產(chǎn)品或系統(tǒng)的構(gòu)成形式，建立其不同層面的模塊體系，并運用模塊組合成產(chǎn)品的過程。模塊化是標準化的高級形式，是特征尺寸模數(shù)化、結(jié)構(gòu)典型化、部件通用化、參數(shù)系列化、組裝積木化的綜合體，標準件、通用件是在零件級進行通用互換，模塊是在部件級甚至子系統(tǒng)級進行通用互換。機車車輛應(yīng)按照功能設(shè)計成若干個能夠完全互換的模塊，模塊應(yīng)便于單獨測試；模塊更換后一般不需進行調(diào)整，若必須調(diào)整時，應(yīng)能單獨進行；模塊大小與質(zhì)量一般應(yīng)考慮拆裝、搬運等條件。

（4）等（倍）壽命。不同設(shè)計壽命年限，對產(chǎn)品性能、使用維修等會提出不同要求，進而直接影響制造成本、采購價格、年均購置分攤費用等，最后綜合體現(xiàn)在LCC指標的優(yōu)劣上。運用可靠性技術(shù)，以LCC最低為目標，根據(jù)運用維修需求，規(guī)劃設(shè)計部件使用壽命和維修間隔期，哪些部件應(yīng)同壽命，哪些部件呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系，部件壽命和維修間隔期如何與整車維修級別和維修周期相匹配，既不因部件壽命不足造成運用維修短板，也不因部件壽命過度冗余造成浪費。

（5）免維修。免維修是指不對產(chǎn)品進行預(yù)定的維修工作。按照設(shè)計要求，在規(guī)定運用條件下，機車車輛車體結(jié)構(gòu)、構(gòu)架等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件在全生命周期內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)影響功能的嚴重破損和缺陷，但允許局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后進行必要的修復(fù)性維修。因此，上述部件除必要的不解體檢查、測試外，可不進行預(yù)防維修。為此，在設(shè)計時應(yīng)考慮采用長壽命部件，并開展抗疲勞、耐久性和損傷容限設(shè)計，使部件不易損傷，即使出現(xiàn)局部損傷也不會導致整體結(jié)構(gòu)功能的喪失。DB公司提出了許多免維修、少維修項目要求，包括車體油漆可維持15年等。

3.3 安全性設(shè)計

安全性設(shè)計是通過設(shè)計中預(yù)想各種部件和系統(tǒng)的故障，并在設(shè)計階段采取針對性措施，消除和控制各種風險，提高產(chǎn)品的安全性，包括進行消除和降低危險的設(shè)計，在設(shè)計中采用安全和告警裝置及編制專用規(guī)程和培訓教材等。

（1）機車車輛采用裂紋緩慢擴展設(shè)計原則，通過材料或應(yīng)力水平的選擇，使輪對、構(gòu)架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在由最長初始裂紋擴展到臨界裂紋期間（稱裂紋擴展壽命）至少有2次以上檢查機會，并以此原則確定探傷周期。

（2）與安全直接相關(guān)的部件或參數(shù)都留有一定安全余量，如輪對、構(gòu)架、車體等結(jié)構(gòu)件強度，轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)臨界速度等。

（3）機車車輛設(shè)計以故障-安全為原則，采取多種主動安全與被動安全措施。主動安全措施主要包括：接近預(yù)警、地震預(yù)警、煙火報警系統(tǒng)；失穩(wěn)、軸溫、受電弓監(jiān)測；過壓、過流、高壓、欠壓、防滑、超溫、接地保護等。被動安全措施主要包括：碰撞吸能裝置，脫線防護裝置，滅火器（干粉和水基），阻燃、低煙、無毒（低毒）、無鹵的非延燃性材料或防火材料等。

3.4 測試性設(shè)計

測試性是指便于確定產(chǎn)品及其子系統(tǒng)狀態(tài)并檢測、診斷故障的一種設(shè)計特性。測試性設(shè)計具有如下要求：

（1）產(chǎn)品需要具備能被監(jiān)測到的參數(shù)，包括機械、電子、聲音、溫度等信號參數(shù)；

（2）監(jiān)測裝置的故障率應(yīng)低于被監(jiān)測產(chǎn)品的故障率；

（3）應(yīng)嚴格控制誤報率和漏報率。

在機車車輛設(shè)計階段，應(yīng)全面、系統(tǒng)考慮測試性要求，合理布置測點，從源頭上構(gòu)建PHM系統(tǒng)，同時在關(guān)鍵節(jié)點預(yù)留加裝測試設(shè)備接口，為實現(xiàn)狀態(tài)修提供支撐。狀態(tài)修是指通過對產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)及其變化進行直接或間接、連續(xù)或定期的檢測或監(jiān)測，以確定其功能和狀態(tài)，決定是否需要進行維修工作。針對機車車輛建立完善的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)，通過持續(xù)狀態(tài)監(jiān)測和PHM分析技術(shù)，實現(xiàn)遠程診斷和精準檢修，可在保證機車車輛運用安全的前提下最大限度發(fā)揮產(chǎn)品的剩余壽命，有效避免過度修。復(fù)興號動車組通過加裝各類車載監(jiān)控裝置，使很多項目實現(xiàn)了狀態(tài)檢測，檢修周期延長20%。

3.5 節(jié)能設(shè)計

機車車輛裝備的先進性不僅體現(xiàn)在高速度，更體現(xiàn)在低能耗、低噪聲、低排放。在動車組、機車的LCC中，能耗費用占比最高，能耗優(yōu)化效果最顯著，機車車輛設(shè)計應(yīng)充分考慮節(jié)能要求。

具體節(jié)能設(shè)計措施包括：通過優(yōu)化氣動特性降低運行阻力；采用寬禁帶半導體材料、新拓撲結(jié)構(gòu)等新技術(shù)提高牽引傳動效率；通過采用新材料、新結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化，采用輔助/自動駕駛優(yōu)化列車操縱，降低牽引能耗；通過采用變頻空調(diào)和LED照明，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)及通風鏈路，降低輔助能耗。

4 運用維修提升造修一體化水平

機車車輛運用維修階段是全生命周期中最長的階段，也是體現(xiàn)和發(fā)揮設(shè)計功能、直接產(chǎn)生效益的階段。機車車輛的可用性、維修性、可靠性等各項指標都會在運用維修階段得到充分體現(xiàn)，經(jīng)過長期運用考驗還可充分暴露潛在的設(shè)計、制造缺陷。通過持續(xù)強化運用維修對設(shè)計制造的閉環(huán)反饋，不斷改進機車車輛裝備設(shè)計制造質(zhì)量，提升造修一體化水平。

4.1 運用維修推動設(shè)計改進

（1）效能指標評估驗證。盡管在機車車輛設(shè)計研發(fā)制造時已充分考慮修程修制、RAMS設(shè)計、LCC優(yōu)化，但能否達到預(yù)期目標和效果，需要在運用、檢修實踐中對其指標符合性進行評估和驗證，必要時進行改進提升。例如：瑞典X2000型動車組在交付使用后，依據(jù)合同要求對可靠性、維修性、LCC等指標符合性進行了為期6個月的運營考核驗證；德國也規(guī)定在列車交付后按規(guī)定對動車組故障率進行符合性驗證。

（2）閉環(huán)反饋提升。經(jīng)過符合性驗證的機車車輛，在長期運用檢修實踐中仍會發(fā)現(xiàn)許多不適于檢修和運用的設(shè)計缺陷，通過對該類缺陷的消除和改進，可大幅提高機車車輛的可靠性和維修性。為此，應(yīng)充分利用故障反饋分析與糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）等手段和管理機制，將運用檢修需求及時反饋到設(shè)計研發(fā)部門，以利于產(chǎn)品的進一步提升和改進。機車車輛源頭質(zhì)量整治工作就是針對新型機車車輛運用初期的突出慣性質(zhì)量問題，聯(lián)合運用、檢修、新造部門共同開展整治工作，實現(xiàn)機車車輛可靠性和維修性的提升。目前動車組、和諧型機車已將源頭質(zhì)量整治作為一項持續(xù)開展的常規(guī)性工作，通過不斷整治，裝備的性能和效能獲得大幅提升，取得顯著效果。

（3）持續(xù)維修優(yōu)化。機車車輛應(yīng)基于長期運用檢修實踐中積累的大量經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，充分利用動車組可靠性、維修性和測試性特點，以確保安全性為前提，在現(xiàn)代維修理論指導下，在計劃預(yù)防修為主的原則下，合理運用狀態(tài)修、定期修、換件修、均衡修、委托修等維修方式和策略，持續(xù)優(yōu)化檢修范圍、周期和級別，以達到提高動車組檢修、運用效率和降低全生命周期費用的目的。如動車組及和諧型機車修程修制改革、檢修規(guī)程的持續(xù)修訂優(yōu)化、動車組一級修周期延長等，顯著提升了機車車輛檢修效率和效益。

4.2 修程修制優(yōu)化促進挖潛提效

對于機車車輛高價值裝備，充分利用多年積累運用檢修數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，在確保安全的前提下持續(xù)優(yōu)化修程修制，完善動態(tài)檢測手段，增設(shè)監(jiān)測設(shè)備、升級車載設(shè)備，以降低LCC總成本。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）目前正在大力推進動車組和和諧型機車修程修制改革，著力建立符合裝備發(fā)展水平的鐵路機車車輛運維標準體系，實現(xiàn)保證質(zhì)量安全、減少檢修頻次、降低檢修成本、提高運用效率的目標［5］。修程修制改革主要措施包括：延長檢修間隔、優(yōu)化檢修范圍、優(yōu)化檢修方式。

（1）延長檢修間隔。機車車輛在長期運用檢修中積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，運用現(xiàn)代維修理論和可靠性方法進行分析論證，在不降低可靠性的情況下延長檢修間隔，減少其全生命周期內(nèi)的檢修頻次，可顯著降低LCC。例如：我國CRH2A/380A平臺動車組經(jīng)過多年試驗驗證，三級修周期有望由60萬km延長至120萬km；復(fù)興號動車組高級修檢修間隔周期逐步延長至165萬km、和諧號動車組（CRH2A/2C/380A平臺除外）高級修檢修間隔周期延長至145萬km以及一、二級修里程周期和時間周期延長驗證工作，已取得動車組一級修平均里程間隔顯著延長、運用率上升、高級修費用降低等階段成效。

（2）優(yōu)化檢修范圍。采用失效模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）等方法分析機車車輛故障模式及其影響，根據(jù)RCM邏輯決斷圖科學界定預(yù)防修范圍，篩選出后果嚴重或發(fā)生概率高的部件作為預(yù)防修重點，使預(yù)防修的范圍和項目大大簡化，從而減少檢修成本和停時，提高可用性。目前，動車組三、四級檢修規(guī)程已取消對給排水及衛(wèi)生系統(tǒng)、內(nèi)裝設(shè)備及設(shè)施、車體油漆等不影響安全和運用項目的檢修要求，由鐵路局集團公司根據(jù)送修動車組實際情況靈活制定具體檢修要求，提高維修精準性。

（3）優(yōu)化檢修方式。根據(jù)機車車輛產(chǎn)品故障機理和規(guī)律不同，按照適用而有效的原則，科學細化和界定維修對象全生命周期管理策略和方式，充分運用維修性設(shè)計、測試性設(shè)計，構(gòu)建PHM系統(tǒng)，實現(xiàn)部件狀態(tài)可知、檢修可達、失效預(yù)警，由計劃預(yù)防修逐步向精準狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。如電力電子部件主要以狀態(tài)檢查和性能測試為主，實現(xiàn)全生命周期管理。動車組修程修制改革具體項目包括齒輪箱、空調(diào)、油壓減振器等30項，除匹配整車檢修周期延長外，檢修方式優(yōu)化也是一項重要內(nèi)容。如CRH2A/2C/380A平臺動車組油壓減振器三級修分解檢修、側(cè)門四級修分解檢修、牽引/制動/網(wǎng)絡(luò)板卡五級修更新均優(yōu)化為狀態(tài)修。

4.3 運用監(jiān)測維修助推PHM成長及完善

PHM是基于狀態(tài)維修的視情維修的升級發(fā)展，通過合理布置各類傳感器多維度采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助智能推理算法（如模糊邏輯、專家知識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、機理建模）診斷系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對其進行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息和歷史數(shù)據(jù)提供一系列的運維保障措施，以實現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修。視情維修強化設(shè)備管理中的狀態(tài)判斷，監(jiān)控設(shè)備健康狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，預(yù)測故障的發(fā)生，從而大幅提高運維的針對性。

高速動車組和交流傳動機車修程修制改革基于整車及主要系統(tǒng)和部件的PHM，充分利用車地檢測監(jiān)測設(shè)備，逐步實現(xiàn)計劃性預(yù)防修向數(shù)字化精準預(yù)防修轉(zhuǎn)變，同步實現(xiàn)降低成本的目標［5］。按照邊研究、邊應(yīng)用、邊見效的思路，推進PHM需統(tǒng)籌車載、地面檢測監(jiān)測信息資源，完善造修單位關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)采集和傳輸范圍，實現(xiàn)新造、運用、檢修、車載安全監(jiān)控和檢測設(shè)備數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)主機企業(yè)模型或模型計算結(jié)果接入，實現(xiàn)故障報警、預(yù)警和數(shù)字化視情維修建議，并與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程貫通，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

4.3.1 車載設(shè)備

機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）具備空氣制動安全監(jiān)測、防火監(jiān)控、高壓絕緣檢測、列車供電監(jiān)測、走行部故障監(jiān)測、視頻監(jiān)控及記錄等功能，采用多系統(tǒng)關(guān)聯(lián)、多傳感器冗余設(shè)計，可實現(xiàn)對機車狀態(tài)進行綜合監(jiān)測、分析診斷及報警，是通過整體研究設(shè)計形成的平臺化安全防護裝置。6A系統(tǒng)在機車安全事故防護、運行事故分析、運行質(zhì)量評價等方面發(fā)揮了較大作用，解決了機車運用中最突出的安全問題，對保障鐵路機車的運行安全具有重要意義，有效提升了我國機車安全防護系統(tǒng)整體水平。

動車組網(wǎng)絡(luò)控制及信息系統(tǒng)（TCMS）集成車輛各處傳感器采集的狀態(tài)信息，實時診斷運行故障，出現(xiàn)異常自動報警或預(yù)警，并根據(jù)安全策略自動采取限速或停車。設(shè)置在車輛系統(tǒng)各節(jié)點的各種傳感器也為PHM系統(tǒng)構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，部分鐵路局集團公司基于車載傳感器數(shù)據(jù)，開展動車組變壓器、變流器、牽引電機冷卻裝置濾網(wǎng)視情維修。據(jù)統(tǒng)計，實施視情維修后，濾棉更換作業(yè)量減少70%以上，散熱裝置沖洗作業(yè)量減少90%以上，同時裙板拆裝次數(shù)和股道占用時間也大幅減少，避免了過度修，減少了檢修費用。

客車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS）通過對軸溫、基礎(chǔ)制動系統(tǒng)、供電、車下電源、空調(diào)、防滑器、車門和轉(zhuǎn)向架、車輛動力學進行全面監(jiān)測，可有效避免熱軸、火災(zāi)、車輪擦傷等事故故障，同時為轉(zhuǎn)向架、制動、供電等系統(tǒng)維修提供決策依據(jù)，為保障客車安全運輸發(fā)揮了重要作用。

4.3.2 地面設(shè)備

地對車安全監(jiān)控系統(tǒng)是提升技術(shù)裝備現(xiàn)代化的重要安全防范系統(tǒng)。目前，我國鐵路線路上設(shè)置有車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（THDS）、動車組運行故障圖像檢測系統(tǒng)（TEDS）、鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TVDS）、貨車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）、鐵道車輛滾動軸承故障軌旁聲學診斷系統(tǒng)（TADS）、鐵道車輛運行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）設(shè)備，對機車車輛的軸溫、圖像、軸承聲學特征、輪軌力進行定點檢測，與車載設(shè)備相互補充、完善，構(gòu)建起機車車輛安全防護體系。這些監(jiān)控裝置不僅服務(wù)于運行安全，還能夠為數(shù)字化精準預(yù)防修提供支撐。例如：利用TADS提前發(fā)現(xiàn)軸箱軸承缺陷，在故障早期即進行更換維修；利用TPDS檢測輪對工作狀態(tài)，合理設(shè)定閾值，為輪對視情鏇修提供依據(jù)；冬季利用TEDS觀察動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)冰情況，提前準備融冰除雪所需資源。

此外，在動車所還設(shè)置有輪對踏面故障診斷系統(tǒng)（LY）、受電弓診斷系統(tǒng)（SJ）等檢測設(shè)備，在動車組入所時即可對輪對踏面和受電弓進行快速檢測。部分鐵路局集團公司已開展動車組一級修機檢作業(yè)，機檢作業(yè)是指利用車載和地面檢測監(jiān)測設(shè)備進行動車組狀態(tài)檢查的作業(yè)［6］，主要包括：利用動車組車載信息無線傳輸系統(tǒng)（WTDS）對動車組數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)控及分析；利用TEDS對走行部及裙底板狀態(tài)進行檢查；利用LY對輪對踏面狀態(tài)進行檢查；利用SJ對受電弓技術(shù)狀態(tài)進行檢查；利用受電弓視頻監(jiān)控裝置（或供電3C設(shè)備）對車頂高壓設(shè)備進行檢查。

5 設(shè)計壽命末期造修經(jīng)濟性決策

為了確保機車車輛絕對安全，產(chǎn)品設(shè)計時通常會取較大的安全系數(shù)，甚至某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件按照無限壽命進行設(shè)計，使得機車車輛實際使用壽命遠大于其設(shè)計壽命。為減少新車購置成本壓力，機車車輛系統(tǒng)對整車報廢非常慎重，設(shè)計壽命到期的機車車輛經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟綜合評估后，進行延期使用或翻新重造已成趨勢。

5.1 延壽使用

對于服役時間超出設(shè)計壽命的機車車輛，在主體結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，通過合理擴大范圍的檢修仍能獲得良好的運行品質(zhì)；甚至對于運行品質(zhì)下降的機車車輛通過降級（降速、降負載）使用，也可獲得很好的使用經(jīng)濟性。目前，第1批時速250 km和諧號動車組已運行10多年，后續(xù)將陸續(xù)達到設(shè)計壽命，屆時可根據(jù)動車組狀態(tài)和運輸需求，進行測試評估后考慮降級使用。

5.2 翻新重造

翻新重造是指在機車車輛設(shè)計壽命到期時，對其主要部件的結(jié)構(gòu)強度及壽命、技術(shù)性能、經(jīng)濟性進行綜合評估，可行時進行全面更新、升級和改造，使其主要性能、可靠性等指標達到或接近新造水平，進而延長機車車輛使用壽命。德國第一代高速動車組ICE1型動車組最初設(shè)計壽命為25年，中間經(jīng)過一次翻新改造后使用壽命達到30年，后又經(jīng)過第二次翻新改造，將目標使用壽命延長至40年，以相對較少的費用支出獲得非常顯著的經(jīng)濟收益。

6 結(jié)論與建議

從源頭設(shè)計、運用維修、壽命末期等不同階段開展機車車輛造修一體化研究，主要結(jié)論及建議如下：

（1）必須在機車車輛研發(fā)階段就開展維修規(guī)劃工作，實現(xiàn)修程修制正向設(shè)計和裝備造修一體化。國鐵集團作為我國最大的機車車輛使用單位，運用維修的機車車輛車型高達數(shù)百種，數(shù)量近百萬輛，積累了大量寶貴經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，應(yīng)深度參與產(chǎn)品設(shè)計、標準制定，以用戶需求為牽引，掌握機車車輛技術(shù)主導權(quán)。

（2）貫通機車車輛設(shè)計、制造、運用、維修技術(shù)，持續(xù)強化運用、維修對設(shè)計、制造的閉環(huán)反饋，提升造修一體化水平，使得機車車輛不僅安全可靠、先進高效，而且好用好修、經(jīng)濟環(huán)保。

（3）構(gòu)建機車車輛檢修技術(shù)研究體系，加強檢修技術(shù)專業(yè)研究，統(tǒng)籌鐵路局集團公司、主機企業(yè)、主要供應(yīng)商、科研院所等技術(shù)力量開展造修一體化研究。根據(jù)鐵路局集團公司機車車輛主修車型和配屬車型，按照就近檢修、平臺一致、車型集中、主次結(jié)合的原則，安排相關(guān)鐵路局集團公司承擔某種車型平臺的技術(shù)主導，組建技術(shù)隊伍，牽頭負責主導車型檢修規(guī)程優(yōu)化、技術(shù)工藝研究和造修一體化研究，并積極收集其他相關(guān)單位意見和建議。

（4）借鑒先進理念與成功經(jīng)驗，開展多種模式交流合作。與DB公司、法國鐵路公司等鐵路運輸企業(yè)和中國中車股份有限公司、德國西門子股份公司、法國阿爾斯通公司、加拿大龐巴迪公司等機車車輛設(shè)計制造企業(yè)，以及其他運輸行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)、高新技術(shù)裝備企業(yè)深入交流合作，取長補短，共同提高，不斷提升機車車輛造修一體化水平。