朱慶龍
(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所,北京100081)
為全面提升中國動車組設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造水平,打造適合中國國情、路情的動車組設(shè)計(jì)制造平臺,滿足長距離、長時間、持續(xù)高速運(yùn)行等需求,實(shí)現(xiàn)中國動車組自主化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化,促進(jìn)動車組由中國制造到中國創(chuàng)造的跨越,原中國鐵路總公司組織開展了復(fù)興號動車組設(shè)計(jì)研制工作。CR400AF/BF 復(fù)興號動車組不僅表現(xiàn)出高速度,更體現(xiàn)出裝備發(fā)展的高質(zhì)量,其中RAMS 設(shè)計(jì)便是其突出亮點(diǎn)之一。RAMS 是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維修性(Maintainability)、安全性(Safety)的英文縮寫[1],復(fù)興號動車組在設(shè)計(jì)研發(fā)中充分考慮了RAMS 設(shè)計(jì),為動車組高效運(yùn)用維修奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),以先期投入運(yùn)用的CR400AF/BF 動車組為例,分析其RAMS 特點(diǎn)及效果。
可靠性是指設(shè)備在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力。對于動車組來說,規(guī)定條件包括外部環(huán)境、線路、供電、通信信號、司乘人員、正常維保等條件,規(guī)定時間指運(yùn)行圖圖定時間,規(guī)定任務(wù)指車組正常運(yùn)行、完成旅客運(yùn)輸任務(wù)。
根據(jù)動車組設(shè)備故障對運(yùn)輸組織造成的影響程度和非正常停車時間的長短,將故障分為4 類,即A 類故障、B 類故障、C類故障和D 類故障。
A 類故障:在規(guī)定運(yùn)用環(huán)境和條件下,由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組途中非正常停車或晚點(diǎn)時間大于20 min 小于1 h 的故障。對應(yīng)的可靠性指標(biāo)為動車組百萬公里A 類故障率。
B 類故障:在規(guī)定運(yùn)用環(huán)境和條件下,由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組途中非正常停車或晚點(diǎn)時間少于20 min 的故障。對應(yīng)的可靠性指標(biāo)為動車組百萬公里B 類故障率。
C 類故障:在規(guī)定運(yùn)用環(huán)境和條件下,由于車輛設(shè)備故障導(dǎo)致動車組在功能受限模式下運(yùn)行的故障。對應(yīng)的可靠性指標(biāo)為動車組百萬公里C 類故障率。
D 類故障:不影響動車組正常運(yùn)行的其他各類故障。對應(yīng)的可靠性指標(biāo)為動車組百萬公里D 類故障率。
按照技術(shù)條件規(guī)定,CR400AF/BF 動車組可靠性指標(biāo)應(yīng)達(dá)到下列指標(biāo):A 類故障率不超過0.2件/百萬km;B 類故障率不超過0.4 件/百萬km;C類故障率不超過1.0 件/百萬km[2]。CR400AF/BF動車組采用多種可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,確保動車組具備高可靠性。
1.2.1 降額設(shè)計(jì)
降額設(shè)計(jì)是使產(chǎn)品或零部件所承受的工作應(yīng)力(機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力、溫度應(yīng)力)適當(dāng)?shù)陀陬~定值,從而達(dá)到降低故障率提高可靠性的目的。
(1)動車組部分總體技術(shù)參數(shù)高于技術(shù)條件規(guī)定要求,牽引、制動功率具有一定余量,不僅為性能退化留有余量,還能使得動車組日常運(yùn)用中非滿負(fù)荷運(yùn)行,降低故障率。CR400AF 轉(zhuǎn)向架臨界速度大于550 km/h,CR400BF 動車組輪周牽引功率達(dá)10 140 kW。
(2)車體、轉(zhuǎn)向架、車鉤等各類結(jié)構(gòu)件運(yùn)用降額設(shè)計(jì)理念進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì),能夠提高安全系數(shù),降低裂紋出現(xiàn)概率。CR400AF 設(shè)計(jì)軸重不大于16 t,關(guān)鍵部件強(qiáng)度按最大軸重17 t 設(shè)計(jì)。
(3)牽引、輔助系統(tǒng)電子元器件在選型時根據(jù)電壓、電流、功率、絕緣、耐壓等要求充分考慮降額設(shè)計(jì),能夠應(yīng)對短時高電壓(電流)沖擊。CR400BF高壓部件雷電沖擊耐受電壓185 kV,高壓箱整體雷電沖擊耐受電壓170 kV。
(4)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型時為信息傳輸預(yù)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?,保證信息傳輸?shù)目煽啃?。動車組布設(shè)以太網(wǎng),主要用于傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)下載。
(5)空調(diào)采暖及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)留有余量,能有效應(yīng)對高寒或高溫天氣和應(yīng)急情況。CR400BF 采用鈦酸鋰離子電池,應(yīng)急通風(fēng)2 h 后,單組電池剩余容量大于60%。
(6)水箱、污物箱的容量設(shè)計(jì)留有余量,滿足乘客滿員及部分超員情況下的需求。CR400BF 凈水箱容積較CRH380B 增加7%,污物箱容積較CRH380B 增加22%。
(7)牽引變壓器、變流器冷卻系統(tǒng)考慮實(shí)際運(yùn)用環(huán)境,當(dāng)有效進(jìn)風(fēng)面積減少15%時仍然能滿足額定功率運(yùn)用下的冷卻能力要求,降低高溫報警的概率,同時降低變壓器、變流器工作環(huán)境溫度,減少故障發(fā)生。
1.2.2 冗余設(shè)計(jì)
冗余設(shè)計(jì)是通過重復(fù)配置某些關(guān)鍵設(shè)備,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時,冗余的設(shè)備介入工作,承擔(dān)故障設(shè)備的功能,為系統(tǒng)提供服務(wù),減少宕機(jī)事件的發(fā)生。
(1)動車組由2 個相對獨(dú)立的動力單元組成,每個動力單元包含2 輛動車和2 輛拖車,牽引系統(tǒng)主要由1 個受電弓、1 臺牽引變壓器、2 臺牽引變流器、8 臺牽引電機(jī)組成(CR400AF 每臺變流器有2個逆變器,架控驅(qū)動4 臺電機(jī);CR400BF 每臺變流器輛控驅(qū)動4 臺電機(jī))?;緞恿卧械碾姎庠O(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(yùn)用。
(2)輔助系統(tǒng)主要由4 臺輔助逆變器、2 臺充電機(jī)、2 組蓄電池構(gòu)成,采用并網(wǎng)供電和冗余設(shè)計(jì),保證在各種工況下可靠供電。
(3)各車制動控制單元通過網(wǎng)絡(luò)和硬線冗余接受制動指令,具有冗余軸抱死檢測功能(DNRA)。
(4)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用TCN 和高速傳輸以太網(wǎng)的雙重冗余設(shè)計(jì)。
(5)司機(jī)室TCMS、ATP 顯示屏均設(shè)置雙屏,互為備份,主屏幕故障后可快速切換至備用屏幕。
圖1 CR400AF 動車組牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2.3 耐環(huán)境設(shè)計(jì)
耐環(huán)境設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)時考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境影響,例如裝配、運(yùn)輸時的沖擊、振動,貯存時的溫度、濕度、霉菌,使用時的氣候、環(huán)境、振動等影響,采取散熱(加熱)、冷卻、隔熱、密封、干燥、防護(hù)涂層、加固、控制諧振及減振等技術(shù),選用耐高(低)溫、耐潮、抗霉等材料,確保產(chǎn)品的可靠性。
(1)變壓器、變流器、電機(jī)等電氣件和制動、網(wǎng)絡(luò)控制等裝置電子元器件采用風(fēng)冷、水冷、油冷等散熱措施保證合適的工作環(huán)境溫度。
(2)車體、轉(zhuǎn)向架等部位采用涂漆、涂油脂、電鍍、磷化等保護(hù)措施避免腐蝕;空壓機(jī)設(shè)有干燥塔除濕,避免制動管路銹蝕和冬季結(jié)冰堵塞管路;電氣系統(tǒng)采用耐油、耐腐蝕、絕緣等級高的電線電纜,保證電流或信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
(3)設(shè)備艙為全密封式結(jié)構(gòu),格柵和濾網(wǎng)防水、防雪、防柳絮;針對秋冬季霧霾天氣嚴(yán)重,絕緣子表面易吸附污物導(dǎo)致高壓電氣絕緣失效實(shí)際情況,增大了絕緣子的爬電距離要求;高壓電氣件集成于密閉的高壓設(shè)備箱內(nèi),避免受到外界環(huán)境因素影響。
(4)懸掛裝置裝有鋼彈簧、空氣彈簧、油壓減振器、橡膠節(jié)點(diǎn)、橡膠墊等以減輕振動、緩和沖擊;變壓器、變流器等車下吊掛部件均設(shè)有減振橡膠以減輕振動和沖擊。
(5)電機(jī)、電器、電子裝置、電線電纜等采取相應(yīng)的防霉、防老鼠等嚙齒類小動物的措施。
可用性是指在要求的外部資源得到保證的前提下,產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時刻或時間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。它是產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。
動車組可用性指標(biāo)包括定期檢修率、臨修檢修率和完好率。
(1)動車組定期檢修率指動車段(所)處于定期檢修狀態(tài)的某型動車組列日數(shù)與應(yīng)支配動車組列日數(shù)之比。這里的定期檢修是指需要日間扣車實(shí)施的二、三、四、五級修。
(2)動車組臨修檢修率指某動車段(所)由于偶發(fā)故障導(dǎo)致的計(jì)劃外修復(fù)性維修狀態(tài)的動車組列日數(shù)與應(yīng)支配動車組列日數(shù)之比。
(3)動車組完好率指動車段(所)處于可運(yùn)用狀態(tài)(包括實(shí)際運(yùn)用和備用)的動車組列日數(shù)與應(yīng)支配動車組列日數(shù)之比。
CR400AF/BF 動車組年平均運(yùn)行里程不低于80萬km,可用性指標(biāo)要求:計(jì)劃檢修率不超過14%;臨修檢修率不超過3%;完好率不低于83%[2]。
定期檢修率由動車組定期檢修周期和檢修停時確定,臨修檢修率與動車組的可靠性密切相關(guān)。CR400AF/BF 動車組修程分為五級,其中一、二級屬于運(yùn)用維修,以維護(hù)保養(yǎng)為主,在動車所完成;三、四、五級屬于高級別維修,以恢復(fù)基本性能為主,在動車段或主機(jī)廠完成,維修等級及周期見表1。
表1 動車組維修等級及周期
目前國鐵集團(tuán)正在大力推進(jìn)動車組修程修制改革,制定了一系列延長檢修周期、優(yōu)化檢修內(nèi)容及檢修方式的推進(jìn)方案,改革成功后動車組的可用性將得到進(jìn)一步提升。
互聯(lián)互通是CR400AF/BF 動車組頂層功能指標(biāo)之一,基于高速動車組運(yùn)用和統(tǒng)型需求,實(shí)現(xiàn)了不同主機(jī)廠產(chǎn)品的司乘界面、操作界面、旅客界面統(tǒng)一。
司乘界面:統(tǒng)一司乘操作界面、緊急安全設(shè)施;統(tǒng)一車門、車窗、滅火器等應(yīng)急安全設(shè)施配置;
操作界面:統(tǒng)一HMI 顯示界面、故障代碼等;
操控模式:統(tǒng)一設(shè)置牽引運(yùn)行、連掛解編、救援、回送、洗車、調(diào)車、緊急牽引、外接電源8 個工作模式;
服務(wù)設(shè)施:統(tǒng)一衛(wèi)生間、盥洗室、開水爐、服務(wù)臺、工具柜、客運(yùn)柜、潔具柜、垃圾小車存放、大件行李存放等旅客界面配置,實(shí)現(xiàn)列車相互備用。
通過互聯(lián)互通設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了動車組的相互重聯(lián)、救援、熱備,有效提升了動車組的利用效率,實(shí)現(xiàn)運(yùn)營組織的靈活性,降低了運(yùn)用成本。
維修性是指在規(guī)定的條件下,并按照規(guī)定的程序和手段實(shí)施維修時,產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下,保持和恢復(fù)能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力,是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)決定的使其維修簡便、迅速、經(jīng)濟(jì)的特性。
CR400AF/BF 動車組各級修程主要內(nèi)容和維修停時要求如下:
(1)一級維修:例行檢查。一級維修以檢查為主,包括制動、走行、受電弓在內(nèi)的全面檢查,廁所排污、清掃保潔等,維修停時每次不超過2.5 h。
(2)二級維修:專項(xiàng)維修。二級維修主要包括,空心車軸探傷、踏面修形、齒輪箱換油、軸承潤滑、重要系統(tǒng)和部件的功能測試等內(nèi)容,維修停時每年累計(jì)不超過25 d。
(3)三級維修:轉(zhuǎn)向架分解檢修。三級維修主要是轉(zhuǎn)向架分解檢修,對制動、牽引、空調(diào)等系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)檢查和功能測試,維修停時每次不超過30 d。
(4)四級維修:系統(tǒng)分解檢修。四級維修主要針對動車組各系統(tǒng)的分解檢修,主要包括轉(zhuǎn)向架、制動系統(tǒng)的分解檢修;電機(jī)、電器的性能測試及更換;車內(nèi)設(shè)施的檢修等,維修停時每次不超過40 d。
(5)五級維修:整車分解檢修。對整車進(jìn)行分解檢修,較大范圍地更新零部件。主要包括動車組分解、清洗、檢查、修復(fù)、更換、車體重新油漆等,維修停時每次不超過50 d[2]。
圖2 CR400AF/BF 動車組互聯(lián)互通示意圖
3.2.1 按照有利于保養(yǎng)與維修,減小維修工作量、降低維修成本的要求設(shè)計(jì)
(1)軸箱采用分體式結(jié)構(gòu),便于輪對快速更換。
(2)車窗采用整體框架式安裝結(jié)構(gòu),方便維護(hù)更換。
(3)內(nèi)風(fēng)擋兩側(cè)可快速解編,方便檢修車端部件。
(4)設(shè)備艙采用鎖結(jié)構(gòu)設(shè)備艙裙板,抽拉式設(shè)備艙底板,設(shè)置檢修檢查門等優(yōu)化措施取代螺栓安裝結(jié)構(gòu),減少作業(yè)量,提高作業(yè)效率。
(5)統(tǒng)一檢修維護(hù)接口:注水口、排污口、頂車位、外接電源、動車組旋輪工裝、登頂作業(yè)等,便于日常運(yùn)用維修。
(6)CR400AF 采用車下集成式高壓設(shè)備箱,解決污閃問題;外風(fēng)擋底部可快速拆卸,便于檢修車端部件;結(jié)合用戶、司乘、檢修等需求,優(yōu)化人機(jī)界面。
(7)CR400BF 采用鈦酸鋰離子電池,基本實(shí)現(xiàn)終身免維護(hù);采用高壓部件集成車頂高壓箱方案,具有耐候性、免清洗、檢修維護(hù)方便、氣動阻力和氣動噪音小等特點(diǎn)。
圖3 CR400BF 動車組車頂高壓布置和主電路示意圖
3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化設(shè)計(jì)
(1)為提高零部件通用性、互換性,減少備品備件種類和數(shù)量,降低動車組全壽命周期成本,CR400AF/BF 動車組開展了11 個系統(tǒng)96 項(xiàng)零部件的統(tǒng)型工作:座椅、側(cè)門、車窗、車鉤、滑板、閘片、車軸、鎖類等,實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)型,滿足整機(jī)和維護(hù)部件完全互換;電視、內(nèi)外信息顯示器、蓄電池、電壓電流互感器、受電弓等,統(tǒng)一電氣、機(jī)械接口,滿足整機(jī)互換;空調(diào)、便器、水箱、開水爐等,實(shí)現(xiàn)維護(hù)部件和易損易耗件的統(tǒng)一。
(2)設(shè)備艙整體采用模塊化結(jié)構(gòu),車下預(yù)組,整體安裝。
(3)牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)、輔助等系統(tǒng)按照功能不同分層次(LRU、SRU、SSRU)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),使各功能由不同模塊或板卡控制,便于故障定位、隔離和部件更換,達(dá)到快速解決故障的目的。
3.2.3 測試性設(shè)計(jì)
(1)采用新一代列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCN 網(wǎng)+以太網(wǎng)),首次構(gòu)建百兆級以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò),提升信息處理技術(shù)。
(2)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)2 500 余項(xiàng),采集各種車輛狀態(tài)信息1 500 余項(xiàng),實(shí)時診斷運(yùn)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。
(3)采用智能移動終端、WLAN 無線設(shè)備、以太網(wǎng)單點(diǎn)維護(hù)、故障自動識別等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)列車控制和任意子系統(tǒng)的健康管理和全方位、多維度的故障診斷,檢修維護(hù)更加智能化。
(4)優(yōu)化車—地?zé)o線傳輸系統(tǒng),提升動車組故障信息、狀態(tài)信息實(shí)時傳輸能力,通過便攜式測試工具實(shí)現(xiàn)車輛本地在線監(jiān)視和故障處理,采用4G移動通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)視和遠(yuǎn)程維護(hù)支持,提高運(yùn)用檢修效率。提供包括無線上網(wǎng)服務(wù)、新聞資訊、旅行信息、列車動態(tài)信息服務(wù)、旅客坐席及乘務(wù)工作管理等在內(nèi)的智能化服務(wù)。
CR400AF/BF 動車組的設(shè)計(jì)以故障導(dǎo)向安全為原則,在確保走行安全的基礎(chǔ)上,采取了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、受電弓視頻監(jiān)測;過壓、過流、高壓、欠壓、防滑、超溫、接地保護(hù)等。被動安全措施主要包括:碰撞吸能裝置,脫線防護(hù)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。
(1)車體采用整體承載結(jié)構(gòu),由6 系鋁合金通長薄壁中空大型材焊接而成,車頭采用型材蒙皮與承載梁焊接結(jié)構(gòu),焊接變形小。CR400AF 中空鋁型材最大638 mm,斷面焊縫數(shù)量由CRH380A 的60 條減少至44 條,降低殘余應(yīng)力及焊接變形。
(2)設(shè)備艙裙板、底板設(shè)計(jì)具有防松脫功能。
(3)塞拉門具有本車控制、集中控制、手動、速度鎖閉、防擠壓、氣密等功能,并與牽引系統(tǒng)聯(lián)鎖,車門未關(guān)閉封鎖牽引,車速大于5 km/h 時隔離開門功能(緊急開門除外),車速大于10 km/h 時不能打開車門(包括緊急開門)??刂浦噶钣糜簿€傳輸、開門控制2 步操作,防止誤操作。鎖閉裝置采用多點(diǎn)壓緊、鎖閉,安全可靠。
(4)按照車鉤、防爬及主吸能塊三級吸能原理研制了碰撞吸能裝置,能量吸收系統(tǒng)由頭車端部吸能結(jié)構(gòu)和中間車鉤緩沖裝置組成,碰撞試驗(yàn)結(jié)果滿足EN 15227 標(biāo)準(zhǔn)要求。
(5)軸箱設(shè)置有軸溫傳感器和熔斷繼電器雙保險,對軸承進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。
(6)通風(fēng)系統(tǒng)采用被動式壓力保護(hù)系統(tǒng)控制車內(nèi)壓力波動,優(yōu)化壓力波控制策略,減小隧道通過或交會時耳部不適感。
(7)動車組各車輛端墻(門)具有耐火性能,保證起火后15 min 之內(nèi)不會通過其蔓延到相鄰車輛,同時能維持運(yùn)行15 min,使動車組駛離不易停車處理事故的區(qū)域。
(8)車內(nèi)設(shè)施充分考慮旅客安全,通過臺和車內(nèi)地板平滑過渡無臺階,地板布防滑耐磨,衛(wèi)生間、通過臺、車門處均設(shè)有扶手,車內(nèi)端門具有防擠壓功能,電開水爐設(shè)有2 個按鈕,先按解鎖按鈕后再按出水按鈕才能出熱水,避免兒童誤操作造成燙傷。
圖4 脫線防護(hù)裝置(左)和碰撞吸能裝置(右)示意圖
圖5 CR400AF 動車組設(shè)備艙示意圖
產(chǎn)品壽命周期各個階段對RAMS 的影響程度是不同的,越是早期階段對RAMS 的影響越大,論證、研制階段基本確定了RAMS 的80% 因素。CR400AF/BF 動車組在設(shè)計(jì)制造中充分考慮了RAMS 需求,為其高效運(yùn)用維修提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。但目前我國動車組的修程修制頂層設(shè)計(jì)仍處于初級階段,動車組運(yùn)用檢修水平與國際先進(jìn)水平還有一定的差距,應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)此方面研究和工程應(yīng)用。機(jī)車車輛檢修多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,一套良好的機(jī)車車輛修程修制體系不是優(yōu)化出來的,而是從設(shè)計(jì)源頭系統(tǒng)規(guī)劃出來的。在機(jī)車車輛設(shè)計(jì)研發(fā)階段,應(yīng)自覺運(yùn)用現(xiàn)代維修理論、RAMS 技術(shù)和LCC(Life Cycle Cost)方法開展維修頂層規(guī)劃和正向設(shè)計(jì),系統(tǒng)全面地考慮產(chǎn)品交付后的運(yùn)用和維修需求,合理規(guī)劃各系統(tǒng)和主要部件的使用壽命、維修周期、維修方式等,實(shí)現(xiàn)主要部件壽命和維修周期與整車維修周期相匹配,檢查維修方便快捷,避免僅僅為了更換或維修某一部件而對整車或某一系統(tǒng)進(jìn)行大范圍的拆解組裝,實(shí)現(xiàn)修程修制的“優(yōu)生優(yōu)育”,達(dá)到機(jī)車車輛運(yùn)用維護(hù)的安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)。