動車組軸箱及定位裝置故障模式分析及風險評估

朱亞男,李冰毅,房 楠,崔 晶

(西安鐵路職業技術學院,陜西 西安 710014)

在建成現代化鐵路強國的目標下,保障動車組列車的檢修質量并優化其維修策略顯得尤為重要。轉向架作為列車機械部分的重要組成結構,其檢修品質直接關乎行車安全,是列車機械部分的重點維護對象。

軸箱裝置是轉向架中受力關系最復雜的結構之一,因此也是故障高發部件[1]。研究軸箱及定位裝置故障的產生原因,分析其故障模式并評估風險,對于指導優化軸箱裝置的維修策略,提高其檢修品質有著積極的促進作用。

1 軸箱裝置的可靠性框圖

動車組的軸箱裝配中包含軸箱和定位裝置[2],當且僅當軸箱裝配中的N個部件全部正常工作時,軸箱裝置才能正常工作[3-4],具體情況見圖1。

2 軸箱裝置故障模式分析

2.1 軸箱裝置故障先驗模式

根據某動車段動車組檢修故障數據庫,以動車組走行180天為統計周期,經過整理和統計分析,將軸箱及定位裝置常見的故障模式歸納為5大類:

A1:工作狀態異?；蜃饔貌涣?

A2:表面損傷(含磨損、擦傷等);

A3:變形、尺寸超差;

A4:裂紋(含外部裂縫和內部疲勞裂紋);

A5:斷裂、損毀。

圖1 軸箱及定位裝置裝配結構可靠性框圖Fig.1 Reliability block diagram of axle box device

設軸箱及定位裝置發生故障的概率為P(A),將過往數據整理統計得到的6類故障先驗發生率分別設為π(θi),根據貝葉斯先驗分布估計,則有軸箱及定位裝置故障全概率計算式,即

(1)

以某型動車組為例,其軸箱及定位裝置在統計周期內共發生故障175次,具體故障模式見圖2。

圖2 軸箱及定位裝置故障統計Fig.2 Axle box and failure statistics of positioning device

在統計周期內,軸箱及定位裝置的A1故障共發生45次,占總故障數的25.71%;A2故障發生28次,占總故障數的16%;A3故障發生72次,占總故障數的41.14%;A4故障發生19次,占總故障數的10.86%;A5故障發生11次,占總故障數的6.29%,故5類故障先驗發生率分別為

π(θ1)=0.26、π(θ2)=0.16、π(θ3)=0.41，

π(θ4)=0.11、π(θ5)=0.06。

2.2 軸箱裝置故障后驗模式

綜上可以看出,軸箱及定位裝置故障以A3類故障為主,即軸箱裝配部件的變形及尺寸超差是主要高發故障。

為分析軸箱及定位裝置各部件的故障關聯規律,對軸箱裝置的運動和受力情況進行三維仿真分析(見圖3)。

圖3 軸箱及定位裝置受力分析Fig.3 Axle box and force analysis of positioning device

由圖3可知,軸箱裝配在輪對上,是輪對和構件的連接體,因此其受力關系就存在輪對和構架的多元約束關系,具體表現為:

a.在輪對橫向運動時,軸箱會隨之橫動,但橫動幅度受到構架橫向止檔的約束;

b.在輪對受到垂向沖擊振動時,軸箱也會隨之上下運動,垂向振幅與輪對一致;

c.軸箱彈簧可利用垂向的壓縮形變來緩和垂向沖擊,減震器可衰減垂向振動,因此構架受到的垂向振動能量要比軸箱小;

d.軸箱轉臂會受到縱向的推挽力,因此轉臂定位銷有可能產生此方向擠壓變形。

設X為軸箱裝置的運動函數合集,可以表述為

(2)

其中:εh為橫向運動函數,其賦值受軸箱止檔限制;εv為垂向運動函數,取值無限制;εp為縱向運動函數,在動車組軸箱裝置中取值固定為0。

綜上,將軸箱及定位裝置的故障表現歸納為2類:

B1:作用不良故障。即與運動函數X無關,主要包括制造質量問題、環境問題或操作維護不當等原因引起的設備作用異常(含先驗故障模式A1、A2)。

B2:運動故障。即與軸箱運動函數X相關,由軸箱的垂向、橫向運動及縱向受力引發的振動異常、溫升異常、磨耗、裂紋、斷裂等故障(含先驗故障模式A3、A4、A5)。

設軸箱及定位裝置故障后驗概率為h(θn)(n=1,2),計算公式為

(3)

(4)

經后驗概率計算可知,B2類故障發生概率高達0.683,因此軸箱裝置故障多為運動引發,部件的變形和尺寸超差多為異常振動導致的過度磨耗。

3 軸箱裝置故障風險評估

3.1 故障風險評估

采用風險順序數(RPN,risk priority number)對軸箱及定位裝置進行故障風險分析[5]。從3個方面進行綜合評估:

(1) 故障發生度(O,occurrence) 以故障發生概率對故障發生度進行賦值,具體見表1。

表1 故障發生度(O)賦值

(2) 故障嚴重度(S,severity) 以故障發生后的影響程度對故障嚴重度進行量化賦值,具體見表2。

表2 故障嚴重度(S)賦值

(3) 故障檢測度(D,detection) 以故障能被檢測出來的難易程度對故障檢測度進行量化賦值,具體見表3。

表3 故障檢測度(D)賦值

根據O、S、D計算故障風險順序數(RPN),一旦故障風險數超過列車的臨界值,這說明故障危害較大,反之則較小[6]。

對于動車組軸箱及定位裝置故障,由于部分故障危害較大(S=4),但發生概率并不高(O=2),一旦發生很容易檢測出來(D=1)?？梢钥闯?軸箱及定位裝置故障雖然發生概率低,檢測也容易,但一旦發生,就會危及行車安全[7-8],因此其RPN計算中O、S、D影響的權重是不一樣的。

設嚴重度S的影響權重是發生度O的4倍,同時是可檢測度D的5倍,發生度O影響權重為D的2倍,可以得到如下權重矩陣:

(5)

將權重矩陣進行歸一化處理,得到其特征向量ω:

(6)

由此得出軸箱及定位裝置RPN計算式為

RPN=ωO·O+ωS·S+ωD·D。

(7)

軸箱及定位裝置RPN臨界值為

RPN臨界值=0.201×6+0.681×4+0.118×3=4.28。

(8)

取臨界值為4,將軸箱及定位裝置故障風險進行量化分類,具體見表4。

表4 軸箱及定位裝置故障風險(RPN)量化分類

3.2 軸箱及定位裝置故障數據

某型動車組軸箱及定位裝置故障及影響分析數據見表5和表6,表5是軸箱裝置B1類故障,表6是軸箱裝置B2類故障。

表5 動車組軸箱及定位裝置B1類故障及影響分析

表6 動車組軸箱及定位裝置B2類故障及影響分析

對表5、表6中軸箱及定位裝置故障進行關聯性分析,統計情況見圖4。

圖4 軸箱及定位裝置故障分類分析Fig.4 Axle box and classification analysis of positioning device faults

由圖4可看出:作用不良類故障(B1)發生概率略低但危害普遍較大,應該采用狀態修和周期修相結合的方式進行維護;運動類故障(B2)發生點基本符合軸箱及定位裝置運動規律,可按規律定期排查,同時B2類故障危害普遍不大,所以此類故障適合采用事后修和周期修相結合的方式。

4 結論

對動車組軸箱及定位裝置進行了可靠性分析,重點研究了故障的先驗模式和后驗模式,并設計了故障風險評估方法,經實車數據驗證得出以下結論:

(1) 軸箱及定位裝置故障發生頻繁,在對某車型的統計周期內,共發生故障175次,其中設備作用不良類故障發生73次,運動類故障發生102次。

(2) 作用不良類故障RPN總和為27,RPN值≥2(即中等風險)的數量為10,占比76.92%;運動類故障RPN總和為22,RPN值≥2的數量為4,占比25%,作用不良類故障比運動類故障風險更大。

(3) 作用不良類故障種類多,不可預見性大且危害也大,因此適合采用狀態修和周期修相結合的檢修方法;運動類故障基本符合軸箱運動規律,可預先排查且危害相對較小,適合采用事后修和周期修相結合的檢修方法。