近代铁道机车车辆维修现状与发展趋势
1 维修的新观念、新发展本上与时间无关, 因此以定时维修、拆卸分解为基础
随着科学技术的发展, 技术装备自动化和复杂程的计划预防修思想遭到质疑, 从而形成和诞生了“以度的不断提高, 人们对维修的认识不断深化, 形成了可靠性为中心的维修(RCM) ” 思想和维修制度。许多维修新观念, 主要有111 维修是生产力, 是一种重要的投资方式过去认为维修是为维持设备工作而不得不进行的一种辅助性生产活动, 是一种资源和资金的消耗, 是收不回来的, 因此维修过程强调的是维修费用节约。而当代则把维修看成为一个积极因素, 是生产力, 是发展生产、创造效益的一个重要手段, 是投资的一种选择方式。在一定周期内, 不但能收回维修投资成本, 而且还能增值。如果说固定资产是一次性投资, 则维修投资是一种多次性重复投资。图1 设备故障观念的变化112 维修从一种技艺发展成一门综合性学科114 维修的系统工程观点 在20 世纪50 年代以前, 维修基本上属于一种操过去研究维修时只是弧立地看待维修本身, 近代作技艺。随着生产设备日趋复杂、科技成分的增长, 维修工程的特点是用系统工程的观点和方法来看待、使设备维修涉及的知识面越发广泛, 如今维修已经成分析和研究维修。为一门涉及断裂力学、故障数学、可靠性工程、系统11411 寿命周期的概念工程、管理科学、工程经济、人机工程等多门学问的将维修作为设备一生中的一个环节, 而对设备寿综合性学科。命周期中的各个环节(论证、设计、制造、安装、运113 对故障观念的改变用、维修、改进、更新等) 进行综合全面分析。在维图1 表示出设备故障观念的变化。早期的故障观修经济性研究时, 不只研究维修阶段的费用, 而且研念认为设备越陈旧越容易发生故障; 第二阶段人们普究设备一生的总费用, 即将寿命周期总费用保持在最遍相信“ 浴盆曲线”, 从而产生了以机件磨耗规律为经济的状态。基础的计划预防修的维修思想。第三阶段的研究揭11412 环境影响的考虑示, 随着近代技术装备复杂性的提高, 大多数的故障在研究维修的影响和效益时要分析维修对社会、规律并不符合“浴盆” 曲线, 而是有6 种基本型式。对环境的影响。当今工业发展、人口增长, 自然资源近代机车车辆的统计资料表明, 占90 %～95 % 的机急剧消耗、环境污染日益严重, 通过维修手段发展三件故障规律没有耗损期(图1 右边最下面4 种型式), “Re” (修理Repair 、再生Recycling 、再利用Reuse) 这就是说近代复杂设备(包括机车车辆) 的可靠性基产业, 延长设备使用寿命, 节约原材料和能源消耗, 使资源得以再生和再利用。115 设备的可靠性和维修性观念过去的维修观念是注重维修时的维修质量, 近代维修观念还要重视设备设计时的可靠性和维修性, 除了通过维修将设备功能持久地维持在必要的水平上以外, 还要求减少在修时间, 这对于如今的高速重载运输具有更重要的意义。因此铁路运营者在购置机车车辆时要提出严格的可靠性要求, 并对可靠性和维修性指标进行验证。另外, 在机车车辆设计时, 还应利用可靠性工程理论(例如FMECA) 为维修策略和综合保障分析提供可靠的依据。
2 机车车辆维修的技术现状和发展211 计划预防修的大框架
尽管从20 世纪60 年代开始, 技术装备的维修已广泛深入地推行“ 以可靠性为中心(RCM) ” 的维修制度。但在机车车辆维修领域内, 目前仍然是计划预防修的大框架。整车或大部件定时或定运行里程进行不同等级的维修。多年的实践和经验积累已使机车车辆计划预防修体制相当成熟, 各国铁路在此大框架下, 根据机车车辆的特点实施分层次的大修( 轻大修、重大修和重造) 、换件修和集中修。许多铁路公司在计划预防修的大框架下, 实施灵活的状态修, 机车入厂(段) 后, 不再大拆大卸, 而是根据计算机信息系统提供的履历, 通过必要的检测诊断来决定部件是否拆卸、更换或修理。对一些重要零部件严格实行寿命管理。212 几种重要的修制改革模式范例近代机车车辆修制改革的模式是多种多样的, 此处举出几种重要的范例。21211 瑞典铁路X2000 高速列车维修模式 1986 年瑞典铁路从ADtranz 公司购买了20 列X2000 动车组。1990 年9 月4 日第一列X2000 正式投入运营。1993 年瑞典铁路又购买了14 列。1998 年8 月28 日我国广深铁路股份有限公司从瑞典租赁了X2000 动车组在广深线投入运营, 担负广州东—深圳
—九龙(香港) 线的客运任务。X2000 列车维修模式的主要特点是:
(1) 列车的可靠性和维修设计
从列车设计开始就对可靠性和维修性有严格要求。用户在购置X2000 列车时, 在合同文本中就写明所要求满足的可靠性和维修性定量指标, 在动车组交货验收时要对这些指标进行验证。
(2) 应用LCC 方法
应用LCC 方法作为选择中标商供货的依据, 在供货合同中包括列车LCC 的计算和预测结果。也就是说在选择供货商时不仅要考虑列车的购置价格, 更重要的是要保证LCC 。在设计时将LCC 与可靠性、维修性综合考虑。
(3) 仍然采用计划预防修的大框架
维修工作按运行里程分为不同的维修等级: 6 250 km 的检查,215 万km 、10 万km 、30 万km 和60 万km 的Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 级检修, 120 万km 的Ⅰ 级大修和360 万km 的Ⅱ 级大修。
(4) 采用运营维修方法
尽量减少维修停运, 除大修入厂外列车维修不脱离运营, 充分利用动车组入库的库停时间完成各项修程。具体作法是派一技术支持人员跟车, 除随车处理故障外, 重要的是向机务段传输故障信息, 使当晚修车组的工作有所准备。同时把检修工作总量分成许多小工作包, 每次库停按新编制的计划完成某些小工作包的维修工作, 这样就将需要小修和中修的工作总量分散到每次库停时间来做, 从而大大提高了列车的利用率。
(5) 计算机制订维修计划
检修计划由一套计算机软件系统SPLIT 来制订。该系统根据当天的运行状况、列车已运行的里程、故障发生的情况和前次维修履历自动制订出本次入库的具体维修内容。21212 奥地利铁路RCM/LCC 维修模式这是在美国民航“ 以可靠性为中心维修” (RCM) 基础上发展起来的近代机车车辆比较先进的维修体制。1996 年美国GM 公司为加拿大国铁(CN) 包修50 台大功率内燃机车, 首次在机车上采用RCM 维修体制。近些年奥地利联邦铁路( BB) 发展为机车车辆的RCM/LCC 维修模式。其特点是:
(1) 确定重要功能零部件, 正确进行维修工作
RCM 首先要确定产生的功能故障及其零部件, 即要确定其故障会引起的严重后果(对安全性、环境性、经济性) 的零部件。维修工作主要针对这些零部件进行。改变过去那种不区分后果严重程度, 只针对故障进行预防性维修的模式, 从而大大减少了维修工作量和费用, 有效地克服了“维修不足” 或“过剩维修” 的弊病。
(2) 合理选择维修方式RCM 采用逻辑决断图的方法来确定合理的维修
方式, 确定有关的机件是采用定期维修、视情维修, 铁道机车车辆2002 年增刊还是事后维修, 或者报废更换或改进设计, 使维修工作更有针对性和有效性。
(3) 科学地确定预防维修工作的间隔期和维修级别
RCM 是以现场数据资料和试验结果, 经过可靠性统计分析后来确定维修工作的时间间隔和维修级别, 而不是沿袭传统的规定或经验来确定维修周期和维修级别, 则更科学、更合理。
(4) 重视维修的经济性
以最低的LCC 为目标安排维修, 改变过去对LCC 要求重视不够, 没有定量指标的状况。RCM/LCC 维修模式则重视维修的经济性, 不但使用可靠性工程的方法分析出现的功能故障、原因、后果和风险, 确定避免和消除这些功能故障措施所需的LCC , 通过LCC 预测分析作出RCM 决策。这样利用RCM 和LCC 的综合策略框架, 从可靠性和费用的目标重新安排机车车辆维修, 从而达到最佳效益的目的。21213 英国铁路大部件换修的维修模式英国铁路从1987 年4 月1 日开始对机车车辆维修制度进行了一次重大改革, 这项改革的主要举措是取消机车大修进厂的作法, 实施在机务段大部件换修的办法, 换下来的部件送到工厂大修。这种维修制度在英国铁路取得巨大效益,5 年内维修成本由原来的5107 亿英磅降低到3162 亿英磅, 降低了29 % 。这种大部件换修的维修模式具有如下特点:
(1) 机车大修不入厂, 实行大部件更换
为了减少机车在修时间, 免除送往工厂大修的往返时间, 提高利用率, 采用机车大修不入厂, 而在5 级机务段进行大部件快速更换的办法。当机车需要重造时再入厂。
(2) 大部件进厂大修
换下来的大部件根据合同送到专门工厂进行部件大修。
(3) 设立大部件更换段
在全国铁路设立13 个5 级段, 专门从事大部件更换工作。投资860 万英磅为这些5 级段配备大部件更换的专用设备, 卖掉原来从事设计、制造、大修的全部工厂。
(4) 改革机车车辆维修管理机构
在德比铁道技术中心设立维修管理部, 负责修制改革后的全面协调管理工作。投资960 万英磅建立国家物资供应中心, 负责供应120 个机务段的大部件和配件。部件运输由公路运输公司根据合同完成, 保证铁道机车车辆2002 年增刊 机务段每周至少接到一次交货, 大机务段每周可达5 次。
(5) 大部件更换实行状态修
新维修体制虽然仍属计划预防修制, 但大部件更换和修理时间不是预先规定的, 而是根据需要进行。21214 德国高速列车ICE 的维修模式
出于高速列车运行速度高、运输密度大、维修停时短、利用率高的特点, 德国铁路对这些动车组的维修采取了新维修策略, 其特点如下:
(1) 保持计划预防修制的总体框架
从总体上看来, ICE 高速列车维修制度仍然是计划预防修制的总体框架, 按照计划定期实施各级检修。按不同运行公里: 3 500 km 进行L 级检修( 日检),2 万km N 级检修(周检),6 万km F1 定检、12 万km F2 定检、24 万km F3 定检、48 万km F4 定检、120 万km 入厂轻大修, 240 万km 入厂重大修。
(2) 采用诊断维修
在运营期间维修(在动车段的A 、B 级维修) 采用诊断维修。在高速列车运行期间常常出现偶然故障, 排除这些故障比消除磨损型故障更具有意义。为了有计划地实施这种维修, 而产生了诊断维修。应用这种维修的先决条件是列车在进入维修段以前, 将运行中出现的所有故障已详细及时地通报给维修段。在列车进段前1 h 制定出维修计划, 按照轻重缓急(规定了5 个优先级别) 进行处理维修, 这种诊断维修已成功地完成了ICE 列车的非计划维修, 总计费用约占总维修费用的60 % , 工作量的95 % 以上, 从而极大地提高了列车的利用率, 使每列车年运行公里达50 万km 以上。
(3) 采用“最小工作包” 的型式, 增加维修灵活性
将计划维修措施分解为许多小组成部分, 即“最小工作包”, 这些工作包具有较短的时间区段。不同的维修等级由不同的工作包组合, 彼此相互连接, 从而增加了维修的灵活性。
(4) 维修过程有强大的技术支持
德国汉堡高速动车段有长430 m 、宽60 m 的动车库, 配备了最先进的维修技术装备: 具有良好人机工程的架空检修轨道、气垫式轮对和转向架更换装置、电磁导向的升降工作车、具有生物过滤器的真空排污装置、自动化的外部清洗装置、检修过程的微机控制和管理系统以及现代化的远程通信系统等。
(5) 列车不解体维修
自1996 年5 月开始实施ICE 高速列车不解体维修。整列车在库停期间不摘钩情况下进行维修。这种方法提高了列车利用率, 使由于故障而停开的列车数明显下降, 必需的储备列车数由原来的15 %～18 % 降低到总数的8 %。213 诊断技术机车车辆诊断技术自20 世纪70 年代初就得到发展和应用。在初期, 由于技术装备结构不适应, 存在着许多无法解决的技术和经济问题, 因此常常遭到失败。大约到20 世纪80 年代, 由于电子和计算机技术的发展, 技术诊断才取得丰硕成果, 如今已经成为机车车辆维修的重要手段。机车车辆技术诊断分为外部诊断和内部诊断。21311 外部诊断外部诊断是应用现场的检测装置, 在需要时与被测设备连接进行检测诊断。外部诊断装置可以是地面固定装备; 也可以是随车检测装置, 此时越来越多地采用便携式电脑及有关装置。外部诊断各种各样, 检测装置千差万别, 比较典型的外部诊断有: 轮对诊断: 检测诊断车轮踏面上的横向裂纹、车轮型面误差和磨损状况以及车轮不圆度和擦伤。 轴温探测: 通过红外线轴温探测系统, 利用车轴发生热切以前轴温急剧上升的原理来预报车轴的事故。 润滑油分析: 利用润滑油光谱和铁谱分析来判断各摩擦副零部件的磨损状况和诊断润滑系统的有关故障。21312 内部诊断内部诊断是使用固定安装在机车车辆上的检测诊断装置, 对主要零部件的工作状况进行连续监测, 作出实时通报。自20 世纪80 年代以来, 随着微机控制技术的发展, 已经形成了系统诊断, 整台机车或列车装有一个内部诊断系统。例如德国铁路ICE 高速列车有一个完善的内部诊断系统, 主要功能有: 对所有电子控制的范围, 包括制动机的故障进行检测: 通过显示屏给机车司机和列车乘务员以排除故障的提示; 按照优先等级和故障意义及时间长短来划分故障等级; 输入人们发现的其他故障。通过履历存贮、试验曲线、过程参数值的查询和外部决策软件对维修提供帮助。
214 维修信息系统21411 维修信息系统特点
国外机车车辆信息系统具有如下特点:
(1) 维修管理的必要手段
机车车辆维修信息系统已经成为发达国家机车车辆管理的必要手段, 计算机信息查询和信息输入已经成为维修作业中必不可少的工序和环节。
(2) 集中管理、分工明确
机车车辆维修信息系统是一项复杂的系统工程, 需要集中管理、统筹安排、分工协作。发达国家维修中的一切重大问题由公司总部统一决策, 权利高度集中, 维修信息系统也不例外。
(3) 重视信息处理, 分析及决策软件开发
建立机车车辆信息系统的目的主要是为了提高维修管理水平, 为科学决策提供手段和依据。
(4) 重视信息系统方面的基础工作
为了协调工作, 避免重复, 准确、简炼、规范的文档, 各种代码标准化及其他基础工作则显得十分重要。
21412 信息传输与实时应用近年来随着计算机网络的发展, 传输技术的进步以及现代通信工具的开发, 已能使机车车辆信息实时应用, 使故障诊断、信息传输与维修紧密结合起来, 大大缩短了维修停时, 提高了维修效率和质量。图2 表示出德国ICE 高速列车维修控制系统。由于ICE 列车具有一个功能全面的内部诊断系统, 它能全自动地记录运行中发生的故障, 并将乘务员发现的故障以代码型式输入到诊断系统中。通过机车或车辆总线、列ICE 列车维修控制系统铁道机车车辆2002 年增刊车总线和无线将所有故障信息汇集起来, 传输给动车段高效计算机系统, 该系统按照优先等级顺序加工处理, 在列车入段前l h 左右制订出维修措施和计划, 再由调度员通过按钮转化为工作指令, 马上在车间相关工作岗位上打印出来, 它包含维修人员所需的所有资料。各工作岗位上的人员按照指令做好准备, 严阵以待, 列车入段后按照相应程序和规定时间, 准确、快速和高效地进行维修。
3 我国机车车辆维修现状与进展311 我国机车车辆维修制度改革的进展
10 年前本文作者在文献中对我国机车车辆当时的维修状况做了阐述, 主要存在的问题是:
维修周期过短, 在修时间太长; 维修中基本上没有考虑状态修, 过剩维修严重; 维修机构不合理, 厂段维修脱节; 维修专业化程度差, “大而全, 小而全”的现象十分普遍; 配件产品质量不高, 供应渠道不畅。 10 余年来我们逐步开展了一系列的机车车辆修制改革工作, 特别是由计划经济向市场经济的转变、铁道部运输体制改革、资产经营责任制的推行都大大促进了机车车辆修制改革的加速进行。
10 年来修制改革的进度主要表现在:
(1) 制订了修制改革的框架, 明确了修制改革的目标
制订的机车车辆修制改革的总体目标是: 机车车辆的修理应在计划预防修前提下, 逐步实施状态修、换件修和主要零部件的集中修, 改革配件的生产和供应体制, 建立运用和维修的现代化管理体系。
(2) 制订和完善了维修规程, 延长了大修周期
将韶山1 型电力机车大修周期由120 万～140 万km 延长至160 万～200 万km ; 东风4B型内燃机车大修周期由51 万～63 万km 延长到了70 万～90 万km。成立了机车车辆大修规程管理研究室, 理顺了维修规程制定的程序与关系, 制订和完善多部机车车辆大修规程, 使各型机车车辆的大修周期都得以延长, 改善了厂、段修的衔接, 提高了维修质量, 取得了巨大的经济效益和社会效益。
(3) 机车大修走向市场从1996 年开始将机车大修逐步推向市场, 至 2001 年底投入市场的机车共2 140 台, 2001 年投入市铁道机车车辆2002 年增刊 场的机车台数已达797 台, 占入厂大修机车总数的65 %。机车大修市场化的转轨使人们思想发生了转变, “用户是上帝”的意识迅速增强, 形成了以质量求生存、求发展、公平竞争的大好局面, 机车大修质量逐年提高。
(4) 引入分层次、多样化的大修模式, 改变了过去单一的大修模式多年来我国铁路机车车辆维修都是单一的模式, 致使剩余维修严重, 维修成本加大。近几年来我国开始引入分层次、多样化的大修模式, 有关铁路局已试行具有轻大修、重大修和重造的多层次大修模式; 开展了整机入厂和大部件入厂大修, 修理工厂、制造工厂都搞大修, 机务段承担轻大修的多样化维修局面。
(5) 维修方面的技术成果近10 余年来在我国机车车辆维修领域内涌现出一批技术成果。在技术诊断方面, 对原有检测诊断设备进一步完善、改进, 合理使用, 例如润滑油光铁谱分析诊断标准的制订与完善; 内燃机车综合检测装置的充分利用等。另一方面开发出众多性能良好、使用便捷的部件检测装置, 如机车车辆轴承地面检测装置、电力机车弓网动态检测装置、机车轮箍在线探伤方法与装置、提速机车转向架试检装置以及利用高压水或射流技术的部件清洗装置等。在机车车辆维修信息系统方面取得了突破性进展。柳州铁路局建立了机车检修综合管理系统, 并在全铁路推广; 聊城北、北京、山海关、大同西、上海等机务段应用计算机网络技术对维修作业过程进行控制管理, 为实现机车检修现代化管理奠定了基础。
(6) 开展维修基础理论研究机车车辆修制改革必须要以维修理论研究为先导, 因此铁道部机车车辆大修规程管理室成立以来, 除归口制订机车车辆大修规程以外, 还对机车车辆维修理论、可靠性及维修性工程进行了初步研究, 另外还在《机车车辆维修简报》上刊登了不少国内外有关维修的文章, 介绍了国内外维修方面的信息, 对于澄清维修方面的基本概念、统一思想起了重要作用。312 我国机车车辆维修制度存在的问题与建议
(1) 我国机车车辆维修制度非常落后尽管10 余年来我国机车车辆修制改革取得了丰硕成果, 但必须清醒地认识到与发达国家相比还相当落后, 因此应加快修制改革进程, 大力推行和完善分层次、多样化的维修模式, 加快试行及推广轻大修、重大修和重造的维修模式。同时还应鼓励和引导各铁路局进行其他维修模式的尝试。对于高速列车的维修, 可以考虑引进国外发达国家先进的机车车辆维修制度体系。
(2) 在修时间太长, 维修周期也还有潜力我国机车车辆大修在修时间太长。目前我国内燃机车大修在厂平均停时为35 天左右, 而美国为10～ 11 天, 印度为18～23 天。大修周期虽经延长, 但仍有潜力可挖。显然我国机车车辆维修频繁、修时太长, 降低了机车车辆利用率, 增加了维修费用, 加大了建设投资。因此, 如何减少在修时间应作为修制改革的重点目标来抓, 还应继续研究进一步延长大修周期的措施和考虑变“一厂两架” 为“一厂一架” 维修周期结构的可能性。
(3) 机车车辆维修方面的科研投入过少铁道部是以运输为主的部门, 机车车辆运用、维修是运输主战场, 理应加大维修方面的科研投入, 可是多年来由于历史原因, 机车车辆科研方面的资金绝大多数投入到新造机车和车辆方面, 对维修方面的科研重视不够, 投入很少, 致使与国外差距日趋加大, 因此应加强机车车辆维修方面的科研投入, 重视维修学科建设, 积极创造条件, 使我国机车车辆维修体制迈入更高阶段。
(4) 维修理论基础薄弱, 缺乏系统的研究和培训多年来, 我国维修理论基础薄弱, 缺乏系统的理论研究和培训, 致使实践中经常出现基本概念混乱, 导致错误维修的现象。因此应重视和加强维修理论的研究, 加强可靠性工程、维修性工程和维修策略的研究, 特别是维修经济性方面, 有关LCC 分析、效能费用权衡分析、维修风险分析及不确定性分析和设备更新决策分析等。
(5) 在采办和设计中缺乏可靠性、维修性工程的应用国外发达国家在购置机车车辆时, 用户要提出可靠性、维修性要求, 将指标写入合同中, 并在机车车辆交货后进行检验验证。因此, 近代制造厂家在设计时, 除对机车车辆性能和结构进行设计外, 还要进行可靠性和维修性设计、试验等。而我国铁路机车车辆的采办和设计在这方面还没有要求和实施, 因而机车 车辆可靠性和维修性得不到保证。我国应尽早开展这方面的研究, 在机车车辆的采办和设计中引入可靠性、维修性指标, 并进行检验验证。
(6) 加速和完善诊断技术和维修信息系统建设虽然我国铁路20 余年来投入巨额资金开发和研制了各种各样的检测诊断仪表设备, 但真正起作用, 故障发现率和正确判断率达到要求的并不多, 诊断标准和相应的专家系统满足不了要求, 因此在维修实践中起不了巨大作用。这方面的工作有待进一步加强, 应统一计划管理, 避免重复开发, 提高检测精度及可靠性, 重视决策软件开发。同样还要继续加速和完善机车车辆维修信息系统的建设, 在推广和完善柳州铁路局机车维修管理系统的同时, 统筹建设机务段局域网和中央数据库, 开发维修管理软件, 将机车车辆维修管理水平提高到一个新的高度。
