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动车组可靠性评估及维修策略优化方法研究

张可新  
【摘要】:动车组的高可靠性已经成为高速铁路的一个重要特征。而如何评估动车组的可靠度以及如何通过恰当的维修手段来提高动车组的可靠度已成为保障高速铁路安全性与可靠性的关键因素。现阶段,我国动车组的性能与国际先进水平的差距不断减小,但在动车组可靠性评估方面还有待提高,因而动车组可靠性技术已经在本行业领域中引起了高度重视。可靠性建模是动车组可靠性研究中的一项重要内容,正确建模是实现可靠性评估与可靠性增长的前提和保证。目前,该领域仅仅围绕各系统的故障数据进行建模及可靠性评估,而少部分整车可靠性评估也是在“维修如新”的完全维修假设条件下进行分析。事实上,对于动车组这种复杂可修系统而言,仅对故障系统的维修,常常是建立在“维修如旧”的最小维修前提条件下开展研究。因此,需要对动车组的整车可靠性建模方法进行改进,加强考虑各故障的危害程度及风险、费用等影响,着重对动车组的维修策略进行相关研究。本文主要以动车组及其组成的各系统为主要研究对象,围绕动车组可靠性评估与维修策略优化的问题,采用包括统计学、可靠性理论、维修工程学、生命周期评价理论以及计算机仿真模拟等多学科理论与技术,将理论研究、模型开发与应用验证相结合,在以下几个方面进行了创新性研究:(1)针对动车组可靠性建模的特点分析,基于模块化理论建立动车组系统划分的聚类模型,采用层次分析法与种群遗传算法编制仿真程序,通过敏感度分析,验证所建模型及分析程序的准确性。该模型考虑了动车组零部件的功能、结构、材料、寿命等相关属性,采用层次分析法明确各零部件的相关关系,进而建立综合关系矩阵与系统聚类数学模型。通过仿真计算,给出了适用于动车组可靠性分析的系统划分结果。所得的研究结论为动车组系统可靠性建模及分析奠定了理论基础。该系统划分方法有利于实现动车组模块化设计,从而减少维护维修工作量,缩短维修时间,降低生命周期成本。(2)动车组各系统的可靠度是评价整车可靠性的关键环节之一。基于动车组运用故障数据,采用统计学原理与可靠性理论对动车组各系统的故障规律及可靠性进行了研究。通过分析动车组各系统的结构及功能关系,建立各系统的故障树模型。分析各系统的故障模式、故障频度、故障原因以及故障影响,推导并证明各系统可靠性规律,给出各系统可靠性评估指标及计算方法。(3)基于动车组正常、故障两状态以及系统相互独立的假设条件,通过动车组的功能结构分析,建立了动车组整车可靠性模型。该模型适用于各系统故障规律已知的情况下,求解整车系统的可靠性指标。并通过蒙特卡洛仿真计算方法,验证了该可靠性模型的合理性与有效性。(4)从动车组整车角度出发,本文首次提出了基于“维修如旧”的最小维修可靠性模型。该模型是对动车组可修系统的理论分析基础上,建立的非齐次泊松过程的数学模型,它避免各系统不利因素的干扰,实现对动车组整车可靠性的有效评价。通过将该模型计算结果与基于结构功能的动车组可靠性模型的计算结果进行对比分析,证明该模型能较好的反映动车组可靠性规律,并且与实际运用故障数据有较好的拟合性。(5)在建立动车组和各系统的可靠性模型基础上,对动车组维修方式与预防维修周期等维修策略进行优化。根据各零部件的危害程度,优化其维修方式。通过分析基于可用度制定预防维修周期模型对大型复杂系统的局限性,首次提出了基于风险—可用度的预防维修周期优化模型。该模型可以在保证可用度满意的前提下,使维修费用大幅降低,为提高动车组可用度、降低维修费用提供可行有效的维修决策模型和方法。(6)为达到新购动车组运用要求,对可靠性维修性参数及其指标进行分析与论证。根据可靠性维修性参数选择的基本原则,给出确定参数与指标选择的方法,并针对动车组的特点明确可靠性维修使用参数及指标限值。基于可靠性维修性参数的内在关系的分析,将动车组使用参数转换为可验证的合同参数,以便将使用要求转换为合同要求。通过技术经济分析,优化采购方案,提出可靠性验证试验方案,为新购动车组的可靠性验证及评估工作提供一定的借鉴。


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