（机械工程专业论文）铁路货车安全可靠性分析.pdf

北京交通大学r = 羊”硕士专业学位论支 中文摘要 中文摘要 摘要：本论文分析了国内外铁路货车的维修制度，结合实际对现行铁路货车检 修制度提出了改革建议，同时指出当日口我们首先要做好的几方面工作。 本论文回顾了国内外铁路货车的发展历程，分析了我国铁路货车的现状和 安全可靠性，对运用和检修中的铁路货车安全情况进行了调查，总结了二0 0 六年全路货车安全事故和安全隐患，发现目前运用的铁路货车存在大量的安全 隐患，货车运用安全可靠度不高。货车检修漏检漏修现象非常严重，货车检修 安全可靠度较低。通过现场大量的调查，积累了数掘，采用数理统计方法对这 些数掘进行了分析，查找原因，制定措施，提出了改进方案。希望尽快消除安 全隐患，确保货车安全可靠。 本论文对如何提高铁路货车设计、新造、检修运用可靠性，从而确保货车 安全可靠提出了自己的见解。 本论文提出在进一步完善现有的安全保障信息系统的基础上，在铁道部、 铁路局、车辆段、设计部门、质量监督检验部门、货车及零部件生产厂之日j 建 立货车安全可靠性信息系统。各部门能够充分利用计算机网络资源，以最快的 速度对安全、质量与可靠性信息进行收集、整理、存储、分析、处理，形成发 现故障故障信息的收集与反馈故障原因分析制订改进计划 设计改进一可靠性试验与评估交付使用的闭环管理，为优化安全可靠性 指标提供现场数据，达到优化安全可靠性指标、提高车辆及配件质量、不断提 高铁路货车安全可靠性的目的，确保铁路货车行车安全，确保铁路运输秩序。 本论文指出的铁路货车在安全可靠性方面存在的问题及改进措施，为车 辆设计部门改进设计，为货车制造、配件制造、检修部门有针对性地开展工作， 提高货车及配件质量，提高货车安全可靠性，确保铁路货车行车安全，具有积 极的指导意义。 关键词：铁路货车：制度改革：调查分析；措施：安全；信息系统 分类号： ! ! 室銮丝盔至三堡堕主皇些竺垡堡塞些翌坠竺! a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e rt h ew a g o n sm a i n t e n a n c ea n dr e p a i rs y s t e mi nh o m ea n da b r o a di s a n a l y s e d a c c o r d m g t ot h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，s o m e s u g g e s t i o n s o fs y s t e m r e f o r m i n g a r e p r o v i d e d a n ds o m ea s p e c t so f t h ew o r kw h i c hs h o u l db ed o n ef i r s t l ya r ep r o p o s e d a tf i r s tt h eh i s t o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to f w a g o n si nh o m ea n da b r o a da r el o o k e db a c k t h e n t h en a t i o n a lw a g o n sp r e s e n ts i t u a t i o na n ds a f e t yr e l i a b i l i t ya r ea n a l y s e da n dt h es a f e t ys i t u a t i o ni n a p p l y i n ga n do v e r h a u l i n gt h ew a g o n si si n v e s t i g a t e d a f t e rt h es a f e t ya c c i d e n ta n d h i d d e nt r o u b l e s h a v eb e e nf i g u r e do u ti n2 0 0 6 ，ag r e a tm a n yh i d d e ns a f e t yp r o b l e m si nc u r r e n tw a g o n sa r ef o u n da n d t h es a f e t yr e l i a b i l i t yi nt h ea p p l i c a t i o no f t h ew a g o n si si nl o wl e v e l i na d d i t i o n ，t h eo m i s s i o ni nt h e c h e c ka n dm a i n t e n a n c eo f t h ew a g o n si ss e r i o u si nd e e da n dt h es a f e t yr e l i a b i l i t yi nt h ec h e c ko f t h e w a g o ni sa l s on o tv e r yh i g u b yd o i n gs o m ei n v e s t i g a t i o ni ns i t e ，m u c hd a t ai sa c c u m u l a t e dw h i c h i s a l s oa n a l y z e da c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a lt h e o r i e so fs t a t i s t i c s a f t e rt h a tt h er e a s o n sa r ef o u n d ， m e a s u r e sa r es e t t l e da n d t h em e t h o d sa r ea l s op r o m o t e d h o p et oc a n c e lt h es a f e t yi n c i p i e n tf a u l t y a ss o o na sp o s s i b l ea n de n s u r et h ew a g o n ss a f e t ya n dr e l a b i h t yi nu s e t h er e c o m m e n d a t i o n so fh o wt oi n c r e a s et h ea p p l y i n gr e l i a b i l i t yi nw a g o n sd e s i g n i n g ， p r o d u c i n ga n di n s p e c t i n ga r em a d et oe n s u r et h es a f e t ya n dr e l i a b i l eo f t h ew a g o n si n u s e o nt h eb a s eo f p e r f e c t i n gt h em o d e mi n s u r a n c ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，i ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h a taw a g o n ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o ns y s t e ms h o u l db ee s t a b l i s h e di nt h em i n i s t r yo f r a i l w a y s ，b u r e a u so fr a i l w a y s ，v e h i c l es e g m e n t s ，d e s i g n i n gd e p a r t m e n t s ，q u a l i t ym o m t o n n g d e p a r t m e n t sa n dd e p a r t m e n t so fp r o d u c t i n ge n t i r ew a g o na n di t sc o m p o n e n t s a l lt h ed e p a r t m e n t s c o u l dc o l l e c t ，a r r a n g e ，s t o r e ，a n a l y s ea n dd i s p o s et h ei n f o r m a t i o ni ns a f e t y , q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t ya ta o p t i m u ms p e e db yu s i n gt h er e s o u r c eo f n e t w o r ks u f f i c i e n t l y s e q u e n t i a l l ym a n a g e m e n ti na c l o s e d l o o pt ob em a d ei n c l u d e s ：f a i l u r ed i s c o v e r y f a i l u r ei n f o r m a t i o n sc o l l e c t i n ga n df e e d b a c k 一 a n a l y s i so f t h ef a i l u r e _ 埘a k i n gi m p r o v e dp l a i r 一d e s i n g i n gi m p r o v e m e n r - - - - r e l i a b i l i t yt e s ta n d e v a l u a t i o n u s i n ga l t e m a n t l y , w h i c hw i l lo f f e rc u r r e n t d a t af o ro p t i m i z i n gt h es a f t yr e l i a b i l i t y , a n d w i l lh e l pt or e a c ht h et a r g e to fo p t i m i z i n gt h es a f t yr e l i a b i l i t y , i m p r o v et h eq u a l i t yo fe n t i r ew a g o n a n di t sc o m p o n e n t sa n da l s oi m p r o v et h ew a g o n ss a f t yr e l i a b i l i t yi nh i g hs p e e d w h i c hw i l le n s u r e t h ew a g o n st r a v e l l i n gs a f e t ya n dt r a n s p o r t a t i o ni nag o o do r d e r t h ep r o b l e m sp o i n t e do u ta n di m p r o v e m e n tm e t h o d ss u g g e s t e di nt h i sp a p e ri nw a g o n ss a f e t y r e l i a b i l i t ym a k eas e n s ei ns o m ea s p e c t s ，s u c ha si nd i r e c t i n gd e s i g n i n gd e p a r t m e n t st o m a k e m o d i f i e dd e s i g na n di nw a g o n sd e p a r t m e n t sw o r k i n ga g a i n s ti ne n t i r ew a g o na n di t sc o m p o n e n t s p r o d u c i n ga n di n s p e c t i o n i ta l s o h a su s e f u lm e a n i n gi n i m p o v i n gq u a l i t y o fw a g o na n di t s d e p a r t m e n t s ，i m p r o v i n g t k ew a g o n ss a l t yr e l i a b i l i t ya n de n s u n n gt h ew a g o n st r a v e l l y i n gs a f e t y 北京交通大学：【稃硕士专业学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：w a g o n ；s y s t e mr e f o r m ；i n v e s t i g a t ea n da n a l y s e ；m e t h o d ；s a f t y ；i n f o r m a t i o ns y s t e m c l a s s n 0 ： v 北京交通人学 稗硕士专业学位论文致谢 致谢 本论文是在北京交通大学李强教授和济南铁路局徐占山高工的悉心指导下完 成的，在硕士论文的研究和撰写过程中，他们给予我大量指导和帮助，并花费了 许多宝贵精力和时间进行评阅和修改，使我在学识上有了很大的提高，也培养了 我独立思考和研究课题的能力。两位导师兢兢业业的工作精神、严谨的治学态度、 科学的工作方法、诲人不倦的品德使我受益匪浅。在本论文完成之际，向辛勤培 育我的李强教授和徐占山高工表示崇高的敬意和衷心的感谢。 在论文的完成过程中，还得到了缪龙秀教授、谢基龙教授、刘志明教授等的 关心和指导，得到了铁科院机辆所、济南铁路局车辆处、铁道部驻济南铁路局车 辆验收室、济南西车辆段领导和同事们的大量帮助，他们对本文提出了许多有建 设性的意见和建议，使本人受益匪浅。在此谨向他们表示衷心的感谢。 北京交通人学工稃硕士专业学位论文 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 铁路货车是铁路运输的重要装备，是完成铁路货运任务的物质基础。随着国 民经济和社会的发展，铁路货运量大幅增长，作为运载工具的铁路货车，结构日 趋复杂，使用负荷不断提高，其安全可靠性直接关系到它的运用效率和维修费用， 关系到铁路运输安全和运输秩序，关系到人民生命财产安全。随着铁路系统的第 六次大提速顺利完成，货车速度及安全可靠性也日益成为人们关注的焦点，如何 运用现代科学理论和方法来改善车辆运用维修中的一些基本状况，提高货车的安 全可靠性已成为当务之急。 为确保车辆运行的安全可靠，车辆需要定期与不定期地进行检查和维修，达 到维护或恢复车辆的基本性能，延长车辆及配件的使用寿命，提高车辆的使用效 率，提高车辆的安全可靠性。目前，我国铁路货车维修保养制度采用以预防为主 的原则，在预防性计划修的框架内，逐步实施状态修、换件修和零部件的专业化 集中修。采用这种维修保养制度维修保养效果并不是很好，频繁的大拆大卸对车 辆安全可靠性及使用寿命不一定有益，有的部件不拆时可以使用，拆了就必须更 新；有的部件则由于设备、技术等原因，经过拆卸再组装后质量、性能下降。因 此，我们必须对铁路货车进行全面、系统、深入的研究，运用可靠性理论重新安 排车辆维修，从而达到最佳效益的目的。 目前，我国铁路货车存在的问题主要有： 1 超期服役，技术状态老化 货车超期服役，技术状态老化，不能适应重载、高速的需要，而且也增大了 维修费用，降低了运用效率，增加了不安全因素，从总体上影响了运输的经济效 益，而如果对之进行设备更新，则又无足够的购置资金采购和更新，于是它们虽 已超过使用年限，仍在继续使用。 2 货车关键零部件的技术性能差 目前，铁路货车零部件的技术性能还不能满足高速重载的要求。近几年，滚 动轴承、空重车自动调整器、防折角塞门关闭等技术己广泛应用于货车。但关键 零部件的技术性能差，仍不适应“高速、重载”的安全性要求。 3 车辆的有关质量指标不能满足高速重载的需要 我国铁路货车的载重、列车平均总重、货车自重比、货车速度等，与国外一 些国家相比，还有一定的差距。 4 运用车故障较多，安全可靠性差 北京交通大学： 稗硕- f = 专业学位论文绪论 我们在现场检修时也发现，目自u 运行的铁路货车存在大量的故障，这些故障 模式类别繁多，不同零件的故障概率分布形式也不相同，这是由于不同零部件的 故障是由疲劳、腐蚀、磨损等不同原因造成的；同时车辆工作在外界环境中，除 受温度、压力、振动、冲击、潮湿等因素影响外，还有诸如沙尘、高热、雨水等 环境及线路、装卸等的影响，工作条件恶劣。我们应该从提高货车安全可靠性角 度来发现问题，解决问题，提高货车安全可靠性。 1 ，2 研究的内容和目的 铁路货车按用途可分为通用货车和特种货车。通用货车是指适用于运输多种 货物的车辆，如敞车、平车、棚车、罐车等。特种货车是指专门运输某种货物的 车辆，如集装箱平车、散装水泥车等。本文主要研究通用铁路货车。 1 2 1 研究的主要内容 ( 1 ) 在研究国外铁路货车的维修制度的基础上，结合实际对现行车辆检修制 度提出改革建议。 ( 2 ) 分析我国铁路货车的现状和安全可靠性。 ( 3 ) 从现场运用单位搜集实际数据，分析我国通用铁路货车存在的问题，对 这些问题进行分析，查找原因，制定措施，提出改进建议。 ( 4 ) 本文研究货车安全可靠性，主要通过组成货车的部件的安全可靠来保证， 分为轮对轴承的安全可靠、转向架的安全可靠、车钩缓冲装置的安全可靠、制动 装置的安全可靠及其他部位的安全可靠五部分。只有提高上述五部分的安全可靠 性，才能保证货车安全可靠。 ( 5 ) 建立货车安全可靠性信息系统：使设计、制造，检修、运用各部门以最 快的速度对安全、质量与可靠性信息进行收集、整理、存储、分析、处理，达到 优化安全可靠性指标，提高车辆及配件质量、不断提高铁路货车安全可靠性的目 的。 1 2 2 研究的目的 ( 1 ) 对现行铁路货车检修制度进行改革，确保铁路货车能够进行及时、可靠 的维修，这对于铁路运输工作的连续正常运行具有重大的意义。 ( 2 ) 对目自口运用货车存在的大量安全隐患进行研究，提出改进措施，尽快消除 安全隐患，不断提高铁路货车设计、新造、检修运用可靠性，从而确保货车安全 可靠，确保货车提速安全，保证铁路运输秩序，为我国铁路车辆的发展和国民经 济的发展做一点贡献。 ( 3 ) 建立货车安全可靠性信息系统，有利于在铁道部、铁路局，车辆段、设 北京交通大孕 程硕士专业学位论文绪论 计部门、质量监督检验部门、货车及零部件生产厂之间实现信息共享，及时地收 集安全、质量及可靠性信息并迅速分析处理，制定和实施有效的纠正措施，以防 止故障重复发生，形成发现故障故障信息的收集与反馈故障原因分析一 一制订改进计划设计改进可靠性试验与评估交付使用的闭环管理， 实施可靠性增长。为优化安全可靠性指标提供现场数据，达到控制车辆及配件质 量、不断提高铁路货车安全可靠性的目的，确保铁路货车行车安全，确保铁路运 输秩序。 1 3 国内外铁路货车发展情况概述 1 3 1 国外铁路货车发展情况概述 目前世界铁路货车技术发展可分为两大流派，一是以美国、加拿大、澳大利 亚、南非、巴西为代表的重载技术，其主要特征是车辆轴重大、载重量高、自重 轻及列车编组辆数多。二是以法国、德国等欧洲国家为代表的快捷技术，其主要 特征是车辆运行速度高、列车编组数量少。近几年来，欧洲也开始研究丌行2 5 t 轴重重载货车和2 0 0 k m h 轻快货车。 1 3 2 中国铁路货车发展情况概述 从建国初期到现在，我国铁路货车经历了四次大规模的技术迸步。 第一次是1 9 7 0 年前，以国产化和简统化为主要内容的更新换代，改变了我国 铁路货车品种杂、故障多、运用效率低的落后面貌； 第二次是1 9 8 6 年前，以淘汰4 0 吨以下的旧、小、杂型货车为主要内容的更 新换代，全面提高了单辆货车载重； 第三次是1 9 9 8 年前，以淘汰非转8 a 型转向架和滑动轴承为主要内容的更新 换代，使我国铁路货车在技术结构、运行速度和载重量等方面有了长足进步。 第四次是2 0 0 5 年开始的铁路货车全面升级换代，我国铁路货车技术水平迅速 提升。 2 0 0 5 年开始对既有铁路货车进行1 2 0 k m h 提速改造，改善了转向架的动力学 性能，提高了既有货车运行速度。 提速重载并举的铁路通用货车实现了升级换代。7 0 t 级敞、棚、平、罐等通用 货车已投入使用，实现了铁路货车由6 0 t 级向7 0 t 级的全面升级换代和铁路货车 技术的新跨越。而新型7 0 t 级货车突破了车体轻量化技术关键，应用了可靠性设 计理念，实现了轴重2 3 t 条件下载重达7 0 t 、时速1 2 0 公里和单机牵引5 0 0 0 t 、双 机牵引6 0 0 0 1 0 0 0 0 t 的目标，既大幅度提高了铁路运能，又适应了我国铁路既有 的线路、桥梁、隧道及站场等使用条件，快速提升了我国铁路运输能力。 北京交通大学二程硕士专业学付论文 可箍性基本理论 2 可靠性基本理论” 产品的质量指标有很多种。例如，铁路车辆的指标就有构造速度、垂向和横 向平稳性、脱轨系数和倾覆系数以及结构静、动强度等等。这类质量指标通常称 为性能指标，即产品完成规定功能所需要的指标。除此之外，产品还有另一类指 标，即可靠性指标，它反映产品试验符合标准，但运行几十万公里后是否仍能保 持其出厂时各项性能指标的能力。如车辆投入运营前的各项性能指标，这是运营 部门十分关心的问题。车辆制造厂为了说明自己产品保持其性能指标的能力，就 要通过试验提出产品的可靠性指标，即可靠性特征量平均寿命、可靠度、 失效率等。 2 1 可靠性的定义 按国标g b 3 1 8 7 - 8 2 可靠性基本名词术语及定义，可靠性定义为“产品在 规定条件下和规定时间内完成功能的能力”，这种能力以概率( 可能性) 表示， 故可靠性也称为可靠度。定义中的“产品”是指任何元件、器件、设备和系统： “规定时间”是指产品的工作期限；“规定条件”是指产品的使用条件、维护 条件、环境条件和操作技术：“规定功能”通常用产品的各种性能来表示。对以 上四方面内容必须有明确的规定，研究产品的可靠性才有意义。 2 2 可靠性特征量 研究可靠性特征量，必须首先明确”寿命”的含义。在日常生活中，产品的寿 命往往是指产品总的可使用时间。每一个产品都有自己固定的寿命，但只有在试 验后( 包括使用后) 才能确定。故产品的寿命是一个随机变量，一般用t 表示。在可 靠性工程中，不可修复产品的寿命是指发生失效荫的实际工作时间；可修复产品 的寿命是指相邻两次故障间的工作时间，此时也称为无故障工作时间。从数学上 讲，研究产品的可靠性主要是研究产品寿命的概率分布：而可靠性特征量则是随 机变量寿命的一些描述量。寿命的单位多数为时问，如小时、千小时、年等，也 可以是动作次数、运动距离等。 2 2 1可靠度r ( t ) l 可靠度定义 可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。它 是时间的函数，记作r ( t ) 。设t 为产品寿命的随机变量，则 北京交通大学：亡稃硕士专业：! ：；乏俺论文可靠陛基本理论 r ( t ) = p ( t t )( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 表示产品的寿命t 超过规定时间t 的概率，即产品在规定时j 自j t 内完 成功能的概率。 根据可靠度的定义，可以得出：r ( o ) = 1 ，r ( o o ) = 0 。即开始使用时，所有产 品都是好的；只要时间充分大，全部产品都会失效。可靠度与时问的关系曲线如 图2 1 所示。 r ( t ) 1 0 图2 一l 可靠度与时间的关系 2 可靠度估计值矗( f ) 可靠性特征量理论上的值称为真值，它完全由产品失效的数学模型所决定。它 虽然是客观存在的，但实际上是未知的，它主要应用在理论研究方面。在实际工 作中，我们只能获得有限个样本的观测数据，经过一定的统计计算得到真值的估 计值，称为可靠性特征量的估计值。 ( 1 ) 对于不可修复的产品，可靠度估计值是指在规定的时问区间( 0 ，t ) 内，能 完成规定功能的产品数月( r ) 与在该时间区问开始投入工作的产品数n 之比。 ( 2 ) 对于可修复的产品，可靠度估计值是指一个或多个产品的无故障工作时间 达到或超过规定时间t 的次数 ，( f ) 与观测时问内无故障工作总次数n 之比。 因此，不论对可修复产品还是不可修复产品，可靠度估计值的公式相同，即： r ( t ) = n s ( t ) n ( 2 - 2 ) 2 2 2 累积失效概率f ( t ) l 累积失效概率的定义 累积失效概率是产品在规定条件下和规定时由j 内失效的概率，其值等于 1 一r ( t ) 。也可以说产品在规定条件和规定时间内完不成规定功能的概率，故也称 为不可靠度，它同样是时间的函数，记作f 0 ) 。有时也称为累积失效分布函数( 简 称失效分布函数) 。其表示式为 f ( t ) = p c t f ) = 1 一p ( t t ) = l r ( t ) ( 2 3 ) 北京交通大学工程硕士专业学位论文 可铝性基本理论 从上述定义可以得出： f ( o ) = 0 ，f ) = i 由此可见，r ( f ) 和，( f ) 互为对立事 件。失效分布函数f ( t ) 与时问关系曲 线如图2 2 所示。 【 图2 - 2 累积失效分布函数 2 ，累积失效概率的估计值户f f ) f ( f ) = i r ( t ) = h ，( f ) i n( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，r t y ( r ) 是( 0 ，t ) 时间区间的失效产品数( 不可修复产品) 故障次数 ( 可修复产品) ，n f ( f ) = 盯一月。( t ) 。 2 2 3 失效概率密度f ( t ) l 失效概率密度的定义 失效概率密度是累积失效概率对时间的变化率，记作，( f ) 。 时间内失效的概率。其表示式为 几) ：掣：f ( f ) d f 及f ) = i f ( t ) d t 它表示产品在单位 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 2 失效概率密度的估计值夕( f ) ，(f)：f(t+at)-f(t)：nf(t+at)nf(t)加：1螋(2-7) a t n ”a t 式中，a n f ( t ) 在p ，+ a t ) 时间问隔 内失效产品数。 当产品的失效概率密度p ) 己确定时，由式( 2 - 6 ) 、( 2 - 3 ) 可知 ( f ) 、f ( t ) 、r ( f ) 之日j 的关系，见图 2 - 3 所示。 2 2 4 失效率旯( f ) l 、失效率的定义 失效率是工作到某时刻尚末失 效的产品、在该时刻后单位时间内发 圉2 3f ( t ) 、f ( t ) 、r ( c ) 的关系 北京交通大学r = 程硕七专业学位论文可靠眭基本理论 生失效的概率。记作a ( f ) ，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。 按上述定义，失效率是在时刻t 尚末失效的产品在t t + 扯的单位时间内发 生失效的条件概率，它反映t 时刻失效的速率，故也称为瞬时失效。 枷：l i m 丝三! 三! 箜：l i m f ( t + z 土t ) - f ( t ) ：型上 5 t - ) o p ( t t ) a t b t - - r o r ( t ) a t d t r ( f ) ( 2 - 8 ) 工程实际中，失效率与时问的关系曲线有各种不同形状，但典型的失效率曲 线呈浴盆状，见图2 4 所示。 图2 4典型失效率曲线 由图2 - 4 可以看出，产品的失效可明显划分为以下三个阶段： 早期失效期 这阶段的失效主要由产品的各种质量缺陷造成的。解决办法是对原材料和工 艺进行严格的控制，同时进行质量检验，剔除早期失效件，便其尽可能不投入使 用。 偶然失效期 当失效率相对地呈现为一个常数时，这个时期称为偶然失效期。这阶段失效 将随机地发生，多数为工作应力引起的失效。这一段曲线的纵坐标高度( 失效率) 为m t b f 的倒数( t b f 称平均无故障工作时间) ；沿横坐标方向的长度则为耗损( 老 化) 寿命或使用寿命。 耗损失效期 这阶段的失效是由于不同类型的耗损机理造成的性能退化或老化变质。当产 品使用到一定时间，意味使用寿命期结束，耗损失效期开始。这时产品失效是迅 速上升的。 由产品的制造质量、可靠性和耗损引起的失效，从理论上说都可以贯串其整 北京交通大学 稃硕士专业学位论文 可靠性基本理论 个寿命期，只是每一时期有一种失效占支配地位，即在早期失效期内以质量问题 为主；在偶然失效期内以可靠性问题为主( 产品失效率高，表明可靠性低) ：而在 耗损失效期内以耗损问题为主( 任何产品工作到一定时间后都要失效或性能下 降) 。 2 、失效率的估计值。 不论产品是否可修复，产品失效率的估计值均可由下式求得： 五( f )：n f ( t + a t ) - n f ( t ) n s ( t ) a t ：垒堑塑 n s ( t ) a t ( 2 - 9 ) 3 、平均失效率九 在工程实践中，常常用到平均失效率，其定义为 ( 1 ) 对不可修复的产品是指在一个规定的时间内总失效产品数n f ( t ) 与该批 产品的累积工作时间t 之比。 ( 2 ) 对可修复的产品是指它们在使用寿命期内的某个观测期间，该批产品的故 障发生总数与总累积工作时间之比。 所以，不论产品是否可修复，平均失效率估计值的公式为 v t ) = 牛= n f ( t ) t ，+ ，f ( 2 1 0 ) 式中，t 。第i 个产品失效前的工作时间； n ，一一规定( 或观察) 期间未出现失效的产品数： ”，一一规定( 或观察) 期问出现失效的产品数。 2 2 5 产品的寿命特征 在可靠性工程中，规定了一系列与寿命有关的指标：平均寿命、可靠寿命、 特征寿命和中位寿命等等。这些指标总称为可靠性寿命特征，他们也是衡量产品可 靠性的尺度。 1 平均寿命口 在寿命特征中最重要的是平均寿命。它定义为寿命的平均值。平均寿命的数 学意义就是寿命的数学期望，记作o ，数学公式为 0 = 【t f ( t ) a t ( 2 - 1 1 ) 由于可维修产品与不可维修产品的寿命有不同的意义，故平均寿命也有不同 的意义。一般用m t b f 表示可维修产品的平均寿命，称”平均无故障工作时间”：用 m t t f 表示不可维修产品的平均寿命，称为“失效前的平均工作时间”。 不论产品是否可修复，平均寿命的估计值的表达式均为 北京交通大学i ：程硕士专业学住论文 可靠性基本理论 谷：掣氅婆堕塑：三 ( 2 - 1 2 ) 归西两蔹一一万 u 1 纠 2 可靠寿命、特征寿命和中位寿命 前面已经提到可靠度函数r ( t ) 是产品工作时间t 的函数，在t ：0 时，r ( 0 ) = l ， 当工作时| 且j 增加，r ( t ) 逐渐减小。可靠度与工作时间有一一对应的关系。有时需要 知道可靠度等于给定值r 时，产品的寿命是多少，可靠寿命t r 就是给定可靠度r 时 对应的寿命， 当r ( f ) = e = o ，3 7 时，可靠寿命c 称为特征寿命，对于失效规律服从指数分 布的产品而言，特征寿命就是平均寿命。 当r ( r ) = 0 5 时，可靠寿命瓦；称为中位寿命。当产品工作到中位寿命时，可 靠度r ( t ) 和累积失效概率f ( t ) 都等于5 0 。 2 3 系统可靠性预计 在求得各种元器件失效率后，根据设备所用元器件数量和系统结构可以算出 设备或系统失效率和可靠度，计算方法通常有数学模型法、真值表法、上下限法 和蒙德卡洛法四种。 1 上下限法的基本思想 上下限法又称边值法。对于一些很复杂的系统，采用数学模型很难得到可靠 性的函数表达式。此时，能否不采用直接推导的办法，而是忽略一些次要因素， 用近似的数值来迫近系统可靠度真值，从而使繁琐的过程变得简单昵? 回答是肯 定的。这就是上下限法的基本思想。美国已经将这种方法用在象阿波罗飞船这样 复杂系统的可靠性预计上，并且它的预测精度己被实践所证实。 顾名思义，这种方法要求出系统的可靠度上下限值。首先，它假定系统中非 串联部分的可靠度为l ，从而忽略了它的影响，这样算出的系统可靠度显然是最高 的，这就是上限值。然后假设非串联单元不起冗余作用，全部作为串联单元处理， 这样处理系统的方法最为简单， 但所计算的可靠度肯定是最低的，即下限值。 如果考虑一些非串联单元同时失效对可靠度上限的影响，并以此来修正上述的上 限值，则上限值会逼近真值。同理，若考虑某个非串联单元失效不引起系统失效 的情况，则又会使系统的可靠度下限值提高而接近真值。考虑的因素越多，上下 限值越接近真值。最后通过综合公式而得到近似的系统可靠度。 综上所述，运用这种方法要分三个步骤进行，即计算上限值、下限值及上下 北京交通大学：i ：程硕士专业学位论文 可铝眭荩本理论 限值的综合。 这种方法的优点在于不苛求单元之间是相互独立的，各种冗余系统都可使 用，也适用于多种目的和阶段工作的系统可靠性预计。 2 上下限法的计算方法 ( 1 ) 上限计算 掘上所述，如果认为服从指数分布的非串联联单元的可靠度为l ，则系统可靠 度上限值r 。为 一争山 ：g 智 ( 2 1 3 ) 式中m 一系统中串联单元的个数； 一系统中第i 个串联单元的任务失效率。 若考虑并联部分中有二个单元( 设为j 、k 单元) 同时失效而引起系统失效 的情况，系统可靠度上限值为艮：为 一争m。 如2 = p 。t = i ( 1 一e b f 女) ( 2 1 4 ) j ，l = i 式中，、一分别为j 及k 单元的不可靠度 n 一二个单元同时失效引起系统失效的对数； m 、旯一含意同式( 2 一1 3 ) ( 2 ) 下限计算 下限的计算首先认为所有单元都是串联的，其可靠度下限值尺。为 。一子m r 。= r ，= p 智 ( 2 1 8 ) s = l 式中m 一系统中所有单元的个数； 一系统中第i 个单元的失效率。 如果还考虑非串联部分中任一单元( 设为j 单元) 失效不影响系统工作的 情况，则系统可靠度下限值r u 为 一手m。f r 矿p 篇( 1 + 等) ( 2 - 1 6 ) ，：i1 式中，“非串联部分第j 个单元的可靠度； 乃非串联部分第j 个单元的不可靠度( ：i 一是j ) n 二个非串联单元失效而不使系统失效的并联单元数。 如果再考虑非串联联部分中二个单元( 设为j 、k 单元) 失效不影响系统工作情 况，则系统可靠度下限值也z 为 北京交通火学- 程硕：f ：专业学位论文可靠性基本理论 争 智u + 蔷若+ ，乏。百兹) c z ， 式中，尺，1 、心分别为第j 个单元及第k 个单元的可靠度； ，”、产t 分别为第j 个单元及第k 个单元的不可靠度 ( 3 ) 上下限综合计算 在获得第m 步上下限值以后，可用下面公式来求系统可靠度预测值。 r ，= 1 4 0 只踟) ( 1 一r 。) ( 2 1 8 ) 逐步求上下限值的工作何时结束? 即m 值取多大? 有一个经验公式：当时，即 可用来综合计算系统可靠度。 2 4 寿命预测方法 参考机械类行业对产品寿命的预测方法，根据车辆主要部件的运用特点，介 绍四种寿命预测方法：专家评估方法、试验研究方法、计算机数值模拟方法，以 及数理统计方法。 2 4 1 专家评估方法 由专业知识和实践经验丰富的专家组成评审组，根据现场的实际情况以及专 家的经验来预测结构件的寿命，称为专家评估方法。一般做法是：由组织者把结 构件寿命预测的目的及有关背景资料分别寄给各位专家，要求他们在规定的时间 内对预测对象的寿命进行第一次评估；组织者把各位专家的预测结果进行归纳整 理，并将结果再寄给各位专家，要求他们在规定的时间内进行第二次预测；组织 者再进行归纳整理，如此反复多次，直到专家的意见趋于一致。最后，采用统计 方法和综合评判方法对专家组的意见进行处理，得到最终的预测结果。 虽然这种方法的预测精度不是很高，但在未知寿命值的情况下也不失为一种 简单、实用的方法。 2 4 2 试验研究方法 通过试验束确定提速转向架主要受力部件的寿命也是一种很好的方法。根据 试验方法不同，又可分为两种。一种是通过实测运用车辆转向架主要受力部件的 应力一时日j 历程，采用双参数雨流计数方法编制各测点的应力谱，再结合转向架主 要受力部件用材和典型焊接接头的疲劳性能( p _ s n 曲线) ，按照疲劳累积损伤理 论预测寿命。这种方法需要测出提速转向架主要受力部件上关键危险部位的应力 谱，同时还要得到这些部件用材和典型焊接接头的基本疲劳性能。而且，这些数 据的精度越高，预测的寿命越接近实际，但耗费的人力、财力也越多。 北京交通人学工程硕士专业学位论文可靠性基本理论 另一种方法是室内实物疲劳试验，这种方法己普遍用来对机车车辆产品进 行强度鉴定试验或进行质量抽检试验，采用这种方法预测寿命时，无论在产品研 制阶段还是运用一定时间后的质量抽检中，一般只试验l 2 个实物试件，如若达到 预定的循环周次，即认为达到质量要求，而并不与使用寿命挂钩。采用这种方法 预测寿命时，则需要具备这些受力部件的载荷谱，而模拟实际的载荷工况也是一 个较难解决的问题；若想得出寿命分布或剩余寿命分布，则需要试验十几个实物 构件，因此该方法的主要缺点是周期长、费用昂贵。 2 4 3 计算机数值模拟方法 近年束，随着计算机硬件和软件技术的高速发展，断裂力学的工程应用日益 广泛，采用计算机数值方法预估转向架主要受力部件结构的疲劳寿命已逐渐开 展，如对裂纹车轴剩余寿命的估算。数值模拟方法也分为两类：一类是采用a n s y s 、 i d e a s 等结构分析软件由实测载荷谱对转向架主要受力部件结构进行有限元分 析，然后结合其材料或焊接接头的基本疲劳性能数据，采用m s c f a t i g u e 等疲劳分 析软件预测寿命。另一类方法是通过车辆动力学仿真计算，直接从轨道谱求得转 向架的动力响应，并采用有限元方法计算出转向架构架上各部位的动应力，结合 材料或焊接接头的基本疲劳性能数据，进行构架的寿命估算。这两类数值模拟对 于故障模式多样和受力状况复杂的部件，准确描述和处理其边界条件是一个突出 的困难。 2 4 4 数理统计方法 随着可靠性工程学科的发展，可靠性数据的搜集与分析越来越显示出重要的 价值和作用。通过有计划、有目的地搜集产品在整个寿命周期各个阶段的数据， 通过对数据的统计分析，找出产品寿命的分布规律，进一步分析产品的故障、预 测故障的发展。它既足寿命管理的基础，又是开展新产品可靠性设计和改进原产 品设计的有益参考。 2 5 车辆及部件可靠性分析 车辆的制造、保养、维护、修理和运营均应以可靠度为中心进行。 车辆在使用中发生故障的原因是多种多样的：零部件的磨损、机械损伤、疲 劳折损、锈蚀、永久变形、泄漏等，轻者引起零部件性能变坏和失去工作能力， 重者导致行车事故的发生。也正是由于发生故障，才产生了维修工作的必要性。 车辆的失效一般主要是指磨损、疲劳和腐蚀。 一切有相对运动的接触表面都伴有磨损，其中走行部分尤为严重，如车轮踏 面、摩擦减振器、各种圆销等都不可避免地发生磨损，从而引起它们的尺寸变小， 北京交通大学工程硕士专业学位论文可寝性基本理论 承载能力降低，发生了磨损损伤。疲劳折损就是在交变荷载作用下，应力超过了 疲劳极限而折断，车轴、摇枕、侧架发生的疲劳损伤较多。 腐蚀，主要是指金属、木结构受到大气中水分和其他成分的浸蚀而生锈和腐 烂，这类故障通常发生在车体的结构上，尤其是侧墙和地板。腐蚀与所作用的 金属材料、结构、表面除锈处理、油漆性能和运用状态关系甚大。 开展车辆维修工作的目的，主要是减少车辆的失效，保证车辆良好的技术状 态，减少故障停留造成的损失。 车辆故障在发生和发展的仞期，一般不致于危及行车安全，如能及早发现并 进行修理，仍可使车辆处于良好状态：但是有些故障在运用中很难随时发现，必 须在分解后，使用专门设备检测，才能确定部件好坏，如车辆轮座和轴颈部分的 裂纹等。这就需要进行可靠性分析和预测，以制定出合理的检修周期，强制检修， 确保安全。 由于铁路车辆的各种零部件很多，并且由于受到时问和现场检测数据统计复 杂的限制，无法对每一零部件进行逐一统计分析，只能对能够代表车辆的总体， 并且能够真实地反映出车辆质量好坏的主要零部件的组成进行统计分析，从而确 定其平均故障问隔时间( m t b f ) ，即确定车辆合理的厂修周期和段修周期。 2 5 1 原始数据的搜集 随着可靠性工程学科的发展，可靠性数据的搜集与分析越来越显示出重要的 价值和作用。通过有计划、有目的地搜集产品在整个寿命周期各个阶段的数据， 通过对数据的统计分析，找出产品寿命的分布规律，进而分析产品的故障、预测 故障的发展。它既是寿命管理的基础，又是开展新产品可靠性设计和改进原产品 设计的有益参考。 可靠性数据是开展可靠性评定的基础，它为零部件可靠性指标评定和寿命评 估提供必要的信息。 1 可靠性数据的种类 可靠性数据有两类：一类是可靠性试验数据，另一类是现场数据。 可靠性试验数据是在实验室内有计划地进行试验，测定故障发生的时间后得 出的；现场数据是使用产品的实际失效数据。 2 现场数据的搜集 搜集现场数据需要很多人参与，因此必须有计划地进行，并且需要对其记录 方法、记录纸的设计等进行详细的准备，如不这样做，得来不易的数据就无法分 析。 数据搜集既要与分析目的相适应，还要便于将来分析故障的原因。为形成这 样的数据，记录以下内容是必须的。 北京交通大学 程硕士专业学位论文可靠性基本理论 a 产品种类( 产品名称、编号) ； b 使用环境、使用条件( 包括运行区间、车次) ： c 产品的经历( 使用时间、维修状况) ； d 故障发生的情况( 故障名称