铁道车辆产品可靠性管理体系研究

铁道车辆产品可靠性管理体系研究

李娜

（中车唐山机车车辆有限公司，河北  唐山  064000）

摘要：本文系统分析了影响列车产品可靠性的因素，提出列车产品可靠性与性能一体化设计的流程需求及管理体系。以列车产品工作项目为依据，建立初步的性能与可靠性一体化设计的工作流程，形成一套较完整且实用的可靠性工作流程；阐述了可靠性工作项目的选择原则及基本要求，在控制可靠性影响因素的前提下，按照可靠性工作流程开展可靠性工作，进而促进公司形成基本的可靠性工程能力。

关键词：可靠性；管理体系；工作流程

0 引言

可靠性是系统工程技术之一，也是世界先进轨道交通行业普遍采用的关键技术，法国、日本、英国、德国、美国等发达国家和地区均在轨道机车车辆方面成功地实施了可靠性工程。其中以欧洲国家为代表，不仅建立了可靠性系列标准，使可靠性工程实现了系统化发展，还在其产品技术平台上推广可靠性工程，使轨道交通产品的可靠性、维修性和安全性等指标得到了显著提高。我轨道交通产品的用户已经明确提出了关于可靠性的技术要求，愈加重视产品的安全性、可靠性和全寿命周期费用。

可靠性、可用性、维修性和安全性（可靠性）管理就是从系统工程的观点出发，对产品研发阶段的各项可靠性工程活动进行规划、组织、协调与监督，以最少的资源实现产品的可靠性要求。可靠性管理是产品研制管理工作中的重要组成部分。为科学合理地开展可靠性工作，制定可靠性管理与审核办法、相对通用的可靠性工作计划以及可靠性工作流程。针对不同类型列车产品的特点，系统分析列车研制对可靠性的技术与工作需求，确定需要开展的可靠性工作项目。

1 影响国内车辆可靠性的主要因素

在简易低速时代，列车技术比较成熟，列车产品很少出现故障，没有开展可靠性工作，因此可靠性技术及数据积累不足，技术人员缺乏可靠性参与寿命周期活动的意识，这些弊端都没有暴露出来；到了复杂高速时代，运营问题不断：铁路用户开始对可靠性要求不断提高，意识到了可靠性工程的重要性，同时一些问题也暴露出来：可靠性工作薄弱、可靠性工作项目缺乏科学规划、可靠性工作与产品设计脱节、可靠性工作只流于形式。导致我国机车车辆产品的可靠性整体水平较低，维修性差，可用性不高，寿命周期费用高。

根据我国机车车辆行业可靠性技术的应用现状，总结出影响我国机车车辆可靠性的主要因素如下：

在设计过程中，经验设计一直占主导地位，基本上没有或很少考虑可靠性设计，可靠性设计没有得到重视。

人为影响因素：机车车辆的工人、技术人员及领导对可靠性知识了解不深入；

对用户反馈的信息缺乏系统的故障分析、维修性分析；

通过以上分析，能否有效地进行可靠性管理，其先决条件在于通过特定的方式、工具挖掘出所有影响可靠性的因素，并对这些影响因素进行评估、控制和管理。因此，制定一套完善的可靠性管理体系是非常迫切的工程需求，可靠性管理是一项持续不断改进的闭环过程，在系统生命周期的各个阶段通过一系列分析、计划、评估、确认措施进行控制。

2 可靠性工作流程的规划过程

通过分析机车车辆产品的可靠性工作现状，针对现状分析其对可靠性工作流程的需求，然后结合可靠性参数体系、可靠性影响因素及轨道交通行业开展的可靠性工作确定所要开展的可靠性工作项目，接着分析可靠性工作项目间与全寿命周期各阶段的活动间的关系，最后基于SysML活动图构建各阶段的可靠性工作流程模型，如下图所示：

图1 可靠性工作流程的规划过程

3 可靠性寿命周期阶段性活动

系统寿命周期是一系列的阶段，各阶段的工作覆盖系统从最初概念到退出服役和处理的全部寿命周期。寿命周期提供了在车辆系统经历各个阶段的过程中对系统包括可靠性在内的各个方面进行计划、管理、控制和监测的结构。

可靠性寿命周期分为定义、系统定义和应用条件、风险分析、系统要求、系统要求分配、设计和执行、生产、安装、系统确认、系统验收、运行和维护、性能监控、改进和更新、停用和处理等14个阶段，本文结合机车车辆项目执行的情况，根据机车车辆项目的特点，将机车车辆项目可靠性周期划分与高速铁路系统应用相适应的8个阶段：可靠性要求识别阶段、产品策划阶段、产品设计阶段、产品验证阶段、批生产阶段、用户验收阶段、运营维护阶段及报废处置阶段。在7个项目阶段中对机车车辆产品进行可靠性全寿命周期管理。

1)可靠性要求识别阶段

在与用户达成供货协议之前，应尽可能全面识别产品的可靠性要求。获取产品有关的要求，以识别可靠性所需的有关信息，这些信息包括产品功能、性能要求、与其它产品的相互关系和接口；有关法律法规和行业要求；产品运行的环境条件、地理条件以及产品的运行策略；产品维护条件、后勤保障条件、维护策略；可靠性定性定量要求；可靠性要求的验证方法和接受准则、安全论证等要求。

2)产品策划阶段

制定系统保证计划，在整个项目执行周期对系统可靠性进行持续的管理、分析、评估与控制，并详细确定各阶段需进行的可靠性工作及输出文件，以确保项目在执行周期各阶段内均符合系统保证的各项要求，使车辆系统可靠性的各项指标达到相关标准、规范以及买方的技术需求。

3)产品设计阶段

通过开展可靠性分析工作，确定系统的薄弱环节，以预测系统可靠性的表现，确保设计能满足可靠性目标要求。常用的可靠性分析方法有：可靠性模型与预计、可靠性分配、故障模式、影响及重要性分析、故障树分析、事件树分析、危害分析、风险评估、安全原则及规范要求的符合性评估、FRACAS等。任何对安全构成影响的故障模式必须记录在危害登记册上。

4)产品验证阶段

在设计定型阶段、试用阶段或初期使用阶段，通过采用试验、演示或仿真等方法，对可靠性定量和定性要求是否满足研制任务书或合同中的规定进行鉴定或评价，并给出结论性意见。可靠性要求的验证方法可从实验室试验、现场试验、演示、检查、评估、类比分析、数学仿真和综合验证等8种方法中进行选择。针对不同的产品层次、不同的产品特点、不同的验证要求等，确定采用的验证方法。

5)批生产阶段

生产制造单位应严格按照图纸和工艺文件进行生产，对产品工艺过程稳定性进行监控，并对所获得的数据进行统计分析，对薄弱环节提出改进措施，保证生产质量稳定性。各相关部门应组织对生产制造人员、安装维修人员等进行技术培训。

6)用户验收阶段

验收工作由售后服务中心配合用户指派验收员对合同条款及用户要求进行验收，准备验收资料等，如果用户有阶段性验收要求，则验收资料作为以后可靠性相关工作的输入。由售后服务中心负责整理交付记录及交接文件。

7)运营维护阶段

售后服务中心负责收集产品正式运营维护、停用和处置等阶段发生的所有可靠性运营信息，包括供应商发生的故障的信息，都是可靠性持续改善的基础，必须加以收集，作为在整个生命周期中对可靠性进行持续管理基础的产品故障数据库，输入可靠性信息数据库。对于新发现的故障，应及时更新有关文件，如《关键件清单》、《严酷度类别为I、II类的单点故障清单》等，并进一步更新和完善可靠性分析报告。质保期结束后的使用状况跟踪活动应为售后服务的内容，如具体产品项目上有规定负责人/部门负责，则由该负责人/部门完成，所有收集的资料应汇总到研发部门。

8)报废处置阶段

建立安全性计划，保证任何受到停用影响的系统和外部设备能够符合可靠性要求，由售后服务中心组织对用户进行回访，搜集报废处置过程的相关信息，组织相关部门进行危险分析和评估。

在上述每一阶段结束进入下一阶段之前，均应安排阶段性的评审，主要对产品可靠性要求的适应性，标准、假设、工具运用的适合性，可靠性分析的合理性、识别可能存在的风险、可靠性要求的完整性等内容进行评审，评审如果未通过，则不允许进行下一阶段的可靠性工作。

4 可靠性工作项目的选择原则

可靠性工作项目的选取取决于产品的可靠性要求，在确保实现规定的可靠性要求的前提下，应尽可能选择最少且有效的工作项目，即通过实施尽可能少的工作项目实现规定的可靠性要求。

工作项目的费用效益是选择工作项目的基本依据，一般应该选择那些经济而有效的工作项目。为了选择适用的工作项目，应对工作项目的适用性进行分析，可采用如表1所示的“工作项目重要性系数分析矩阵”的方法，得出各工作项目的重要性系数。重要性系数相对高的工作项目就是可选择的适用的项目。

表1中需要考虑的因素可根据具体情况确定，如产品类型（如电子、机电、机械类产品；是否是换代产品、改进、货架产品）及特点、产品的复杂程度、关键性、新技术含量、费用、研发阶段等。每一因素的加权系数通过打分确定(取值为1--5)，一般，对复杂的产品，大多数可靠性工作项目韵加权系数取值为4～5，不太复杂的产品可取1～3。例如高速动车组中的关键产品，FRACAS、FMECA、SCA、元器件零部件原材料选择与控制、ESS、可靠性鉴定试验等工作项目加权系数一般取5；对列车中机械类的关键产品，FRACAS、FMECA、FEA、耐久性分析等工作项目加权系数一般取5。确定了考虑因素并选取了加权值后，将每一个工作项目的加权值连乘，然后按表中的方法计算每一工作项目的重要性系数。考虑的因素和加权系数的取值，与参与打分的专家水平和经验有关。虽然，得到的重要性系数带有一定的人为性，但表示了一种相对的，且经过权衡的结果。利用表1得到的工作项目重要性系数为用户提出工作项目要求提供了依据。

表1工作项目重要性系数分析矩阵

EN50126规定了各类系统可靠性工作的通用要求，但对于具体系统，如何选择可靠性工作项目，应进行权衡分析，给出具体的要求。表2列举了一些可靠性工作项目的基本要求，以供参考。

表2可靠性工作项目基本要求简表

5 结论

可靠性管理体系能够很好地将高速铁路系统可靠性、可用性、维护性和安全性有机结合加以考虑，综合了所有相关的整体、包括硬件和软件生存周期阶段。

1）建立并运行适当且有效的可靠性管理系统，并提出生命周期阶段的可靠性工作要求，对解决我国铁路提速过程中所出现的大量的可靠性问题具有重要作用。

2）可靠性问题是一个需要长期研究的问题，在高速列车的设计、制造及运营维护过程中，可靠性应该单独作为一个设计和考核的指标，以提高产品的可靠性性能。

参  考  文  献

[1]EN 50126-1999: Railway application - The specification and demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety [S]. British Standards Institution, 1999.

[2]EN 50128-2011: Railway applications － Communication, signaling and processing system －Software for railway control and protection systems [S]. British Standards Institution, 2011.

[3]EN 50129-2003: Railway applications － Communication, signaling and processing system －Safety related electronic systems for signaling [S]. British Standards Institution, 2003.

[4]EN 50159-2010: Railway applications － Communication, signaling and processing system － Safety-related communication in transmission systems [S]. British Standards Institution, 2003.

[5]IEC 62278-2002: Railway application - Specification and demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety [S]. International Electrotechnical Commission, 2002.

[6]赵韩.并行工程在车辆产品可靠性管理中的应用.农业机械学报,2005.5

[7]付航．实施以可靠性管理为中心的工程管理．中国民航飞行学院学报，2010．

[8]赵永翔.铁道车辆结构强度可靠性和安全性技术展望.铁道学报.2003.4