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新型货车的可靠性设计论证

作者:不详 ; 发布时间:2019-5-14 7:06:06 ; 来源:互联网  点击:

作者:钱立新  铁道科学研究院首席专家、博士生导师、研究员  

摘要:论述了货车可靠性设计的一种新理念,即不仅要求有良好的性能指标,而且更重要的是要求具有好的综合效能,即可靠性高、少维修。从货车转8A转向架长期运用实践中发现的问题,说明加强货车可靠性设计的重要性。通过国际上货车进行可靠设计及可靠性试验的典型例子,说明对我国新型货车转向架进行环行线可靠性试验的必要性,并列表比较了环行线可靠性试验比实验室,现场可靠性试验在各方面的优越性。


0.前言
   运输安全是铁路实现跨越式发展的重要前提。而实现技术装备现代化则是确保运输安全的关键环节,是提高铁路运输效益的重要条件。为了实现货物运输重载快捷的目标,尽快研制生产技术先进、性能可靠、运行安全的新型货车已成为当务之急。铁道部有关主管部门及时提出新型货车的设计必须吸取国际先进的设计理念,将产品的寿命周期、成本和效能这两根主线,贯穿于设计全过程,并加强可靠性试验。本文针对货车可靠性设计与试验进行较全面的可行性论证。

1.货车可靠性设计的新理念
当前国际上以及在国内众多行业,在产品设计思想上已经有了一个概念性的突破。传统的设计思想是性能第一,只要单一达到所要求的性能指标,就认为产品已经成功。但
是通过长期的工程实践,发现曾流行的看法:“产品性能好则说明其质量好”,“生产出符合规定性能要求的产品就说明产品符合质量要求”,已经站不住脚。当前设计思想发生概念性的突破是从单一追求性能,到抓综合效能的变革。按照可靠性设计理论,系统综合效能
就是系统在规定的条件下满足给定定量特征和服务要求的能力。它是系统可用性、可信性及固有能力的综合反映,一般可用下式表示:
E=A·D·C
式中:E——系统综合效能;
A——可用性;
D——可信性;
C——固有能力
这里所说的“可用性A”就是“开则能动”;“可信性D”就是“动则成功”;“固有能力C”就是“性能良好”。“可用性”、“可信性”是与平均故障间隔时间TBF与平均修复时间TTR直接有关,即:也就是说是可靠性(R)与维修性(M)的函数。效能E和可靠性R、维修性M之间的关系可用图l表示。从图可见、效能E也为R、M、C的函数;



E=f(R、M、C)



图1 效能与可靠性、维修性的关系



人们已普遍认识到,在提高产品性能的同时。不断提高其可靠性,以减少故障和延长使用寿命.才能提高产品的可用性及可信性,从而实现提高产品综合效能的目的。所以,各级领导及设计人员的设计思想除了从单一追求性能向抓综合效能转变外,还应具有综合权衡的设计思想。产品的采购价格固然重要,但一个产品的寿命周期成本费用(LCC)更为重要。由于可靠性、维修性差导致故障多、寿命短、从而使维修量加大,这是使LCC成本剧增的重要原因。从而可见效能和寿命周期成本两者已成为评价一个产品质量的核心。
任何一件产品,其整个使用寿命期都是符合浴盆曲线的(见图2),从浴盆曲线可见,一件产品有三个寿命期:即早期故障期、使用寿命期和耗损期。在早期故障期,产品会发现一系列早期故障。只要产品的可靠性高,则早期故障的时间将会缩短,产品就会进人稳定的使用寿命期,这时产品的故障率基本恒定,平均故障间隔时间延长达到正常的要求。当产品的故障率基本恒定,平均故障间隔时间延长达到正常的要求。当产品进入耗损期,产品的故障率迅速上升,这时产品巳进入寿命终止期。产品的使用寿命期越长,早期故障期越短,表示产品的可靠性越高,它的寿命周期成本费用也会越低。
 
图2  产品寿命期浴盆曲线
     铁道货车是一种全天候运行的、环境条件比较恶劣的移动运输机械,它对可靠性,维修性的要求是非常高的。从新的可靠性设计概念出发,铁道货车不仅要求有良好的性能指标(包括运行的稳定性、平稳性等),而且更重要的是要求它具有好的综合效能,也就是可靠性要高,并作到少维修。否则会始终处于早期故障期使用条件中,造成性能失效。这一设计思想现在已经被越来越多的人所接受,包括铁道部领导、业务主管、各铁路局使用部门以及工业制造部门。

2.货车转8A转向架的长期运用实践表明加强货车可靠性设计的重要性
我国现有的货车转向架85%以上是转8A型。转8A型是20世纪60年代我国自主开发成功的货车转向架,当时为了适应货车从小型车为主(30t、40t载重)向大型车方向(50t·60t载重)发展的急迫需求。转8A转向架的原始参照物就是美国当时普遍采用的铸钢三大件转向架(Bar—Ber型),当时的设计思想还是传统的以性能为主,单一达到性能指标的观念,所以对可靠性设计思想,根本尚未涉及。在20世纪60年代转8A转向架全面推广之前,曾在环
行线上作过完整、系统的性能鉴定试验。空、重车条件下试验速度最高达到120km/h,所测得的动力学性能良好,又在正线上进行过运行性能考核,所得结果符合性能指标要求。然后铁道部下令全面推广。由于当时我国客货列车运行速度偏低,货物列车平均旅行速度仅30--40km/h,因此,转8A转向架的可靠性缺陷暴露得不明显,在20世纪70~80年代仍然对完成货物运输任务发挥相当大的作用。
20世纪80年代之后,随着货物列车的重载与提速的发展,转8A转向架的可靠性寿命问题越来越暴露,由于在运行中其减振器立柱磨耗板、斜楔块磨耗等引起转8A转向架抗菱形刚度严重下降,蛇行运动加剧,临界速度急剧下降,平均故障间隔时间大大缩短,在速度为80km/h及以下时,遇到某些线路条件不良,即会引起失稳造成脱轨事故。1997年5月9日到8月6日在徐州以南津浦线十里堡至桃山集间直线区段连续发生7起货物列车脱轨事故,列车最高运行速度77km/h;1997年6月30日、7月13日在大秦线直线区段上连续发生两起货物列车(整列空车)脱轨事故,最高运行速度75km/h。这两批事故引起铁道部极端重视,责成铁科院和济南局、北京局在上述脱轨区段分别组织进行了系统的货物列车脱轨试验。试验结果表明,转8A转向架由于减振器磨耗大造成蛇行运动临界速度降低,空车状态下脱轨系数,轮重减载率随速度提高以很高速率增大,是脱轨极大的隐患。铁道部科技司于1996年还专门组织铁科院和沈阳局在沈大线大石桥区段进行转8A转向架提速试验研究,结果表明当转8A转向架各零部件磨耗还均在运用限度之内时,空车状态下的最高运用速度只能达到80km/h速度级。
综上所述,转8A转向架的“可用性”已严重不适应货物列车提速到80km/h以上的要求,主要表现在平均故障间隔时间缩短,可靠性、维修性均不能满足货物列车提速、重载运输的需求。

3.国际上货车进行可靠性设计及可靠性试验的典例
3.1 美国货车转向架新的设计概念
美国是世界上铁路货运系统最庞大的国家,共有各型货车约140万辆,基本上都是铸钢三大件式货车转向架。其中Barber式转向架(我国转8A转向架的主要参照物)约占美国货车转向架的70%。由于近40年来美国铁路发展货运重载和提速,在20世纪70~80年代,随着运行速度提高,三大件式货车转向架在70~80km/h时出现蛇行运动加剧,甚至造成脱轨事故,制约了货物列车运行速度的提高。于是在二十世纪八十年代美国铁路提出了可靠性设计的新概念,应用了美国发展航空航天事业总结出来的可靠性设计理论与方法,对货车转向架进行了系统的可靠性设计分析以提高其综合效能,其实际的设计目标就是提高性能效益和降低寿命周期成本(LCC)。因此。美国铁路对货车转向架进行了全面研究后,在设计阶段就明确提出可靠性的要求。据美国诺斯洛普公司估计,在研制阶段为改善可靠性和维修性所花费的每l美元,在以后的使用和保障费用方面可节省30美元。经过可靠性设计,美国有两种新造货车转向架在保持三大件转向架结构简单、制造成本低的优点的同时,通过改进零部件性能或加装部件的方式.取得了提高性能与降低寿命周期成本的综合效能。这两种转向架是:交叉支撑转向架(最高运行速度可达128km/h,35t轴重,运用超过15000辆)和摆动式转向架(最高运行速度160km/h,35t轴重,运用超过35000辆)。
3.2 美国新型货车转向架进行环行线的可靠性试验
可靠性试验是可靠性设计的重要组成部分,它不仅是对产品作合格、不合格的结论,而且更重要的是通过可靠性试验发现产品可靠性方面问题,采取有效措施予以纠正,从而提高产品的可靠性。美国一个可靠性研究总结报告指出:“大型的电子,机械系统首台样机,初期的平均故障间隔时间(MTBF)只有要求的十分之一左右。必须经过一系列的各种可靠性试验,发现及判明存在的缺陷。……所花的可靠性试验时间,大体上是要求的MTBF值的5~25倍左右”。美国铁路充分认识到新型货车转向架进行可靠性试验的重要性,因此对新产品不仅作了各种性能试验,而且投入大量的人力、财力、物力在美国科罗拉多外l交通运输部的普韦布洛环行道FAST快速运营试验线上进行可靠性试验。自1976年开始美国在FAST线上进行了两期可靠性试验:1976—1987年共花费11年进行了30t轴重转向架(三大件)的10亿t总吨位的可靠性试验;1988年—2000年又花了12年进行了35t轴重转向架的10亿t总吨位可靠性试验。为在美国开行大轴重重载列车提供了安全性、可靠性及经济性的科学依据。
在第二期大型可靠性试验中,共分五个阶段。其中第三阶段是新型货车转向架的可靠性试验。1995年11月美国铁路在普韦布洛环行线的FAST快速运营试验线上进行了77辆编组、安装了三种35t轴重新型转向架的可靠性试验。这三种新型转向架是从10种新设计转向架中经过采用NUCARS程序模型仿真计算,然后根据美国AAR“新型货车性能指标判据”第六节要求,在现场经过试验后挑选出来的。这三种转向架包括交叉支撑转向架S-2-HD,摆动式转向架及控制型转向架。根据可靠性试验的时间要求,大体上是MTBF值的5—25倍。而美国货车正常的MTBF时间一般为2—3个月,因此这三种新型转向架可靠性试验的时间为13个月(1995年11月~1996年12月底),总吨位达3.85亿t。试验列车基本上全是装煤的重载敞车。4~5台机车牵引,最高速度可达128km/h。在测试每种车型的性能参数时可分重车、空车测试。
对这三种新型转向架货车可靠性试验结果表明,经13个月3.85亿t总运量试验。均能达到浴盆曲线的稳定使用寿命期,故障率基本恒定。而且与传统三大件转向架的试验列车(第一阶段)相比,新型转向架的轮轨横向力平均降低了50%,前导转向架轮对冲角也平均降低了50%,钢轨的磨耗量降低了50—80%,取得了良好的性能价格比。
3.3 俄罗斯新型通用货车进行运营的可靠性评价
俄罗斯铁路已经充分认识到货车车辆运营可靠性的重要性。但是由于车辆制造厂对可靠性的指标没有检查,因此,提高货车的运用可靠性,保证在段修期内的无故障成为俄罗斯铁路迫切期待解决的问题,1986--1988年俄罗斯铁路对俄罗斯新造的四轴通用货车,根据两年的运营结果,对其可靠性指标进行了基本评价,见下表。
俄罗斯铁路新型通用四轴货车的可靠性分析(1986—1988)
车   型指   标 YBC3敞车 KBC3敞车 M3TM敞车 ABC3棚车 DC3平车 M3TM罐车
运用一年的年故障件数 0.227 0.312 0.714 0.463 0.117 0.271
运用一年的年故障件数 0.379 0.355 1.865 0.31l 0.271 0.250
可靠性系数 0.991 0.989 0.966 0.980 0.991 0.990
可维修性系数 0.546 0.497 0.102 0.469 0.570 0.616
无故障工作保证期(月) 13.9 14.5 15.1 13.8 14.6 13.6

俄国家标准FOCT27.002—89规定100辆新车中一次运行周转时间内的无故障率应在99辆以上,车辆无故障工作保证期应为24个月。从上表所研究的车辆,100辆中一次运行周转时间内需摘车修理的达到4辆。无故障工作保证期只有13.6~15.1个月。其中转向架部件的指标最差。
3.4 欧洲、日本的货车可靠性问题
欧洲、日本的货车牵引吨位较低,不属于大轴重重载运输模式。欧洲120km/h快运货车较普遍,轴重不超过21t,转向架均为构架式轴箱弹簧转向架,簧下重量小,如Y25系列等,这些转向架都经过系统的疲劳试验及现场长期运用考核、不断改进,具有较高的性能指标及可靠性。对于高速货车转向架,如法国Y37型,德国明登型等,性能良好、运行速度在160km/h以上,如法国、德国、意大利等国均利用高速铁路夜间空闲时间开行高速货物列车或高速邮政列车,运送高价值、贵重的快递零担货物。这些转向架也通过反复试验验证,具有很高的可靠性,德国曾经创造货物列车213km/h的世界记录。

4.对我国新型货车转向架进行环行线可靠性试验的必要性
鉴于上述,世界各国铁路正在以新的概念实现铁路货物车辆的可靠性设计及可靠性试验,为了更好地对我国新型货车转向架进行开发与定型,按照国际先进经验实施货车转向架提速工况下的可靠性试验,其必要性在于:
4.1 货物车辆是满天飞的移动设备,其工作环境决定其必需具备可靠性
由于货车车辆没有配属,其工作条件及维修条件比有配属的旅客列车更为恶劣。而且全路目前共有货车车辆54万辆,其中85%以上是通用型货车(敞厂、棚车、平车),货车提速的主要对象也是这些通用型货车。这些车辆正是担当大宗货物(煤、铁矿、建材、木材等)运输的主力,而大宗货物运输量占铁路总货运量的60%以上,因此,为了确保铁路的货运市场,提高货物运输质量,必须对货车车辆加强可靠性要求,这是全路整个提速战略中关键性的一环。
4.2 我国新型货车转向架的开发必须补上可靠性试验这一课
据国军标GJB451--90对可靠性的定义为:“产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力”。在我国,现在已有四种快运货车转向架。它们是:①转K1型转向架,具有中交叉支撑装置的铸钢三大件式转向架(最高试验速度138km/h);②转K2型转向架,具有下交叉支撑装置的铸钢三大件式转向架(最高试验速度138km/h);⑧转K3型转向架,为焊接构架式轴箱弹簧转向架(最高试验速度140km/h)。④转K4型转向架,为摆动式转向架(最高试验速度140km/h)。其中转K2型转向架已投入运用约10000辆,转K4型转向架已投人运用500多辆,转K2型转向架是小批量生产比较多的一种,自2000年投入运用至2002年2月,转K2型转向架已发现交叉支撑装置裂纹、折断、弯曲、变形等故障22起,其原因正在分析之中,但从这一事例进一步说明,各种新型货车转向架在定型准广前,其可靠性有待进一步的验证,必须补上可靠性试验这一课。
4.3 在环行线进行可靠性试验是周期短,费用省,效果佳的可靠性统计验证试验方法
可靠性统计验证试验是可靠性两大试验门类中的最重要一种,其目的是验证产品是否达到了规定的可靠性要求,确定产品的设计与要求的一致性,由订购方用有代表性的产品在规定条件下所做的试验并以此作为批准定型的依据。另一种试验为可靠性工程试验,目的是暴露工艺、元器件、原材料等方面存在的缺陷而加以排除。
利用环行线进行货车转向架可靠性试验是国际上推崇的一种较好的方法,美国已在FAST环线上应用取得成功,当然可靠性统计验证试验也可采用实验室整车试验台试验方法,或采用现场运用试验并对其追踪进行数据积累的方法,但这两种方法与环行线试验相比较,其优缺点见下表所示,足以可知环行线可靠性试验是周期短、费用省、效果好的方法。
铁道部已于2003年12月18日开始.正式实施新型货车120km/h的环行道可靠性验证试验。第一阶段为各种新型货车转向架专列试验,其中包括安装转K2型,转K4型两种新型货车转向架各一半的各种典型类型货车共24辆编组成专列,由SS7D型机车牵引,试验运行速度120km/h,第一阶段试验总行程18万公里,目前已运行了6万km,基本情况正常,试验在规定的程序指导下正存讲行之中。

环行线可靠性试验与实验室、现场可靠性试验的比较
序号 比较内容 实验室试验 现场试验 环行线试验
1 试验条件 很难全部模拟产品真实的环境条件及使用情况 结合用户运用进行,其环境条件和使用情况真实 不干扰现场运输,而且环境条件和使用情况比较真实
2 试验数据 数据收集和分析较方便,容易获得所需信息 数据记录的完整性和准确性较差 数据收集和分析较方便,容易获得所需信息
3 受试产品的限制 由于试验设备的限制,对线路设备的影响无法做 由于运用车辆满天飞,无法对线路设备影响作考核 对线路设备的影响可以做
4 故障发现与纠正 可以较早地通过试验发现故障,进行纠正 产品出厂运用后再发现问题,纠正晚 可以较早地通过试验发现故障,进行纠正
5 子样数 少 结合用户运用,子样多 可以任意选择进行编组,子样多
6 试验周期 单样产品试验,周期长 现场运用,周期很长 可以进行大载荷量快速连续试验、周期短,见效快
7 费用 环境条件的实现设备昂贵,试验周期长,人力、财力、物力开支大 结合用户运用进行,设备费用少,但人力追踪费时费钱 费用适中,价格性能比最佳。

 
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