接触网RCM维修策略研究

关金发,吴积钦,王旭东,王 伟

接触网RCM维修策略研究

关金发,吴积钦,王旭东,王 伟

(西南交通大学电气工程学院,成都 610031)

现行的接触网运营维修模式是按固定周期检测、按设备状态维修,随着电气化铁路运营的日益繁忙,接触网的天窗时间少,维修的工作时间也就少,为保持接触网向电气列车持续供电功能,要在有限时间完成维修任务,需要投入大量的人力物力执行维修计划,这种运维模式日益暴露出其不足。提出一种以可靠性为中心维修(RCM)的接触网维修策略,根据RCM方法结合接触网的特点,建立接触网RCM组成架构、数据流模型,然后给出接触网RCM决策的流程,由接触网RCM决策机构制定接触网的维修计划,意在减少维修项目,节省维修成本,提高维修效率。

电气化铁路;接触网;维修策略;RCM;主动维修

标准IEC 60300-3-11《可信性管理—Part3-11:应用指南—以可靠性为中心的维修》中给出RCM的定义,RCM(Reliability-Centered Maintenance)即以可靠性为中心的维修,是一种辨识和筛选故障的管理策略,能够有效地满足系统运行的安全性、可用性和经济性。故障管理策略包括维修活动、作业改变、设计修改或其他活动,其目的是根除故障后果[1]。RCM最早应用在商业活动是在20世纪60年代末期,成熟应用是在ATA MSG-3美国航空系统,此后RCM被各大行业所使用,如核工业、海航工业、化工业、石油工业等。RCM在铁路上的应用也是越来越多,如欧盟的2000-RD.10810研究项目“通过提高铁路基础设施的可靠性来确保铁路的安全性”,具体研究内容是RCM方法在铁路基础设施和后期保障管理中的应用[2]。

现行接触网的检修方式是按固定周期检测、按设备状态维修。根据铁道部发布的《高速铁路接触网运行检修暂行规程》里的内容,接触网的维修巡视按固定周期进行[3],如表1所示。

表1 接触网巡检项目及周期

这种维修模式需要投入大量的人力、财力和物力,才能保持或接近接触网的固有可靠性,随着电气化铁路快速发展,这种人力和物力的投入也必须保持同步增长,而且随着电气化铁路运输的日益繁忙,铁路运输能够提供的天窗时间与接触网维修的工作量的矛盾也日益突出。上述只是现行接触网检修方式的一部分不足,从一定程度上说明现行接触网检修方式已不太能符合接触网的维修管理现状。

关于接触网运营维修检修的文献有很多,如:方天滨提出客运专线综合维修天窗开设的时间研究[4];胡晓悦提出一种对比接触网检测值与限制的专家系统[5];李雪提出一种求解最优接触网维修计划的混沌自适应进化算法[6]等。文献[4-5]是采取一定手段优化现行接触网的检修方式,文献[6]是用一种数学方法研究接触网的运维模式,该方法在工程实际难以开展。

将RCM方法应用到接触网专业已开展了一些研究,商奇志提出以RCM为指导的接触网设备维修策略[7];詹广振提出通过对设备的可靠性进行监控来优化维修时间[8]。虽然文献[7- 8]已经试探性地把RCM的概念引入到接触网的维修检修中,但尚未给出一个完整的接触网RCM维修策略。论文提出一种以RCM为研究方法的接触网维修策略,是与以往的周期检测、状态维修不同的维修模式,可以提高接触网的运行效率,节省维修成本,对优化接触网的运维管理有积极意义。

1 接触网RCM的组成及维修项目分类

美国宇航总署(NASA)的RCM包括了预防性维修、预测性测试和检测、修理(也叫修复性维修)和主动性维修等一系列维修优化方法,目的是在满足系统或设备需要的可靠性和可用性前提下,通过减少系统或设备生命周期内的维修和停机时间,以达到增加系统或设备的使用率,减少生命周期费用的效果[9]。参考NASA的RCM结构,结合接触网的特点,给出接触网RCM的基本组成如图1所示。

接触网RCM是以主动维修为主,非主动维修为辅的一套维修策略。主动维修是基于周期维修和检测与监测维修的,利用FMECA和FRACAS等方法,建立以接触网的设备或结构的状态水平和关键度为基准的维修管理办法。其中周期维修的维修项目主要是故障模式以磨耗为主的或故障模式已经确定的故障,如:检修棘轮补偿器,根据接触网检修工艺[10]中规定,棘轮的故障模式是ab值不符合标准、补偿绳存在断股散股或卡滞、棘轮卡滞、制动装置不工作、坠砣破损等。检测与监测维修主要是以随机故障的维修项目,如:某根吊线断股、某根电连接松脱、某个绝缘子破裂,某组腕臂的零件松脱等,这些故障可以通过检测或监测的手段事先发现故障的征兆,预先维修,避免故障后产生的不良后果。检测与监测维修还包括周期维修的大部分维修项目,如:支持装置的检修,可以通过作业车拍摄图片的方式,对比以往数据,找出支持装置有问题的地方,组织维修。非主动维修主要包括故障后维修和设备的更新,如:外界异物把接触线拉断导致铁路运输中断,这种故障是突发性的,此时接触网RCM应马上组织抢修队伍,针对预先制定的接触网断线抢修方案组织接触线的抢修。非主动维修也不是完全不能预测的,接触网的RCM应分析引起故障后维修的故障原因,通过一些纠正行动,避免同类故障的再次发生,或指定此类故障的抢修方案,以作备用。

图1 接触网RCM方法的组成部分

2 接触网RCM数据流

接触网RCM由上述几方面内容组成,但这些内容绝不是简单的拼凑就能完成一个维修策略的,接触网RCM需要建立一个判断决策机构来组织和执行相关的维修任务,首先应把握接触网RCM的输入输出数据,如图2所示。

图2 接触网RCM输入输出数据

接触网RCM的输入数据有设计施工资料、经验数据、试验数据和现场数据。设计施工资料包括接触网设计和施工阶段所有有关接触网维修的资料,如接触网的技术指标、接触网的地理信息系统、接触网的结构等,这些资料对建立接触网的RCM模型尤为重要。经验数据指的是既有的维修方式和检修工艺,如:运行检修暂行规程中对检测监测的周期规定及内容。试验数据包括了线路试验、实验室试验、计算机仿真,这些数据对分析接触网故障,寻找故障原因,根除故障隐患尤为重要。现场数据是来自现场维修时记录的数据,包括现场环境和设备状态,如:检修接触网接地装置时,发现接地线夹有松脱迹象立即维修并记录下损坏的情况。

接触网RCM的输出数据有接触网反馈数据、状态数据、主动或非主动维修计划。反馈数据主要把维修时的环境条件和对日后接触网整改有利的资料记录下来,如:按周期维修时,维修环境的变化,可能与设计维修的环境不一致,接触网设备可能工作在不良的状态,在维修的同时应该把这些环境因素记录下来,以便为日后的接触网整改提供参考数据。接触网设备状态数据是提供给维修人员的参数,是指导维修的依据,在维修计划完成后,须对设备的状态进行评估,若达不到最低的设备功能状态水平,则需要再次制定维修计划,不是执行完维修计划即完成维修任务。接触网维修计划,分主动维修和非主动维修,主动维修根据设备的关键度和设备的状态水平来决定是否采取维修措施。非主动维修如抢修,若RCM中有预先制定好的抢修方案,可以立即开展抢修活动,若RCM中没有预制好的抢修方案,须根据故障状况和现场人员经验开展相关抢修活动。

3 接触网RCM决策流程

接触网RCM是一个维修策略,它除了检测监测手段外,还有故障判断、故障原因分析,故障纠正行为和计算维修成本的功能,其中主动维修的决策流程见图3。

图3 接触网RCM主动维修决策流程

根据图3,接触网RCM按照预先设定的主动维修周期进行设备维修和检测监测,由RCM决策机构判断接触网是否需要维修,若不需要维修则继续按周期维修和检测,若需要维修则由RCM数据库中调出维修项目,配备足够的后勤保障,执行维修任务,维修后需要判断设备的状态是否达到规定的功能,以保持设备输出的性能。

图3中关键的单元是RCM模型和2个判断依据。RCM模型的设计方法主要运用FMECA,FMECA是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响,并找出影响产品可靠性的薄弱环节。通过建立接触网FMECA,列出每一种设备或结构的关键度,这对维修周期的确定是十分重要的。关键度高的设备或结构,应是检测和监测的重要环节,此类设备性能稍有下降则需提出警报,需要提早下次检测该设备的维修周期。对于如何建立FMECA的书籍有很多,如《系统可靠性与维修性的分析与设计》[11],这里只举例说明,表2是接触网部分的FMECA表格。

表2 部分接触网FMECA表格_

接触网RCM中对设备状态水平应分多个评价等级,评价指标可以是设备的技术指标、外观形状指标或是能综合反应设备状态的系数,如:接触线的状态水平可以用接触线高度、张力、磨耗等表示。

接触网RCM是根据设备的关键度和当前、储存状态水平来决定是否进行维修,假设把关键度(Criticality)分为5个等级,每一等级的分数从低到高依次是1、2、3、4、5分。设备状态(Status)分也分为5个等级,每一等级的分数从差到优依次是1、2、3、4、5分。

判断是否维修有2个准则:

(1)检测监测到当前设备状态水平比储存的状态低2个级别及以上时应采取维修措施;

(2)根据图4维修判断矩阵中有‘’标志的,设备需要采取维修措施。

判断准则一比二具有优先权,即,如果设备状态滑落两个等级及以上就需要维修,若只是滑落一个等级则根据判断矩阵判断是否进行维修。

图4 维修判断矩阵

接触网RCM是一个维修策略,最终输出的是维修计划,维修计划包括维修所需的后勤保障措施,如维修所需的机具、金具、备件等和维修的内容、方法,维修后需要验证其是否达到规定功能的标准。

接触网RCM是按设备的关键度和状态水平制定维修周期的维修策略,如:接触线的关键度是5,状态水平是5,此时制定接触线的维修周期为半年,但如果在下一次维修任务发现接触线的状态水平是4,此时应调整接触线的维修周期为3个月,当接触线的状态达到5时又可以把接触线的维修周期调整为半年。又如,一些零部件坏了完全不会影响接触网的供电功能,其关键度为1,直至其故障损坏,才去维修。这样动态的根据设备的重要性和状态水平来调整维修计划,能提高维修效率,节省维修成本。

4 结论

接触网RCM是与以往接触网运营维修模式有区别的一种维修策略,是一种动态的调整技术,旨在满足接触网功能性能包括可靠性、可用性、维修性、安全性等前提下,通过RCM决策机构,考虑设备的故障后果、维修成本和检测监测设备状态,及时调整维修周期,制定维修计划,储存并反馈接触网维修数据。在设备状态理想的情况下,延长维修周期,节省维修成本,在设备状态不良的情况下,根据设备的重要性和故障后果,制定详细的维修计划,做到具体问题具体分析,优化接触网维修管理。

[1] The British Standard.BS EN IEC 60300-3-11可信性管理—Part3-11:应用指南—以可靠性为中心的维修[S].The Standards Policy and Strategy Committee,2010.

[2] THE RAIL Consortium.Reliability centered maintenance(RCM) Approach for the Infrastructure and Logistics of railway operation [EB/OL],2002.http://arcos.inf.uc3m.es/～rail/intranet/.

[3] 中华人民共和国铁道部.铁运[2011]10号高速铁路接触网运行检修暂行规程[S].北京:中国铁道出版社,2011.

[4] 方天滨.客运专线综合维修天窗开设相关问题研究[D].北京:清华大学,2010.

[5] 胡晓悦.电气化铁路接触网管理和状态修系统的研究[J].铁道运营技术,2009,15(4):1-3.

[6] 李雪.高速铁路接触网悬挂系统维修计划的优化研究[J].铁道学报,2010,32(2):24-30.

[7] 商奇志.电气化铁路接触网设备维修策略研究[D].北京:清华大学,2008.

[8] 詹广振.基于可靠性的接触网检修优化研究[D].北京:清华大学,2009.

[9] National Aeronautics and Space Administration.RCMGUIDE RELIABILITY-CENTERED MAINTENANCE GUIDE For Facilities and Collateral Equipment[EB/OL],2008.http://www.nasa.gov/ centers/hq/home/index.html.

[10]中铁电化运营维护管理有限公司.QB/ZTYG-ZHA-187-2008-A运管公司接触网检修工艺(试行)[S].北京:中铁电化运营维护管理有限公司,2008.

[11]章国栋.系统可靠性与维修性分析与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.

Study on Optim ized Maintenance Strategy of Overhead Contact Line System Based on RCMTechnology

GUAN Jin-fa,WU Ji-qin,WANG Xu-dong,WANGWei
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

electrified railway;overhead contact line system;maintenance strategy;RCM; proactivemaintenance

U226.8

A

1004-2954(2013)07-0097-04

2012-11-22;

2012-11-29

铁道部科技研究开发计划“高速铁路接触网关键设备在线监测技术研究”(2011J017-A);国家科技支撑计划“城轨交通基础设施全息化移动检测与运维关键技术及系统研制”(2011BAG01B04)

关金发(1986—),男,博士研究生,E-mail:kwanjinfa@ 163.com。

Abstract:Nowadays,two factors constitute the maintenance mode of overhead contact line system (OCS):inspection by fixed period,and condition-based maintenance.However,with the increasingly busy operation of electrified railways,themaintenancework time for OCShas becomes far less relatively. Moreover,for supplying power source continuously to electrified trains under this maintenance mode, there is always a need for carrying outmaintenance plan and task by great deal of human and material resourceswithin a limited time.In a word,the traditionalmaintenance mode is no longer suitable for railway development.For this reason,this paper provides a new maintenance strategy for OCS based on reliability-centered maintenance(RCM)technology.Firstly,according to RCMtechnology and combining with OCS characteristics,the RCMarchitecture and data flowmode should be setup.Next,a RCMdecision procedure forOCSshould be given,so thatamaintenance plan can beworked outby RCMdecision-making body.The new maintenance strategy for OCS can reduce maintenance items and cost, improving maintenance efficiency.