1、前言
随着我国高铁建设的快速发展，高铁已逐步成为了人们出行的首选。为满足人们日益增长出行及服务质量需求，轨道车辆系统的安全、可靠是关键。正因如此，国内外很多机构都在投入相应的人力、物力开展轨道交通系统的可靠性、安全性研究工作。但是，由于轨道车辆系统的可靠性相关标准较少，主要有EN 50126-轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例、GB/T 21562-轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例(即EN 50126)，使得轨道车辆系统的相关研制单位在实施可靠性工作过程中，无所适从。本文结合实例，详细介绍如何开展轨道车辆系统的可靠性分析工作。通过分析，确定轮副及组件分系统的故障率比重较高，且采用球型轴承设计的轮副可靠性比圆柱型轴承设计的轮副高一些。进一步分析这两种设计方案的轮副实际工作环境、使用的材料、使用频率等数据，最终确定两者可靠性存在差异的根本原因。最终的分析结果可以为后续的轨道车辆系统的可靠性设计、改进提供技术、数据支撑。
2、轨道车辆系统可靠性分析流程
关于全寿命周期阶段的轨道车辆系统可靠性工作项目、流程问题，在EN 50126.3标准的第6章节、EN 50126.1标准的第6章节已经详细介绍，这里不再赘述。本文主要介绍的是如何结合相应维修数据、故障数据，开展可靠性分析工作，以支撑轨道车辆系统设计、运行与使用阶段的RAMS工作。
轨道车辆系统的可靠性分析流程大体分为以下几步：
第一：明确可靠性分析目的，明确可靠性分析对象，对轨道车辆系统、子系统组成结构的理解，及其故障的识别和编码；
第二：收集、筛选和分类处理每个子系统的相关故障数据（MTBF、MDBF等，参数含义见附录A）；
第三：验证相同和独立分布的组件的数据；
第四：拟合子系统的故障数据，获得理论的概率分布；
第五：评估每个子系统的可靠性参数，以及最优分布。
需要注意的是：下面的分析是基于以下假设：（1）系统是可修的；（2）系统可进行维修和维护更新；（3）所研究的系统功能是独立的；（4）修复的组件与新的一样好，即修复如新。
3、轨道车辆系统可靠性分析案例
3.1 对象及目的
本次分析的对象是轨道车辆系统。分析的目的是：通过分析，确定轨道车辆系统的薄弱环节，并利用相应的维修数据、故障数据找出薄弱环节的可靠性影响规律，用于评估、确定各分系统的可靠性指标，用于合理确定系统的预防性维修工作计划等。
3.2 数据收集、分类
列车在运行过程中，可能会发生各种各样的故障。但是，只有特定的一些故障才会影响到车厢正常运行、乘客乘车安全。此外，一些严重的故障可能还会导致一个或者多个车厢脱轨，从而导致列车的低可用性、低安全性，影响乘客的乘车满意度。
轨道车辆系统的每节车厢，都是由多个子系统组成，包括转向架子系统、变速箱子系统等，每个子系统由不同的组件、设备组成，每个组件寿命都可能服从一定的失效分布。为了更清晰地判断轨道车辆系统到底是哪个环节更为薄弱，需要对轨道车辆系统的故障进行分类收集、处理。因此，我们首先需要分析列车每节车厢由哪些子系统、组件组成，这样就可以对故障数据进行分类处理。
我们以轨道列车为例，把每节车厢划分为转向架与车轮定位分系统、轮副及组件分系统、空调（冷气系统）、刹车系统、蒸汽加热系统、缓冲系统等组成。根据收集的故障数据、维修数据，进行不同子系统的故障数统计（使用帕托图方法统计）。通过统计可知，轮副及组件分系统的故障比重占76%。因此，我们重点分析轮副及组件分系统的可靠性问题。
通过分析，该公司研制的车厢使用的轮副包括三种类型，分别为I类（770mm、碟刹、球型轴承）、II类（770mm、碟刹、圆柱型轴承）、III类（830mm、蹄片刹车、圆柱型轴承）。分别找出这三类不同轮副的故障与维修数据，进行进一步的分析。
3.3 数据有效性验证、分析
收集到的数据，不能直接用于可靠性分析。需要进行一定的数据有效性验证、分析工作。验证分析主要是对所收集的数据进行有效性验证、分布检验等，确认数据是否服从统一分布、是否具有相关性，确保后续可靠性评估等工作的数据输入的准确性。这里，利用PosVim工具的威布尔分析模块进行验证分析，把表2的数据输入到软件工具中，进行箱图分析、早期失效分析、图示检验、分布检验（AD检验、KS检验、T检等）等多种手段检验。通过检验分析，可以看出，威布尔分布与数据拟合更为合理。
3.4 分布拟合分析
确认数据有效性以及后，即可进行分布拟合、分布参数的估计。利用PosVim工具的威布尔分析模块，使用0.95置信度，极大似然法进行拟合。通过拟合，得到I类、II类、III类轮副的分布参数拟合结果如下表所示。
3.5 可靠性评估
根据三类轮副的分布参数拟合结果，利用PosVim工具的威布尔分析模块分别计算不同时间（这里使用Km为单位）的可靠度。计算结果如下表所示。从结果可知，当列车运行时间达到40000Km时，类型I的轮副可靠度为0.8395（即有0.8395的概率不会失效），类型II的轮副可靠度为0.8017，类型III的轮副可靠度只有0.6851。
通过图6、图7以及表4也可以直观看出，I类、II类这两类轮副是相似、相近的。主要差别是轴承的设计方案不同，造成寿命分布参数不相同。一种使用的是球型轴承设计，一种是选用圆柱型轴承设计。从分析结果可以看出，选择轴承球型设计时，可靠度比圆柱型设计的高一些。但是，不能直接下判断。需要进一步分析这两种轮副实际的工作环境（温度、湿度、振动、受力情况）是否有差异、使用频次是否有差异、选用的材料是否有差异、生产工艺是否有差异。通过多项的对比分析，确定最终造成两种设计可靠性存在差异的根本原因。通过对比，也可以为后续的可靠性改进设计提供数据参考。
3.6 预防性维修间隔期计算
根据三类轮副的分布参数拟合结果，以及可靠性指标要求，可以合理确定预防性维修间隔期。这里使用PosVim工具的威布尔分析模块分别计算可靠度指标要求为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95等值时的预防性维修间隔期时间。计算结果如下表5所示。例如，当轮副可靠度要求不低于0.8时，I类轮副的预防性维修间隔期需要不超过46869.46KM，即列车运行累积公里数不超过46869.46KM，需要进行预防性维修。
4 结论与建议
本文结合轨道车辆系统的实际数据，详细介绍了如何开展轨道车辆系统的可靠性分析工作。通过分析可知，轨道车辆系统的轮副分系统的可靠性偏低，且采用球型轴承设计的轮副的可靠性比采用圆柱型轴承设计的轮副可靠性高一些。通过分析，可以合理评估得到轨道车辆系统的可靠性水平，以及合理确定预防性维修间隔，为轨道车辆系统的研制、管理决策提供重要技术、数据支撑。