第一节　机车的可靠性、维修性与故障理论

一、故障理论

1.故障的定义

研究故障的目的是为了故障诊断、故障预报、查明故障模式、研究故障机理、排除故障和改进设计等，以减少或消灭故障的发生，提高机车的可靠性和有效利用率。

对于产品一般可分为可修复产品和不可修复产品两大类。不可修复产品是指产品发生故障后不进行维修而报废的产品，其中包括有的产品在技术上不便进行维修，一旦产生故障只有报废；有的产品是价格低廉的消耗品，维修很不经济，如灯泡等；有的就是一次性使用，如电容器等不存在维修问题的产品，在机车车辆中属于这类产品的有轴承、活塞环、油封及部分电气元器件等。机车车辆和其他机械设备大多属于可修复产品，在使用过程中都是通过修复或者更换新的零件或部件以恢复其原来的使用性能。

按有关国标的定义，失效是指产品丧失规定的功能。对于可修复产品通常称为故障；对于不可修复产品称为失效。在一般情况下，“故障”与“失效”是同义词。

机车车辆故障是指整车整机及其零部件的某项或多项技术经济指标偏离了它的正常状态，在规定的使用条件已不能完成其规定功能。如某零件及其配合的损伤、部件的损坏导致功能不正常或性能下降；发动机、电动机功率降低；机车牵引力下降；传动系统失去平稳、振动噪声增大；燃料和润滑油的消耗增加等。因此，凡偏离了它的正常状态或规定的指标范围时均属于故障。

2.故障的统计特征参数

故障统计特征是以产品的故障统计特征量为基础进行可靠性分析，并以量化的可靠性指标来表征。这些特征也是可靠性工程中应用的指标。所以可靠性指标与产品的故障分布具有密切的关系。

机械产品的技术状况总是随着使用时间的延长而逐渐恶化的，其使用寿命总是有限的，产生故障的可能性也总是随着使用时间的延长而增大，因而它是时间的函数。同时，机械故障的发生具有随机性，因此机械发生故障的情况只能用概率来表示。

（1）累积故障概率与可靠度的关系

假设有同一种类的产品N个，在t=0时开始使用，该产品工作到一定的时间t，有Nf个产品出了故障，余下Ns个（残存数）产品还在继续工作。Nf和Ns都是时间的函数，因此可以写成Nf（t）和Ns（t）。则

Nf（t）+Ns（t）=N

累积故障概率可近似地用该时刻出了故障的产品数量与投入使用产品数量之比来表示，即

从概率的概念出发，如果用随机变量T来表示产品从开始工作到发生故障的连续正常工作时间，用t表示某一指定时间，则产品在该时刻的可靠度R（t）为随机变量T大于时间t的概率，即

R（t）=p（T>t）

其对立事件的概率，即累积故障概率函数F（t），为随机变量T小于或等于t的概率，即

F（t）=p（T≤t）

显然，产品在规定时间内故障与不故障是对立的，因此有时也把产品的累积故障概率函数F（t）叫做不可靠度。

可靠度R（t）与函数F（t）的关系，可表示为

R（t）+F（t）=1

（2）故障分布密度函数与可靠度的关系

通常把累积故障概率函数F（t）的导数叫做故障分布密度，记作f（t），用下述公式描述

故障分布密度函数f（t）和F（t）、R（t）的关系如下：

由上述可以得知，可靠度R（t）与累积故障概率函数F（t）成互补关系，累积故障概率函数F（t）与故障分布密度函数f（t）成微积分关系。

在工程中确定故障分布密度f（t）时，可以近似地用在t时刻给定的一段时间Δt内，同一种类产品单位时间内发生故障的数量（ΔNf（t+Δt）/Δt）与投入使用的或试验的总产品数量N之比，即

（3）故障率与可靠度的关系

①故障率定义：产品在t时刻后的单位时间内故障的产品数，相对于t时还在工作的产品数的百分比值，称作产品在该时刻的瞬时故障率λ（t），习惯上称为故障率。

假定N个相同产品其可靠度为R（t），那么产品在t时刻到t+Δt时刻的故障数为

NR（t）-NR（t+Δt）

又由于产品在t时刻正常工作的产品数为NR（t），则瞬时故障率可以写成

当N足够大，Δt→0时，利用极限概念可化为求导数的形式，则

在实际工程计算时可按下式计算

这样，故障率可以表示为产品在某段时间内的故障数与此段时间内的总工作时间之比，即

故障率λ（t）表示的是某时刻t以后的单位时间内产品的故障数与t时刻残存产品数之比。它反映了该时刻后单位时间内产品故障的概率。因此，有人把故障率称为故障强度。所以产品故障率愈高，其可靠性愈差。而故障分布密度f（t）反映的是某时刻t以后，单位时间内产品故障数与t=0时总产品数之比。因此故障分布密度反映产品在所有可能工作时间范围内的故障分布情况。故障率与故障分布密度反映了不同的概念。

②故障率是规定时间（或时间间隔）内产品发生故障的百分数，如％/h或％/1000h。开关类间歇工作的产品用％/动作；机车车辆也可用％/km或％/千km。

【例1-1】设100只某种轴承在1000h内无失效，在1000～1001h内失效1只，1001～1005h内失效13只。求该轴承在1001h和1005h的失效率。

解：当1001h时，

③平均寿命的定义

平均寿命这个术语，对不可修复产品和可修复产品在概念上是不相同的。对不可修复产品是指平均无故障工作时间；对可修复产品是指平均故障间隔时间中的平均工作时间，而不是指每个产品的报废时间。

平均无故障工作时间用MTTF（Mean Time To Failure）表示，是不可修复产品故障前工作时间的平均值或数学期望值。

平均故障间隔时间用MTBF（Mean Time Between Failure）表示，是可修复产品在相邻两次故障之间的工作时间的平均值或数学期望值。

不管是可修复产品，还是不可修复产品，其平均寿命在数学上的表达式是一致的。

设N个相同产品在相同条件下进行使用或试验，测得全部寿命数据分别为t1，t2，…，ti，则其平均寿命为MTTF

在工程实践中，对于可修复产品，平均寿命是指一个或多个产品在它的使用寿命期中的某段时间内的总工作时间与故障数之比，即

需要注意的是对统计一批数量为N的产品，所求得的平均寿命，仅是正常工作时间的数学期望值。

3.机车与机件的故障规律

机车、车辆、柴油机及某些机件的故障规律是这些产品、零部件在使用寿命期内故障的发展变化规律。大多数产品的故障率是时间的函数，如图1-1所示，故障率曲线像浴盆的断面，因此，也叫“浴盆曲线”。产品的故障率随时间的变化可划分为三个阶段：早期故障期、偶然故障期和耗损故障期。

（1）早期故障期

早期故障期出现在产品开始工作的较早时间，它的特点是故障率较高，且故障率随时间增加而迅速下降。故障的原因往往是设计、制造的缺陷或修理工艺不严谨，质量不佳引起的。例如使用材料不合格、装配不当、质量检验不认真等。对于刚修理过的产品来说，装配不当是发生故障的主要原因，对新出厂的或大修过的产品，可以在出厂前或投入使用初期时较短的一段时间内，进行磨合或调试，以便减少或排除这类故障，使产品进入偶然故障期。因此，一般不认为早期故障是使用中总故障的一个重要部分。

（2）偶然故障期

这是产品最良好的工作阶段，也叫有效寿命期或使用寿命期。它的特点是故障率低而稳定，近似为常数。这一阶段，故障是随机性的。突发故障是由偶然因素引起的。如材料缺陷、操作错误以及环境因素等造成的。偶然故障不能通过延长磨合期来消除，也不能由定期更换故障零部件来预防。一般来说，再好的维修工作也不能消除偶然故障，偶然故障什么时候发生是难以预测的。但是，人们希望在有效寿命期内故障率尽可能低，并且持续的时间尽可能长。因此，提高运用与管理水平，适时维修，以减少故障率，延长有效寿命期。

（3）耗损故障期

这是产品的使用后期。其特点是故障率随时间的增加而明显增加，这是由于产品长期使用，由磨损、疲劳、腐蚀、老化等原因造成的。防止耗损故障的唯一办法就是在产品进入耗损期前后及时进行维修，这样可以把上升的故障率降下来。如果产品故障太多，修理费用太高，即不经济，则只好报废。可见，准确掌握产品何时进入耗损故障期，对维修工作具有重要意义。

以上三个故障期是就一般情况而言的，并不是所有产品都有三个故障阶段，有的产品只有其中一个或两个故障期，甚至有些质量低劣的产品在早期故障期后就进入了耗损故障期。例如，发动机的曲柄连杆机构的磨损基本上是按照这三个时期发展的（A曲线）；减速器通常只有后两个时期（B曲线）；油路、电路一般只表现出一个时期（C曲线）；紧固件则基本上有前两个时期（D曲线）；而某些质量低劣件，则偶然故障期很短，即进入耗损故障期（E曲线），如图1-2所示。由此可见：

①由于机件的工作条件和品质不同，其实际故障规律也不同；

②即使符合典型故障率浴盆曲线，但其故障率曲线的长短也不一样，这一点需要在制订维修制度和维修计划时认真探索研究。

在偶然故障期内，产品故障率λ（t）基本为常数，λ（t）=λ，λ>0。

因为

解此微分方程，利用初始条件，t=0时，R（t）=1，得

R（t）=e-λt

F（t）=1-R（t）=1-e-λt

亦即可靠度为指数分布。于是在偶发故障期内，不可靠度F（t）及其概率分布密度函数分别为

二、机车的可靠性

1.可靠性的概念

产品设备的可用性、可靠性和维修性是产品固有的三大特性，产品设备的可靠性具有三个要素：一是条件，包括产品的储存、运输、使用安装现场和操作环境等条件；二是时间，是指产品使用的期限或时间区间；三是功能，即产品规定的功能。

因此，可靠性定义为：系统（产品设备）在规定条件下和规定的期间内完成规定功能的能力。可靠性的数值度量为可靠度，可靠度是可靠性的基本数量指标之一。

从产品的故障规律“浴盆曲线”中可知，偶然故障期正是产品可靠的使用寿命期，其故障类型属于恒定型。在这个阶段，产品的寿命分布服从指数分布。对于机车车辆产品，当其进入耗损故障期前就应进行维修，恢复其功能。因此，不论是可修复产品还是不可修复产品的可靠性研究，指数分布是常用的一种分布形式，具有与数理统计学中正态分布同等的地位。

对于要求具有高可靠性的机车车辆产品，恒定型偶然故障期是可靠性研究的主要对象。因为，系统产品、零部件的有效寿命或者平均寿命（MTBF）是维修决策的重要依据。其在此期间的故障率λ（t）=λ（λ为大于零的常数），其对应的可靠度函数为指数分布

2.可靠性设计概述

可修复系统（产品设备）的可靠性数量指标与故障的统计特性量及维修性指标是一致的。

可靠性设计是在产品性能设计和结构设计阶段针对系统、产品和零部件，应用可靠性手段，降低产品失效率，提高产品的可靠性，保证产品质量的一种设计。可靠性设计包括：可靠性论证、可靠性结构设计、可靠性试验。在可靠性论证中，主要是确定产品、系统的可靠性指标并进行可靠性预计、分配及可靠性指标的平衡。

机车车辆等机械产品系统是由若干个单元部件子系统构成，根据产品结构图纸可以做出装配系统图。参照装配系统图可进一步做出系统与所有构成单元部件子系统之间，以及各部件与各级分组件、零件之间的可靠性逻辑图，这个逻辑图反映了它们之间的可靠性功能关系。利用这种逻辑关系，建立数学模型对系统的可靠性指标进行预计、分配和平衡。

三、机车的维修性

产品的寿命周期是指产品从研制、生产、销售、使用、直至报废为止的整个时期。维修贯穿于机车车辆、发动机、工程机械、汽车等机械设备与产品的整个寿命周期。维修不仅是运用检修部门研究的课题，也是产品设计研制生产部门研究的课题。做好维修需要的三个条件，又称维修的三要素：

（1）机械设备的维修性；

（2）维修技术人员、管理人员及工人的素质和水平；

（3）维修保障系统（包括维修基地、维修技术、检修检测设备、机具、备件与材料供应系统）。

这里我们仅对机械产品的维修性、维修性设计等问题进行讨论。

（一）维修性与维修度

1.维修性

维修性是指“在规定的条件下使用的产品设备，在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力”。维修性是产品设备的一个重要性能参数。它表示维修的难易程度，是机械产品在研制生产出来所固有的设计特征；维修性与维修的关系十分密切，它反映产品是否具备适宜维修的能力。如应检测的机件应具有相应的测试点或相应的传感器；应检查的机件外露性、可达性好；需换件维修的零部件应具备拆卸和装配方便；维修性还集中体现在能以最短的维修时间、以最少的维修费用和其他资源的消耗，能够维持和保障产品设备达到完好的技术状态，以提高产品的有效利用率。产品的维修性是先天性的，是产品所固有的设计特性。

总而言之，机车车辆的维修性，就是可修性、易修性和维护保养性。一般是指容易维修，包括结构简单，零部件组合合理，故障部位容易发现；维修时拆装容易，通用化、单元模块化、标准化高，互换性强；维修材料和备件供应来源充足等等。

例如，德国ICE高速动车组的维修性好，加上先进的汉堡动车段共同构成了良好的高速列车维修三要素。在汉堡动车段能够在60min内完成轮对更换等维修作业和列车的整备工作，在4h内完成动力转向架的更换等维修作业，使每列动车组年平均营运里程达到50万km以上，是普通列车营运里程的两倍多，取得了很好的经济效益。

2.维修度

维修度是指“在规定条件下使用的产品，在规定的维修时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的概率”。

设规定的维修时间为t，实际所用的维修时间为τ，维修度M（t）就是在t≤τ的时间内，所能完成维修的概率（或百分比），即

式中　m（t）——维修概率密度函数或维修密度函数；

M（t）——递增函数，随规定的维修时间t的增加而增大，其增大的速度可用维修概率密度函数m（t）来表示。

当t=0时，表示发生故障，尚未修理，则M（t）=0；当t→∞时，即若规定的维修时间接近无限大时，则M（t）=1全部修复。

若在一定的维修定额时间t内，维修度愈大，说明维修的速度愈快，实际耗费维修时间τ愈少，也说明产品设备的维修性愈好。因此，维修度是产品维修性的一种度量。但当对于相同的产品设备进行同级修程的维修时，也即当产品的维修性水平一定时，维修度也可用来对维修三要素中的另外两个要素，即维修企业的管理水平和技术水平以及维修保障系统进行评定。

（二）机车产品的维修性结构设计

维修性是产品设备的一项固有的设计特性。因此，在产品的设计研制阶段应同时进行维修性设计。维修性设计的主要内容包括：维修性结构设计和维修性指标分配、维修周期设计、维修技术保障设计以及在样机完成后进行维修性验证。维修周期设计在后面的章节进行论述。

维修性结构设计的指导性准则，可归纳为如下几个方面：

（1）设备的总体布局和结构设计，应使设备的部件总成易于检查，便于更换、修理和维护。

（2）良好的可达性。可达性是指在维修时，能迅速准确方便地进入和容易看到所需维修的部位，并能用手或工具直接操作的性能。对于易损零部件特别应提供有较好的可达性。在考虑可达性时有两条原则：一是要设置便于维修操作（如检查、测试、更换等）的通道，如开设窗口等；二是要有合适的维修操作空间。

（3）单元部件和连接件特别是在日常维修中需拆卸或更换的部件要易拆易装，如机车车辆中的轮对、转向架；柴油机中的高压油泵、喷油器总成、水泵、冷却器、增压器总成等。若结构设计时采用标准化、互换性和通用化的零部件、模块化整体式安装单元；部件单元之间的连接设置定位装置识别标志；配备专用快速的随机拆装工具与检测装置等，都有利于该目标的实现。

（4）简化维修作业。减少产品维修的复杂性、结构简化轻型化、减少需要维修的项目、方便于单元部件换件维修、提高易损件的寿命以减少维修次数。

（5）配置检测点和监测装置。这是现代产品的突出特点，也是机车车辆产品安全运输的迫切要求，设置检测点、配备传感器和测试监控输出参数的仪器仪表，采用自检和诊断技术，以便对故障进行预报，这是维修设计的重大课题必须精心设计。

（6）零部件的无维修设计。机械产品目前流行的不需维修的零部件主要有：不需润滑，如固定关节、预封轴承、自润滑合金轴承和塑料轴承等；不需调整，如利用弹簧张力或液压自动制动闸等；将零部件设计为具有一定寿命，到时则予以报废。

如为提高TGV的维修性，法国TGV高速列车的制造商不仅编制了TGV使用说明书（介绍TGV的构造和基本性能，内容包括587项，14000多页，装订成47册）；还编印了一套《排除故障手册》：由低压、牵引制动、辅助设备、安全装置、空调、电控等六部分组成，分为14卷，约700页的文本和近200m的插图、140幅图解、50幅检测点处的观测信号图，这些信号图附有正常信号和故障信号对比图。TGV上有970块电路板和860个断电器和接触器，设置了1400个检测、50个发光二极管和230个微断路器。同时研制了6种便携式提箱检测装置，还配备了抽屉式电路板测试器和固定在动车段内的测试台位。所有维修人员分为牵引制动、辅助设施、安全设备三个专业进行严格的培训后才能上岗进行维修工作。