1、摘 要 转向架是动车组安全、可靠运行的关键部件，转向架的维修是动车组可靠安全高效运行的必要保障。当转向架出现故障时，如果不能及时维修，严重的会导致系统运营中断，甚至威胁人们的生命及财产安全 ;如果维修不当，可能导致“维修不足”或“维修过剩”。鉴于此本文以动车组转向架为研究对象，对其维修决策过程的维修方式确定、计划维修周期、视情维修时机三个环节，分别建立数学模型，运用维修决策理方法，有效地解决维修方式不当，计划维修不足或维修过剩以及视情维修时机不准确等问题，为动车组转向架的修程修制优化提供理论依据。 在总结分 析动车组转向架主要结构特点及功能原理基础上，分析影响维修决策过程的因素，划分维修模型，
2、对相应模型故障率演化规律进行分析。建立转向架重要功能部件评估模型，为转向架关键零部件的维修方式决策提供参考依据。基于动车组转向架实际维修过程中出现的“维修不足”或“维修过剩”的现状，建立动车组转向架在预防计划性维修中的故障率演化模型，并建立在一个周期内和一个大修周期内的计划性维修周期决策模型， 以单位时间维修费用最小为目标函数 针对视情维修时机不准确的问题，建立威布尔比例强度模型描述转向架寿命分布与伴随变量之间的关系，运用物理 规划法，保证可靠度和单位时间维修费用在期望区间内，求解最优的维修阂值，确定最优视情维修时机。 通过建立的重要功能部件评估模型，确定转向架子系统中重要功能部件的排序及维修
3、方式，为实际动车组转向架零部件的维修方式优化提供了理论参考 ;运用建立的计划维修周期决策模型，得到转向架在一个大修周期内的最优维修周期及维修次数，降低了大修期内的维修次数，减少了人力财力的消耗，增加了动车组实际运营时间 ;运用威布尔比例强度模型和维修阂值，结合历史故障统计数据，得到转向架视情维修时机决策图和维修时机建议，所得到的结论与实际 现场维修决策基本一致。 因此，本文所做的动车组转向架维修决策研究为其修程修制的优化提供了良好的理论依据，所建立的维修决策模型也同样适用其它复杂系统的维修决策研究。 关键词 :转向架 ;维修方式决策 ;计划维修周期决策 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1
4、 课题研究背景及意义 . 1 1.2 维修决策国内外应用研究现状 . 2 1.3 论文主要研究内容与技术路线 . 5 第 2 章 动车组转向架维修决策理论基础 . 8 2.1 转向架概述 . 8 2.2 维修决策概述 . 10 第 3 章 动车组转向架维修方式决策 . 13 3.1 维修方式概述 . 13 3.2 动车组转向架维修方式 . 13 结 论 . 16 展望 . 17 参考文献 . 18 致谢 .23 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 随着“一带一路”概念的提出以及实施方案的落实，相应“一带一路”区域的交通运输的需求也日益增长，加快高铁建设己成为解决日益增长交通运输的
5、需求的主要途径。随着大量的动车组列车投入使用，优质的维修和管理并保证动车组列车安全、可靠、高效、经济地运营，无疑成为当前迫切需要解决的问题。 科学合理的修程修制是动车组高效、安全、经济运营的重要保证。对于现有国产动车组的修 程修制方案，很大程度上是综合和延续引进的国外动车组的修程修制，没能全面考虑国内动车组具体运营条件，目前的修程修制方案仍需要进一步根据国内的具体运营条件进行完善。通过对我国动车组目前的维修现状调研，发现动车组维修的技术政策是“在预防计划修的前提下，逐步实施视情维修、换件修和关键零部件的专业化集中修”，其中预防计划修属于预防性维修范畴。但通过对动车组历史可靠性数据统计分析发现，
6、实际维修决策和管理实施过程中，大部分还是延承历史经验，没有系统的运用可靠性与维修决策理论方法作为指导，最终导致动车组在出现故障时未能进行 及时的维修或进行了提前维修，从而未能保证动车组故障得到有效地预防的同时也增加了维修成本。 本文研究的目的是在以可靠性理论为基础，维修思想为指导，对动车组转向架关键零部件的维修决策进行研究，主要从维修方式确定、计划维修周期优化和视情维修阂值的优化三方面，结合维修决策方法和建立相应的维修决策模型，从而得到最优的维修策略，从而解决转向架维修中“维修不足”或“维修过剩”以及维修时机不恰当的问题。 最终实现以下几个方面的意义 : (1)尽量减少转向架在维修过程中的“维
7、修不足”或“维修过剩”，保持转向架固有可靠度，提高使 用可靠度 ; (2)尽量避免故障发生，降低单位时间内的维修费用 ; (3)以最少资源消耗保证转向架可用度要求，延长其在线使用寿命 ; (4)为动车组转向架修程修制的优化提供可行的理论依据。 2 1.2 维修决策国内外应用研究现状 1.2.1 维修决策国内外应用研究现状 根据所查文献，目前的维修决策应用研究主要集中在模糊理论在维修决策上的应用、系统重要功能部件的评估、维修周期的优化决策研究以及维修决策支持系统的研究四方面，涉及的应用领域包括军事、船舶、航空、机械以及轨道列车的运用维修中。其具体的应用研究如下 : (1)模糊理论在维修决策上的应
8、用通过将层次分析方法和模糊理论相结合，解决在维修决策过程中影响因素模糊问题。将系统的可靠度函数取为模糊集，基于定义的模糊集推导出维修集，包括役龄因子、维修因子以及维修成本三方面，进而根据对应的维修决策准则计算最优的维修周期及对应的维修方式。崔建国等人针对在飞机维修保障过程中，专家知识运用不合理，从而引起的维修不当问题，创建基于灰色模糊与层次分析的多属性飞机保障维修决策模型。徐辉运用灰色马尔科夫和灰色关联分析的神经网络法对设备的动态监测数据进行故障分析，估算设备剩余寿命，从而进行 维修决策研究。顾煌炯等提出将嫡权法和层次分析法结合解决发电设备的维修方式决策的问题。 陶基斌等针对视情维修过程中的维
9、修方式优化问题，运用 BP 神经网络方法，以维修影响因素的隶属度为输入，最终维修等级为输出，根据输出结果选取最优的维修方式。王凌针对视情维修的建模和优化问题进行研究，并运用模糊优化算法对不同决策目标下的设备进行维修决策优化。在建立以可靠性数据为基础的专家系统时，运用模糊推理算法，计算每种故障模式发生的概率以及故障后果影响程度的大小，从而避免严重故障的发生，优化修程修制。刘宇 川针对传统设备中故障的两态假设，提出复杂系统的多态维修决策理论以及模糊多态复杂系统的可靠性建模理论，运用模糊多态元件的维修决策方法，建立维修决策模型，进而为模糊多态元件的维修决策提供理论指导。 (2)系统重要功能部件的评估
10、系统重要功能部件的评估一般用重要度衡量，代表部件在对应系统中的重要程度，是故障率、故障后果、故障维修费用、可维修性等各种因素的综合度量。赵登福等同时考虑到设备状态及系统风险建立输电设备的重要度评估模型，从而确定实时的重要功能部件，为输电设备的状态维修决策提供依据。董玉亮等选择属性加权和作为部件重 要功能部件评估的指标，运3 用本征向量法计算出不同影响因素的权重，同时使用蒙特卡洛法仿真模拟，通过统计分析得到系统各部件的重要程度排序，最终实现重要功能部件的评估。李国正等采用改进的层次分析法进行地铁车辆子系统的重要度评估，通过分析影响重要度评价的因素，计算重要度评估值，确定重要子系统，为地铁车辆的维
11、修决策提供了参考。高萍等在己建立的设备重要度评估模型的基础上运用蒙特卡洛算法，来降低评估过程中主观数据的影响，从而为进一步科学的维修决策提供理论参考依据。 (3)维修周期的优化决策研究维修决策用于预防计划维修中，主 要包括对设备最佳维修周期的决策以及最优设备检测时间长度。等基于可靠性和马尔可夫链建立了电力设备的维修周期模型，并运用遗传算法求解维修周期的最佳值，从而最小化维修费用。马飒飒等建立混合粒子群和蚁群优化算法的群智能优化策略，应用在混联系统的预防性维修周期优化问题上，提高了优化寻优的效率。俞秀莲等考虑故障发展规律对维修周期的影响，引入役龄回退因子，以可靠度和总成本最小为约束条件建立维系周
12、期优化模型。毛昭勇等引入役龄回退因子描述维修后的系统性能，并重点对不同计划维修周期下总体维修费用随着计划维修次数的变化进行研究， 从而优化维修周期。谢庆华等以可靠性为状态参数，使维修费用率最小为原则下优化维修周期。等通过建立部件单位时间成本内函数，在成本函数取最小值的前提下，优化部件的大修周期、大修周期的检修次数以及维修间隔。陈城辉等针对轨道交通行车关键设备中的可修复和不可修复的设备，提出寿命数据分布检验方法，并以单位时间维修成本最低为优化目标建立了维修周期优化模型。运用马尔可夫理论建立维修费用率函数，并令其去最小极值进而优化求解状态检测周期。蒋太立以 RCM 为理论基础，在不同的决策目标下建
13、立维修周期决策模型，并运用 MATLAB 软件编写 了维修决策的软件界面。 (4)维蟹决策文持杀统阴研儿将维修决策研究成果同计算机相结合，实现研究成果的软件化是维修决策研究应用到实践的必要环节。目前很多专家和学者在所在研究领域上设计开发出对应的维修决策支持系统。郝晋峰等为预防自行火炮故障并缩短维修时间，实现有针对性的对自行火炮进行维修，并保证维修效果的前提下，在自行火炮维修中引入了基于状态的维修，设计并开发了自行火炮状态维修决策支持系统。周尚文将系统的寿命数据、信息工程同维修决策支持系统三4 者联合，设计开发出了智能管理优化设备维修的维修决策支持系统。王险 峰结合数据库系统、模型库系统以及知识
14、库系统，设计并开发了“三位一体”的维修决策支持系统。胡岳鹏以列控设备为研究对象，设计列控设备的数据存储模型，实际状态预测及评价模型，并综合上述模型设计以数据仓库为支撑的维修决策支持系统。朱清香针对维修决策支持系统中总体内容进行模块化研究，分别包括确定决策目标，重要件的判定及分析，非重要功能部件的处理、实际运行转台监测。董玉亮运用以可靠性为中心的维修思想，对发电设备进行重要度评价，针对故障风险、设备的综合状态以及对状态的预测惊醒研究，并建立设备的维修决策模型，同时将所建立模 型软件化，设计发电设备的运行与维修智能决策支持系统，从而为发电设备的维修人员提供辅助维修决策工具。 1.2.2 维修决策
15、在动车组上的应用研究现状随着近年来轨道高速列车的发展，维修决策建模和优化技术在动车组列车上也逐步得到了应用，据所查文献，主要应用研究如下 :康健等对我国现行铁路的列控设备，以列控设备维修费用最小为目标函数，以可用度要求和故障风险为约束，建立维修决策优化模型，运用蒙特卡洛仿真方法求解最优维修周期。但其假设列控设备维修后的可靠度和故障率没有变化，事实上设备随着设备的每次维修，列控设备的可用度也逐 渐降低，即每次的维修并不能保证设备整体修复如新。 王灵芝根据以可靠性为中心的维修分析方法，分别从判定设备重要功能部件、建立寿命分布模型、评价及预测设备运行状态、确定维修周期以及检测周期几方面进行研究，并建
16、立相应的模型，并将研究成果软件化，设计并开发智能维修决策支持系统考虑到动车组复杂系统部件间的相关性，包括经济相关性、故障相关性、结构相关性。杨晓帆重点考虑系统动车组零部件间的经济相关性进行分析，以动车组维修率最小为目标，建立多部件维修决策模型，通过模型求解，得出最优的维修方案，从而很大程度上降低动车 组的实际维修费用。但考虑经济相关性的同时未能同时保证系统的使用可用度的要求。 孙研婷根据以可靠性为中心的维修的逻辑分析方法，重点对动车组的重要功能部件进行评价、建立零部件寿命分布模型，针对关键零部件维修周期的确定进行研究，同时以动车组维修优化决策思想为基础，将建立的优化模型软件化，最5 终设计并开
17、发出智能的维修决策支持系统，通过实例分析应用验证所建立模型的可行性和所建模型的有效性。赵金方针对动车组负责零部件提出了基于基于 RCM的状态维修决策模型以及基于维修费用最小的计划维修决策模型，并运用编程软件对模型 进行软件化，建立维修决策支持系统。 孙研婷根据以可靠性为中心的维修的逻辑分析方法，重点对动车组的重要功能部件进行评价、建立零部件寿命分布模型，针对关键零部件维修周期的确定进行研究，同时以动车组维修优化决策思想为基础，将建立的优化模型软件化，最终设计并开发出智能的维修决策支持系统，通过实例分析应用验证所建立模型的可行性和所建模型的有效性。赵金方针对动车组负责零部件提出了基于基于 RCM
18、的状态维修决策模型以及基于维修费用最小的计划维修决策模型，并运用编程软件对模型进行软件化，建立维修决策支持系统。 1.3 论文主要研究内容与技术路线 1.3.1 主要研究内容 本文以动车组转向架关键零部件为研究对象，针对当前动车组转向架维修中“维修不足”或“维修过剩”及视情维修时机不准确问题，对转向架关键零部件的维修方式进行决策，并对预防性维修中的计划周期进行优化决策，对视情维修的决策阂值优化决策。具体工作及研究内容包括以下几个方面 : (1)第一章主要介绍课题研究的背景和意义，维修决策理论国内外应用研究现状综述，同时介绍了维修决策理论在动车组上的应用研究现状，针对现行转向架维修过程“维修不足
19、”或“维修过剩”及视情维修时机不准确 问题，提出本文的研究对象、目的、方法和思路。 (2)第二章对本文的研究对象动车组转向架的结构组成、工作原理、主要功能分析进行论述 ;对维修决策基本的基本内容进行分析阐述，给出作为维修决策信息输入的常用可靠性指标及相互转化关系，并对应用广泛的威布尔分布模型进行简介 ;给出维修模型的分类以及其相应的故障率演化规律。 (3)第三章是确定动车组转向架的维修方式。给出维修方式决策的逻辑决策模型，对于重要功能部件的确定，运用层次分析法和蒙特卡洛模拟方法相结合的方式确定重要功能部件的权重，进而根据维修方式决策准则确定动 车组转向架零6 部件的维修方式 ;最后以实例证明了
20、上述方法的有效性，为下一步不同维修方式下维修活动决策打下基础。 (4)第四章基于动车组转向架实际维修过程中往往出现的“维修不足”或“维修过乘”的现状，并综合役龄递减因子和故障率递增因子，提出动车组转向架在预防计划性维修中故障率的演化规律，分别建立在一个周期内和一个大修周期内的计划性维修周期决策模型，并分别以可靠度和可用度要求为约束条件，建立维修周期优化决策模型，并运用 MATLAB 软件中的遗传算法模块进行模型的优化求解。最后运用实例分析证明了所建立模型的可行性和有效 性。 (5)第五章针对动车组转向架中的关键重要部件的视情维修，引入威布尔比例强度模型对实时状态进行描述，给出维修决策条件，进而
21、根据实时监控数据决策维修时机 ;针对维修决策阂值的确定，引入物理规划法在保证可靠度和单位时间内维修费用最小的约束下，求得最优的维修阂值，进而得出维修决策曲线的上下控制限 ;根据实时状态信息的输入，对比维修决策条件曲线，从而实施维修活动，最后运用历史监控数据验证所提出模型的有效性。 (6)最后对文章整体研究内容进行总结，得出研究结论以及本维修决策中有待进一步研究的内容和方向。 1.3.2 技术路线 本文在对动车组转向架维修决策研究过程中，采用的研究方法涵盖统计学范畴、可靠性工程理论、维修工程学范畴以及计算机模拟技术。从实际过程中存在的问题出发，遵循理论研究为基础、模型建立为手段和应用验证为实践方
22、式三者相结合的基本原则，对课题进行研究的整体技术路线如图 1.1 所示 。 7 图 1.1 论文整体技术路线 8 第 2 章 动车组转向架维修决策理论基础 2.1 转向架概述 转向架是支承车体并担负动车组沿着轨道走行的支承走行装置，是动车组的重要组成部分之一，其结构是否合理直接影响动车组的运行品质、动力性能和行车安全。 2.1.1 动车组转向架结构组成 动车组转向架主要任务是承载、牵引、缓冲、导向和制动，一般由下列主要部分组成 : (1)构架 :主要用来承受和传递各种载荷，是转向架的基础骨架，是转向架各个零部件的安装平台 ; (2)轮对 :通过车轮的回转实现车辆在钢轨上的运行，通过轮轨间的茹着
23、产生牵引力，通过轮轨间的摩擦产生制动力，并通过轮对将列车自身的重力传递给钢轨 ; (3)轴箱及定位装 置 :保证轮对与构架联接的关节，同时保证轮对自身回转运动，也保证轮对能够适应线路不平顺等线路条件。 (4)弹簧悬挂装置 :主要由弹簧和阻尼器组成，既可以用来平衡分配轴重，也可以缓和由于不平顺线路造成的对车辆的冲击，从而促进车辆在轨道上平稳运行，并保证车辆通过曲线时使转向架能相对于车体转动灵活 ; (5)车体与转向架间的纵向牵引装置 :传递车体与转向架之间的垂向力和纵向力。 (6)基础制动装置 :通过制动缸产生制动力，经杠杆系统增大，传递给闸瓦或闸片，通过制动盘或车轮踏面，使列车施行制动停车 ; (7)驱动机构 :将动力装置产生的动力通过齿轮减速装置传递给轮对，驱动轮对转动。 2.1.2 动车组转向架系统工作原理及功能分析 动车组动力转向架的主要能量转换过程为 :将电能转化为机械能。工作原理为 :通过电力驱动，齿轮箱运转带动轮对滚动，轴箱和定位装置实现了将轮对的滚动转化为车体沿着轨道的平动 ;弹簧悬挂装置用来减小线路不平顺，并缓解轮对与钢轨间的振动给车体带来的不利影响 ;运用基础制动装置，传递并放大制动
