动车组设计寿命中后期运维策略研究.pdf
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1、运 营 管 理2023/07CHINA RAILWAY动车组设计寿命中后期运维策略研究王华胜1,钱小磊2,朱庆龙1,蔡两1,佀方园2(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所,北京 100081;2.北京纵横机电科技有限公司,北京 100094)摘要:针对我国部分动车组逐步进入设计寿命中后期阶段的现状,在全面分析动车组服役寿命及实际质量状况、国外动车组设计寿命中后期运维管理经验、我国动车组设计寿命中后期运维需求的基础上,提出设计寿命中后期动车组的延寿评估使用、维修强化、升级改造、降速使用、翻新重造、回收利用等策略,以期更好地发挥资产残值效益,实现铁路装备高质量发展。该研究可为我国动车
2、组运维管理提供参考。关键词:动车组;设计寿命;服役寿命;维修强化;升级改造中图分类号:U279 文献标识码:A 文章编号:1001-683X(2023)07-0060-06DOI:10.19549/j.issn.1001-683x.2023.05.06.0011 概述 2007 年 4 月,我国首批动车组上线运营;截至2023年5月,部分动车组运营时间已超16年,累积运营里程超800万km。经过10余年的运用,我国动车组部分已达到或超过设计寿命中期,逐步进入设计寿命中后期阶段1-2。我国运营时间超过10年的部分车型动车组服役寿命状况见表1。由表 1 可知,各车型设计寿命参差不齐,其中,CRH1
3、A为25年、CRH5A为30年、其他车型均为20年。目前,CRH1A/2A/3C/5A动车组的最长运营时间已达到或超过 15 年,其中 CRH2A 最长运营时间甚至超过17年,剩余设计寿命仅3年,已进入设计寿命中后期阶段。基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目(K2021J006)第一作者:王华胜(1969),男,研究员,博士。E-mail:-60动车组设计寿命中后期运维策略研究 王华胜 等运 营 管 理2023/07CHINA RAILWAY借助源头质量整治、日常维护、高级检修等可靠性持续保障措施,以上动车组总体质量稳定,运用故障率持续下降并稳定保持较低水平3-6,CRH1A
4、/2A/3C/5A动车组百万公里运用故障率趋势对比见图1。由图1可知:(1)CRH1A型动车组在0680万km设计寿命周期内,百万公里运用故障率略有波动,故障率曲线总体平稳,未发现耗损倾向和特点;(2)CRH2A型动车组在0760万km设计寿命周期内,百万公里运用故障率较平稳,在4个车型中故障率总体水平最低,未发现耗损倾向和特点;(3)CRH3C型动车组前期故障率较高,通过源头质量整治,故障率快速下降,为避免纵坐标范围过大影响故障率曲 线 波 动 的 展 现,仅 选 取 故 障 率 相 对 稳 定 的100万km后区段,在100840万km设计寿命周期内,动车组百万公里运用故障率稍有波动,故障
5、率总体趋势逐渐降低并趋于稳定,未发现耗损倾向和特点;(4)CRH5A 型动车组前期故障率稍高,通过源头质量整治、高级修等措施,故障率逐步下降,在 0790 万 km 设计寿命周期内,百万公里运用故障率稍有起伏,故障率总体趋势逐渐降低,未发现耗损倾向和特点。综上所述,尽管各车型故障率水平不同,但进入设计寿命中后期阶段的动车组质量状况总体良好,故障率处于平稳较低水平,甚至部分车型故障率持续走低,尚未表现出耗损特点和倾向 7-8。在既有运维条件下,动车组仍有继续安全、可靠运用的潜力,即具有一定的剩余使用寿命。但是,仍需要针对动车组实际运用状况和需求,科学地制定运维策略,确保其可靠性、安全性并兼顾经济
6、性,以保障动车组在设计寿命中后期的安全运营 9-10。图1不同车型动车组百万公里运用故障率趋势对比表1部分车型动车组服役寿命状况速度等级/(kmh-1)200250300350车型平台CRH1ACRH2ACRH5ACRH3CCRH380ACRH380B首次运营年份200720062007200820102010设计寿命/年252030202020最长运营时间/年161716151313最长运行里程/万km680760795845680785-61动车组设计寿命中后期运维策略研究 王华胜 等运 营 管 理2023/07CHINA RAILWAY2 国外动车组设计寿命中后期运维管理 国外相关铁路部
7、门从全寿命周期成本最优出发,针对机车车辆设计寿命中后期维修策略深入研究,并在实践中取得显著效益。庞巴迪公司对服役时间超过20年的X2000型动车组进行翻新大修,包括对转向架、车体、牵引等设备进行大修、对内装进行现代化翻新,翻新大修后动车组可再服役 20 年;德国铁路公司(Deutsche Bahn AG,DB)在ICE1、ICE2、ICE3等动车组运用约15年时,重点针对座椅、内饰等客服设备设施进行现代化升级改造和翻新大修,并对一些技术性能落后的产品和部件进行升级改造,使动车组焕发新的生机;西欧、北美等地区针对运用30年以上机车车辆,在可行性评估基础上开展翻新重造,相较新车购置节省了大量费用。
8、以上运维策略的实施主要基于以下几点考虑:(1)基础结构件安全余量大、寿命长是实施翻新大修的前提。欧洲制造的动车组、机车基础结构件具有安全余量大、寿命长的特点,设计寿命可达 4050年,如DB的ICE2型动车组已运用近30年,仍在开展翻新大修,预计可再运用10余年。(2)在动车组设计寿命中后期,应用成熟、可靠的新技术对老旧产品进行升级改造,可获得更高的运维效率、效益。很多产品经10余年运用,技术、质量明显落后,部分材料配件难以买到,成本效益低。在动车组设计寿命中后期进行升级改造,能以较小的投入,获得较大的回报。(3)通过客服设施时尚化改造,满足乘客与时俱进的乘车体验需求。国外动车组客服设备设施设
9、计简约、可靠,可持续运用至设计寿命中后期,如座椅为非旋转、无海绵垫的皮革座椅,结构简单、耐用,各级维修主要为状态修;其他大部分客服设备设施维修以现车状态修为主。以上客服设备设施经过10余年运用,外观陈旧、功能落后。在动车组设计寿命中后期通过翻新大修实现现代化升级改造,如客室设施格调更时尚、增设必要的残障设施、升级网络通信系统等。3 我国动车组设计寿命中后期运维需求 3.1延寿评估使用我国动车组数量多、资产价值高,对达到设计寿命的动车组进行延寿可行性评估,评估合格后继续使用,可充分挖掘资产残值效益,获得丰厚的经济回报。国外已有较多相关成功案例,但我国动车组车型平台多,不同平台间存在技术差异,运用
10、环境条件差别大,不同地区、不同车型其实际状况差别很大,需要针对具体动车组实际状况进行科学评估,再确定能否延寿使用。在确定动车组设计寿命时,由于要考虑最恶劣条件下的使用情况,寿命设定通常较为保守,如我国CRH3C动车组设计寿命为20年,而其引进原型车ICE3在德国已运行30年;CRH5G设计寿命仅为20年,而其同平台的 CRH5A 动车组设计寿命为 30 年。实际运用中,大部分动车组运维条件较好、故障率平稳、质量状况稳定,特别是各级严格的运行监控、运用维修、高级检修等运维保障措施,为动车组延寿评估使用提供了前提条件。3.2维修专项强化动车组在长期运用中持续承受振动、冲击等机械和气动载荷,以及腐蚀
11、、老化等时效作用,机械部件疲劳裂损、橡胶部件老化失效等耗损故障逐步显现。特别在设计寿命中后期,动车组耗损故障更加突出,在实际运用和各级维修中暴露出一些典型耗损故障,如门窗密封胶局部失效、部分线缆老化等。为确保动车组运用安全,需要有针对性地强化维修保障措施。3.3性能与效能改进随着高速铁路建设快速发展,我国动车组设计制造水平显著提升,具有完全自主知识产权的复兴号动车组下线以来,国产化、标准化、智能化水平大幅提升,产品性能、功能更先进、完善。相对而言,10余年前设计制造的和谐号动车组逐渐步入设计寿命中后期,其产品性能、可靠性等有待进一步提升,如网络产品的升级提速、电气产品的性能提升,以及更方便的客
12、服设施、更精准的故障诊断检测装置、质量与价格更优的国产化产品等。通过对设计寿命中后期动车-62动车组设计寿命中后期运维策略研究 王华胜 等运 营 管 理2023/07CHINA RAILWAY组的改造提升,可使其在剩余设计寿命周期中焕发出新的生机。3.4绿色可持续发展随着我国经济发展对“碳达峰”“碳中和”要求的推进落实,机车车辆报废处置工作应得到高度重视。传统的简单废弃处置方式,显然不满足低碳、环保、绿色的高质量发展要求,为此,国内外机车车辆在设计制造时,都在技术条件中对相关产品、部件、材料规定明确的可回收利用率指标和要求,以便最大限度减少装备报废过程中的环境污染和碳排放。目前,比较有效的途径
13、包括:(1)充分挖掘装备的资产残余价值,寿命能延尽延,产品能用尽用;(2)对整机报废后的产品、部件、材料进行回收再利用、再制造。4 我国动车组设计寿命中后期运维策略 4.1延寿评估使用策略在动车组设计寿命周期内,按照各级维修要求,很多产品和部件不断得到维护、修理和更换,以便将动车组固有可靠性维持在应有水平。正常维修的产品和部件不影响整车延寿,只有动车组设计寿命周期内免维修的少量结构部件决定着动车组到达设计寿命后能否继续使用,如车体主结构、转向架构架等重要部件。因此,仅对重要部件进行延寿可行性评估。进行评估时,首先应识别制约延寿的重要部件,分别对其初始设计参数、仿真计算结果、服役质量状况等进行延
14、寿可行性初步分析。在此基础上,针对典型工况和服役条件,开展必要的台架试验、线路测试等试验验证,经过小批量验证、扩大验证、全面实施等步骤,逐步稳妥推进。4.2维修强化策略具有疲劳、磨损、老化等耗损故障模式特征的产品,随着运用时间和里程的累积,特别在设计寿命中后期,耗损故障逐渐突出,如侧窗密封胶老化失效、构架形位尺寸超限等。这些部件因故障率升高需要采取检测、修理、更换等针对性维修强化措施。在动车组设计寿命中后期,通过各级高级修对部件进行强化是比较经济、有效的手段。实施时,可针对一定样本数量、运用时间和里程较长的动车组产品进行领先强化维修;同时,统计产品实际质量状况,评价该阶段产品维修强化需求的迫切
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