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1、轨道交通 RAMS 基本概念和参数体系,陈晓彤,RAMS培训教材之一：,内容安排,1,2,RAMS 基本概念,RAMS 相互关系,3,4,RAMS 参数体系,RAMS 工作意义,RAMS 基本概念,Reliability 可靠性 Availability 可用性 Maintainability 维修性 Safety 安全性,“五性”可靠性维修性保障性测试性安全性,1,可靠性,可靠性产品的是产品在规定的条件下运行时，在规定的时间内保持规定功能的能力。 可靠性的概念有以下特征： 关注故障 判定故障发生的可能性，用定量的形式表达； 评价故障对系统功能的影响程度。 可靠性的定量衡量参数为可靠度或MTB
2、F，是概率参数。 可靠性表征产品故障的频繁程度和危害程度，是产品的一种固有属性，主要由设计决定，可靠性设计和分析的主要任务是降低故障发生的概率和降低故障的影响。,可靠性（Reliability）,1.1,故障,故障不能满足规定的功能 故障的种类： 功能丧失 功能降低 Surprise ！ 故障的可恢复性 软故障没有物理损伤 硬故障有物理损伤 规定功能常用故障判据逆向表达,故障类别EN50126,维修性,维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力。 维修性的概念具有以下特征： 关注故障，是针对故障的一种活动； 维修性的定量衡量参数为平均维修
3、时间（MTTR，MTTM），是时间参数。 维修性表征产品预防故障和修复故障的能力，表达产品维修的难易程度，是产品设计所赋予的一种固有属性。 维修性设计和分析的主要任务是建立以可靠性为中心的维修设计（RCMReliability Center Maintainability），相当于容易发生故障的地方容易修复。,维修性（Maintainability）,1.2,维修性要素,可修 可修产品 故障 不可修产品 失效 能修 能检测 能定位 能到达 能更换 易修 修得快 定位快、维修快、确认快 修得好 修如旧、修如新,维修类别,维修类别包括： 预防性维修预防故障的维修，是计划性的，常称为维护或保养； 修
4、复性维修处理故障的维修，是非计划性的，常称为修理或修复。,可用性,可用性是产品在任意一个随机时刻处于可用状态的能力。 可用性常用可用时间占总时间的比值来描述，即： 可用性可用时间/（可用时间不可用时间） 可用性是可靠性、维修性和运用保障的综合特性： 可靠性越好，则可用时间越长； 维修性越好，则维修时间越短，不可用时间越短； 运用保障特性越好，则维修等待时间越短。,可用性（Availability）,1.3,可用性示意图,安全性,安全性是指产品不发生系统危险事件（Hazard Event，也称为事故）的能力。 安全性的概念具有以下特征： 关注危险，铁路产品的危险包括： 违反政府法规 人员伤亡 重
5、大财产损失 环境破坏 涉及到在各种环境条件和工作条件下，在运营、维护和维修过程中发生的所有危险； 故障是危险的主要来源，危险性故障是全部故障的子集。,安全性（Safety）,1.4,内容安排,1,2,RAMS 基本概念,RAMS 相互关系,3,4,RAMS 参数体系,RAMS 工作意义,RAMS 的关系,2,RAMS 关系,可用性,可靠性,保障性,维修性,技术系统,后勤系统,故障识别 故障原因判定 可达性 模块化 部件维修时间 部件更换时间 部件的运输 测试性 维修资源的要求,RAMS 关系,可用性,可靠性,保障性,维修性,技术系统,后勤系统,备件供应 保障体系 运输策略 维修时间 备件订货/
6、交货时间 保障设备的可利用性 专业人员 工具,RAMS 关系,可靠性 vs. 质量 可靠性是产品质量的核心，但是质量工作不能代替可靠性工作 产品的可靠性主要是由产品的设计决定的，设计决定了产品的固有可靠性 RAM Vs. S 可靠性是安全性的保证 安全性考虑的因素更多，有专门的安全性分析技术 要考虑维修维护过程中的安全性,影响RAMS的因素,系统状态System Conditions 工作条件Operating Condition 维修条件Maintenance Condition,环境越恶劣可靠性越差 温度应力会提高产品的故障率 振动应力会加速产品的疲劳 湿度和化学应力会缩短产品的寿命 环境
7、应力和可靠性一般是指数关系： 温度 Arrhenius 振动 Coffin-Manson 湿度和其他 Eyring 有意施加恶劣的环境应力进行试验可以高效地暴露产品缺陷。,可靠性与环境,1.1,铁路产品运行环境,功能状态,故障状态,安全相关的 故障模式,危险事件,干扰威胁,可靠性后果,RAMS 的关联性,内容安排,1,2,RAMS 基本概念,RAMS 相互关系,3,4,RAMS 参数体系,RAMS 工作意义,产品特性,3,RAMS 的工程意义,效能,效能,系统的寿命周期费用（Life Cycle Costs，以下简称LCC），是指在系统的整个寿命周期内，为获取并维持系统的运营（包括处置）所花费
8、的总费用。,系统寿命周期费用构成示意图,寿命周期费用,LCC 冰山,发达国家轨道交通行业的RAMS工程已经发展到了一个比较先进的水平，建立了系统的RAMS行业标准，形成了完整高效的工作体系，具备先进的设计分析技术、有效的验证方法等一整套RAMS工程技术支撑。在产品管理过程中，高效地运用RAMS技术，实施全方位的安全性与可靠性管理，有效地控制了产品风险，保证了产品安全性和可靠性，降低产品全寿命周期费用，提高了铁路、地铁、城市轨道等轨道交通工具的质量保证能力和可用性。 RAMS是系统工程技术之一，也是世界先进轨道交通行业普遍采用的关键技术，法国、日本、英国、德国、美国等发达国家和地区均在轨道机车车
9、辆方面成功地实施了RAMS工程，其中以欧洲国家为代表，不仅建立了RAMS系列标准，使RAMS工程实现了系统化的发展，还在很大程度上推广了RAMS工程，使轨道交通的可靠性、维修性和安全性等指标得到了显著的提高。,国外RAMS 背景,我国轨道交通行业的RAMS工程尚处于起步状态，局部建立了质量与可靠性信息系统，利用各研发、生产和使用单位提供的质量与可靠性信息进行分析和评价；重点产品应用了一些RAMS工程技术，例如基于安全系数的可靠性工程设计、故障模式影响分析、故障树分析、可靠性试验等。这些技术的应用对提高轨道交通工具的安全性和可靠性起到了一定作用，还不够系统化，可靠性技术的应用范围还受到很大局限：
10、 没有建立系统的RAMS工程体系 缺乏行业RAMS标准和指导性文件 目前的RAMS工程技术尚不能完全满足行业需要，缺乏RAMS专业人员 缺乏行业RAMS信息数据库 产品的运营故障率较高,国内RAMS 背景,第一，保障铁路产品的安全运营的需要。 轨道交通安全第一， 机车车辆的工作环境非常严酷，对产品的可靠性水平要求较高；同时由于近年来机车车辆的大幅提速，对机车的安全、可靠、稳定运营提出了进一步的要求。 第二，与国际先进水平接轨的需要。 我国大量引进国外的轨道装备产品和技术；伴随着引进，南北车集团的下属企业开始了与国际领先公司的技术合作与配套供应，合作过程中，作为供应链上游的国外厂商，分别对我国内
11、企业提出了相应的RAMS要求，强制要求进行FMECA、FRACAS和LCC等各项工作。 第三，降低寿命周期费用（LCC）的需要。 轨道交通产品的使用和维护费用很高，往往超过了采购成本，通过RAMS技术的推动和运用，为LCC的分析和控制提供了技术支持，通过RAMS工程技术的推广应用，权衡产品运营、维护维修策略、备件储备和供应等方面要素，分析寿命费用的关键因素，降低寿命费用水平。,开展RAMS 的紧迫性,现代设计思想的转变,性能向效能的延伸 采购费用向寿命周期费用的延伸,有何问题 Questions ?,内容安排,1,2,RAMS 基本概念,RAMS 相互关系,3,4,RAMS 参数体系,RAMS
12、 工作意义,RAMS 参数体系,对于铁路产品的“系统要求”阶段，需要提出并确定系统RAMS技术要求，并形成文档，随后将系统要求分配到分系统和设备中去。 铁路产品各级产品的RAMS 活动都是围绕RAMS要求进行的，包括定义、分配、实现、评估和验证等活动。 RAMS要求分类： 定性要求提出了应当开展的RAMS 的工作项目和工作要求，通常采用评审的方法进行确认； 定量要求是基于RAMS的技术参数提出的，一般通过评估和验证的方法进行确认。,4,RAMS 的参数和指标,RAMS 参数是产品RAMS定量化描述的数学属性，RAMS 参数体系是某种产品RAMS 的参数的集合； RAMS指标是产品某一RAMS
13、参数的要求值，RAMS指标体系是所有RAMS 参数的要求值。,铁路产品可靠性参数体系,MTBF 针对不同的故障类型进行分类： 1类故障MTBF1 2类故障MTBF2 3类故障MTBF3 4类故障MTBF4 1，2，3类故障MTBF,4.1,平均故障间隔时间MTBF,例如:,寿 命: 产品能有价值存活的时间长度，是时间特性。 MTBF: 它体现了在寿命期内的发生故障的强度，是概率特性。,MTBF 不是寿命 ！,产品 典型设计寿命 典型MTBF 继电器 15,000 次 55,000 次 按钮 3 million 12 million 电视机 15 years 68 years 人 （71,74）
14、年 39年,故障率,故障率（Failure Rate）： 定义：工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。 单位：一般为10-6/小时或10-9/小时（fit） 计算：故障次数除以总工作时间 是MTBF 的倒数：,TB = 交付时间点 TW = 耗损时间点,早期失效期,偶然失效区,耗损失效区,Tw,TB,制造缺陷 工艺缺陷 元件缺陷,固有缺陷,耗损故障,时间,失效率,浴盆曲线,浴盆曲线,时间,瞬时故障率,制造和筛选,可靠性预计和验证,耗损机理分析,早期故障,随机故障,耗损故障,. . .开箱合格率,增加检查点 改善抗恶劣环境设计 老化试验 环境应力筛选试验,可靠性评估
15、 可靠性预计 可靠性增长试验 高加速寿命试验,材料特性 使用数据积累和分析 加速寿命试验 系统寿命模型,浴盆曲线的进一步说明,t = 4 x MTBF,t = 0.5 x MTBF,Reliability,t,0 0.01 x MTBF 0.1 x MTBF 0.5 x MTBF 1 x MTBF 4 x MTBF 10 x MTBF 100 x MTBF,1.000 0.990 0.905 0.606 0.368 0.018 4.54E-5 3.72E-44,可靠度Reliability,铁路产品维修性参数体系,4.2,平均故障间隔时间MTTR,MTTR（Mean Time To Resto
16、re）表示针对发生故障的产品，平均恢复产品功能所需的时间 MTTR 是一个时间参数，需要考虑各个维修活动所占用的时间 MTTR 是铁路产品主要的维修性参数，通常情况下，也是唯一的维修性参数。与MTBF相似，MTTR 也是可以分类计算的，一般按维修级别（现场级、中间级和车间级）进行分类。,MTTR的时间,平均维修间隔时间MTBM,平均维修时间MTTM,可用性参数体系,4.3,可用度的参数含义,可用度A 可用度为在任意随机时刻，产品处于可运行状态的概率。 用以下公式计算：,可用度的参数,固有可用度Ai Ai（inherent Availability）指只考虑到故障修复情况，不进行预防性维修（保养），没有资源延迟，也没有管理延迟。 Ai的计算方法为：,运行可用度Ao Ao（operation
