动车组设计寿命中后期运维策略研究.pdf

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，CRH1A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/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。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、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性和必要性，进而决策是否对该类产品全面实施维修强化措施。如通过产品分解检修前的性能预检、分解后的状态评估、参数测量等措施，对相关维修工作进行写实鉴定，若鉴定结果符合相关要求，可暂不全面实施，继续跟踪鉴定；若鉴定发现某些项目达不到相关要求，则针对该项目全面实施维修强化措施。4.3升级改造策略主要针对性能、功能相对落后或技术寿命到期的产品进行升级改造，主要包括以下几个方面：（1）性能提升。随着科技不断进步，产品性能持续提升，特别是一些网络、电子产品，其性能每隔几年就有一个较大跃升。如电子控制部件的数据运算和传输速度成倍增长；元器件功效、尺寸、抗干扰能力等显著提升。利用更新的成熟技术，对性能相对落后的既有产品进行性能提升非常必要。（2）功能完善。利用成熟可行新产品、新技术，为动车组提供更多的便利条件和功能。如增加座椅旁充电插座、对早期动车组增设车载Wi-Fi装置、完善残障设备设施等。（3）国产化替代。针对购置价格高、采购周期长、售后服务不及时的国外产品，用国产化产品进行等效替代，以获得更优的产品和服务。如某控制器件国外采购需要提前1年预定，不仅价格昂贵，且故障维保等售后服务不及时；控制器件国产化后，不仅价格明显下降，且采购和售后服务均非常便捷。（4）可靠性提高。产品固有的可靠性水平是由原始设计、制造决定的，常规运用和维护仅能维持而很难提高。在动车组设计寿命中后期，通过升级改造，用更先进的产品和技术提升产品可靠性水平是非常有效和必要的。例如，采用复兴号动车组网络控制技术对既有某型和谐号动车组进行局部升级改造，使其网络控制系统故障率明显下降。（5）维修性改善。包括维修便利性改善和测试性提升。维修便利性改善涉及维修可达性、互换性、简统性以及产品标准化、模块化等内容，其目的是使动车组检查、修理、分解、更换和备件管理等更加方便；-63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测试性提升是借助车载网络诊断测试系统及相关测试诊断装置，提升故障预测和定位能力。如复兴号智能动车组故障诊断和健康管理（PHM）技术，可实现故障分级预警、故障精准定位、数据实时车地传输和故障演化趋势研判等功能，动车组的安全性和任务可靠性大幅提升。升级改造不可避免发生费用投入，每个项目都应全面开展技术经济综合权衡分析。具体内容包括：（1）投入产出分析。从寿命周期费用角度分析项目实施的初始投入成本、后续维护检修成本，并与项目改造提升前进行对比分析。如部分产品虽然购置费用贵，但故障率低、检修维护简便、省时、省钱，全寿命周期费用（LCC）可能更低。（2）运维效率效益分析。从提升运用检修效率效益的角度对项目进行量化分析。如检修停时减少、检修费用降低、寿命周期延长、故障率及影响降低等。（3）社会效益分析。针对已运用10余年的老旧车型，为增加安全冗余性和提升旅客舒适度，需要增加和完善一些产品及功能，不可避免地增加LCC，需要从社会效益和铁路责任高度综合权衡论证项目的可行性。4.4降速使用策略动车组运行时承受的应力水平与运行速度密切相关。运行速度降低后，动车组的动力学、动应力、振动、噪声等指标显著改善，牵引、制动等系统的功率负荷显著减少，结构件承受的机械应力、电气件承受的电应力和温度应力显著降低。降速使用可有效减轻动车组运行负载，相当于使用了可靠性设计原则中的降额设计原则，对动车组安全可靠运行具有积极作用。动车组达到设计寿命后，可根据动车组实际状态和运输需求降速使用，从而减少低速度等级动车组的采购数量，也可获得良好的使用经济性。牵引系统在不同速度下工作效率不同，存在一个最佳工作速度区间。降速使用前，应针对动车组降速运行效率开展分析评估。必要时可对牵引系统相关参数进行优化调整，确保降速运行后动车组仍处于高效工作区。4.5翻新重造策略在设计制造动车组车体结构、转向架构架等基础承载结构部件时，均秉承无限寿命设计等安全性理念，部件安全余量大、安全系数高，通常整车其他设备设施报废时，主要基础部件仍有较大的可利用寿命潜力，若充分利用并开展动车组翻新重造，相比购置新车可节省大量费用。我国地域广阔，不同地区运用环境条件差异非常大。开展翻新重造时，必须针对具体动车组，逐列进行个性化评估，应在对相关部件实际质量状况、剩余寿命潜力、总体技术经济性等全面评估的基础上，确定该动车组是否具备翻新重造条件。4.6回收利用策略按照国家低碳、环保、绿色的高质量发展要求，动车组整车报废时，要充分考虑相关产品、部件可回收利用的要求，具体如下：（1）成品件利用。指整车报废时，某些功能产品部件可能还较新，或经过常规维修可继续使用，如尚未达到设计寿命的轮对、牵引电机、空调等部件和产品，可作为备件供其他动车组维修周转使用。（2）材料回收利用。指对车上金属、非金属材料进行物资回收利用，如铝合金重新回炉冶炼进行产品再制造，以及非金属材料的专业回收处理和利用。5 结论与建议 基于我国部分动车组逐步进入设计寿命中后期的现状，在全面分析动车组服役寿命及实际质量状况、国外动车组寿命中后期运维管理、我国动车组寿命中后期运维需求的基础上，初步提出我国动车组寿命中后期运维策略，得出以下结论与建议：（1）我国大部分进入设计寿命中后期的动车组质量状况总体良好，故障率仍处于平稳较低水平，动车组具有继续安全、可靠运用的潜力。（2）动车组属于大型复杂装备，购置成本高，对整车报废应持谨慎态度。为实现最佳经济效益，应从延寿评估使用、专项维修强化、性能及功能改进、绿色可持续发展等方面，对步入设计寿命中后期的动车组开展运维策略研究。-64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（3）根据设计寿命中后期动车组的实际状况和运输需求，可采取延寿评估使用、维修强化、升级改造、降速使用、翻新重造、回收利用等运维策略，以实现提质降本。（4）在确定设计寿命中后期运维策略前，应开展经济性分析论证，对购置新车和延寿使用、升级改造、降速使用、翻新重造等不同策略的投入产出进行全面分析，综合权衡后采取最经济的策略。我国动车组数量多、资产大，随着运用时间和里程的累积，更多的动车组将步入设计寿命中后期阶段，为了更好地发挥资产残值效益，实现铁路装备高质量发展，需要及早对动车组设计寿命中后期维修策略进行统筹规划研究。参考文献1 钱铭.机车车辆造修一体化的思考 J.中国铁路，2020（10）：1-8.2 韦皓.中国高速动车组运用检修状况与发展 J.铁道机车车辆，2017，37（5）：64-67.3 王华胜.机车车辆维修理论与技术 M.北京：中国铁道出版社有限公司，2021.4 中国铁路总公司.中国铁路总公司关于推进动车组及和谐型机车修程修制改革的指导意见：铁总机辆 2019 54号 A.北京，2019.5 中国铁路总公司.铁路动车组运用维修规则 M.北京：中国铁道出版社，2017.6 钱小磊，王华胜，杨帆，等.动车组寿命周期效益分析与评价 J.中国铁路，2021（2）：53-58.7 王华胜，朱庆龙，钱小磊，等.动车组整车RAM评价指标体系研究 J.中国铁路，2021（5）：59-64.8 王华胜，朱庆龙，钱小磊，等.动车组修程修制特征分析与设计规划 J.中国铁路，2022（2）：104-111.9 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limitation,renovation and reconstruction,recycling and utilization for EMUs in the middle and later stages of design life,so as to give better play to the residual value benefits of assets and realize the high-quality development of railway equipment.This study may provide reference for the O&M management of EMUs in China.Keywords:EMU;design life;service life;maintenance enhancement;upgrading and transformation-65