复兴号动车组RAMS 特点分析*

朱庆龙

（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）

为全面提升中国动车组设计、研发、制造水平，打造适合中国国情、路情的动车组设计制造平台，满足长距离、长时间、持续高速运行等需求，实现中国动车组自主化、标准化和系列化，促进动车组由中国制造到中国创造的跨越，原中国铁路总公司组织开展了复兴号动车组设计研制工作。CR400AF/BF 复兴号动车组不仅表现出高速度，更体现出装备发展的高质量，其中RAMS 设计便是其突出亮点之一。RAMS 是可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、可维修性（Maintainability）、安全性（Safety）的英文缩写［1］，复兴号动车组在设计研发中充分考虑了RAMS 设计，为动车组高效运用维修奠定坚实的技术基础，以先期投入运用的CR400AF/BF 动车组为例，分析其RAMS 特点及效果。

1 可靠性特点分析

可靠性是指设备在规定条件下和规定时间内完成规定任务的能力。对于动车组来说，规定条件包括外部环境、线路、供电、通信信号、司乘人员、正常维保等条件，规定时间指运行图图定时间，规定任务指车组正常运行、完成旅客运输任务。

1.1 可靠性定量指标及要求

根据动车组设备故障对运输组织造成的影响程度和非正常停车时间的长短，将故障分为4 类，即A 类故障、B 类故障、C类故障和D 类故障。

A 类故障：在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组途中非正常停车或晚点时间大于20 min 小于1 h 的故障。对应的可靠性指标为动车组百万公里A 类故障率。

B 类故障：在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组途中非正常停车或晚点时间少于20 min 的故障。对应的可靠性指标为动车组百万公里B 类故障率。

C 类故障：在规定运用环境和条件下，由于车辆设备故障导致动车组在功能受限模式下运行的故障。对应的可靠性指标为动车组百万公里C 类故障率。

D 类故障：不影响动车组正常运行的其他各类故障。对应的可靠性指标为动车组百万公里D 类故障率。

按照技术条件规定，CR400AF/BF 动车组可靠性指标应达到下列指标：A 类故障率不超过0.2件/百万km；B 类故障率不超过0.4 件/百万km；C类故障率不超过1.0 件/百万km［2］。CR400AF/BF动车组采用多种可靠性设计准则，确保动车组具备高可靠性。

1.2 可靠性设计分析

1.2.1 降额设计

降额设计是使产品或零部件所承受的工作应力（机械应力、电应力、温度应力）适当低于额定值，从而达到降低故障率提高可靠性的目的。

（1）动车组部分总体技术参数高于技术条件规定要求，牵引、制动功率具有一定余量，不仅为性能退化留有余量，还能使得动车组日常运用中非满负荷运行，降低故障率。CR400AF 转向架临界速度大于550 km/h，CR400BF 动车组轮周牵引功率达10 140 kW。

（2）车体、转向架、车钩等各类结构件运用降额设计理念进行强度设计，能够提高安全系数，降低裂纹出现概率。CR400AF 设计轴重不大于16 t，关键部件强度按最大轴重17 t 设计。

（3）牵引、辅助系统电子元器件在选型时根据电压、电流、功率、绝缘、耐压等要求充分考虑降额设计，能够应对短时高电压（电流）冲击。CR400BF高压部件雷电冲击耐受电压185 kV，高压箱整体雷电冲击耐受电压170 kV。

（4）网络设备选型时为信息传输预留有适当的余量，保证信息传输的可靠性。动车组布设以太网，主要用于传输状态数据和故障数据，实现在线监测和数据下载。

（5）空调采暖及通风系统设计留有余量，能有效应对高寒或高温天气和应急情况。CR400BF 采用钛酸锂离子电池，应急通风2 h 后，单组电池剩余容量大于60%。

（6）水箱、污物箱的容量设计留有余量，满足乘客满员及部分超员情况下的需求。CR400BF 净水箱容积较CRH380B 增加7%，污物箱容积较CRH380B 增加22%。

（7）牵引变压器、变流器冷却系统考虑实际运用环境，当有效进风面积减少15%时仍然能满足额定功率运用下的冷却能力要求，降低高温报警的概率，同时降低变压器、变流器工作环境温度，减少故障发生。

1.2.2 冗余设计

冗余设计是通过重复配置某些关键设备，当设备出现故障时，冗余的设备介入工作，承担故障设备的功能，为系统提供服务，减少宕机事件的发生。

（1）动车组由2 个相对独立的动力单元组成，每个动力单元包含2 辆动车和2 辆拖车，牵引系统主要由1 个受电弓、1 台牵引变压器、2 台牵引变流器、8 台牵引电机组成（CR400AF 每台变流器有2个逆变器，架控驱动4 台电机；CR400BF 每台变流器辆控驱动4 台电机）。基本动力单元中的电气设备发生故障时，可全部或部分切除该动力单元，而不影响到其他动力单元的运用。

（2）辅助系统主要由4 台辅助逆变器、2 台充电机、2 组蓄电池构成，采用并网供电和冗余设计，保证在各种工况下可靠供电。

（3）各车制动控制单元通过网络和硬线冗余接受制动指令，具有冗余轴抱死检测功能（DNRA）。

（4）网络控制系统采用TCN 和高速传输以太网的双重冗余设计。

（5）司机室TCMS、ATP 显示屏均设置双屏，互为备份，主屏幕故障后可快速切换至备用屏幕。

图1 CR400AF 动车组牵引系统结构图

1.2.3 耐环境设计

耐环境设计是在设计时考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击、振动，贮存时的温度、湿度、霉菌，使用时的气候、环境、振动等影响，采取散热（加热）、冷却、隔热、密封、干燥、防护涂层、加固、控制谐振及减振等技术，选用耐高（低）温、耐潮、抗霉等材料，确保产品的可靠性。

（1）变压器、变流器、电机等电气件和制动、网络控制等装置电子元器件采用风冷、水冷、油冷等散热措施保证合适的工作环境温度。

（2）车体、转向架等部位采用涂漆、涂油脂、电镀、磷化等保护措施避免腐蚀；空压机设有干燥塔除湿，避免制动管路锈蚀和冬季结冰堵塞管路；电气系统采用耐油、耐腐蚀、绝缘等级高的电线电缆，保证电流或信号传输的可靠性。

（3）设备舱为全密封式结构，格栅和滤网防水、防雪、防柳絮；针对秋冬季雾霾天气严重，绝缘子表面易吸附污物导致高压电气绝缘失效实际情况，增大了绝缘子的爬电距离要求；高压电气件集成于密闭的高压设备箱内，避免受到外界环境因素影响。

（4）悬挂装置装有钢弹簧、空气弹簧、油压减振器、橡胶节点、橡胶垫等以减轻振动、缓和冲击；变压器、变流器等车下吊挂部件均设有减振橡胶以减轻振动和冲击。

（5）电机、电器、电子装置、电线电缆等采取相应的防霉、防老鼠等啮齿类小动物的措施。

2 可用性特点分析

可用性是指在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。它是产品可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。

2.1 可用性定量指标及要求

动车组可用性指标包括定期检修率、临修检修率和完好率。

（1）动车组定期检修率指动车段（所）处于定期检修状态的某型动车组列日数与应支配动车组列日数之比。这里的定期检修是指需要日间扣车实施的二、三、四、五级修。

（2）动车组临修检修率指某动车段（所）由于偶发故障导致的计划外修复性维修状态的动车组列日数与应支配动车组列日数之比。

（3）动车组完好率指动车段（所）处于可运用状态（包括实际运用和备用）的动车组列日数与应支配动车组列日数之比。

CR400AF/BF 动车组年平均运行里程不低于80万km，可用性指标要求：计划检修率不超过14%；临修检修率不超过3%；完好率不低于83%［2］。

2.2 修程修制

定期检修率由动车组定期检修周期和检修停时确定，临修检修率与动车组的可靠性密切相关。CR400AF/BF 动车组修程分为五级，其中一、二级属于运用维修，以维护保养为主，在动车所完成；三、四、五级属于高级别维修，以恢复基本性能为主，在动车段或主机厂完成，维修等级及周期见表1。

表1 动车组维修等级及周期

目前国铁集团正在大力推进动车组修程修制改革，制定了一系列延长检修周期、优化检修内容及检修方式的推进方案，改革成功后动车组的可用性将得到进一步提升。

2.3 互联互通

互联互通是CR400AF/BF 动车组顶层功能指标之一，基于高速动车组运用和统型需求，实现了不同主机厂产品的司乘界面、操作界面、旅客界面统一。

司乘界面：统一司乘操作界面、紧急安全设施；统一车门、车窗、灭火器等应急安全设施配置；

操作界面：统一HMI 显示界面、故障代码等；

操控模式：统一设置牵引运行、连挂解编、救援、回送、洗车、调车、紧急牵引、外接电源8 个工作模式；

服务设施：统一卫生间、盥洗室、开水炉、服务台、工具柜、客运柜、洁具柜、垃圾小车存放、大件行李存放等旅客界面配置，实现列车相互备用。

通过互联互通设计，实现了动车组的相互重联、救援、热备，有效提升了动车组的利用效率，实现运营组织的灵活性，降低了运用成本。

3 可维修性特点分析

维修性是指在规定的条件下，并按照规定的程序和手段实施维修时，产品在规定的使用条件下，保持和恢复能执行规定功能状态的能力，是由产品设计决定的使其维修简便、迅速、经济的特性。

3.1 维修性定量指标及要求

CR400AF/BF 动车组各级修程主要内容和维修停时要求如下：

（1）一级维修：例行检查。一级维修以检查为主，包括制动、走行、受电弓在内的全面检查，厕所排污、清扫保洁等，维修停时每次不超过2.5 h。

（2）二级维修：专项维修。二级维修主要包括，空心车轴探伤、踏面修形、齿轮箱换油、轴承润滑、重要系统和部件的功能测试等内容，维修停时每年累计不超过25 d。

（3）三级维修：转向架分解检修。三级维修主要是转向架分解检修，对制动、牵引、空调等系统进行状态检查和功能测试，维修停时每次不超过30 d。

（4）四级维修：系统分解检修。四级维修主要针对动车组各系统的分解检修，主要包括转向架、制动系统的分解检修；电机、电器的性能测试及更换；车内设施的检修等，维修停时每次不超过40 d。

（5）五级维修：整车分解检修。对整车进行分解检修，较大范围地更新零部件。主要包括动车组分解、清洗、检查、修复、更换、车体重新油漆等，维修停时每次不超过50 d［2］。

图2 CR400AF/BF 动车组互联互通示意图

3.2 维修性设计分析

3.2.1 按照有利于保养与维修，减小维修工作量、降低维修成本的要求设计

（1）轴箱采用分体式结构，便于轮对快速更换。

（2）车窗采用整体框架式安装结构，方便维护更换。

（3）内风挡两侧可快速解编，方便检修车端部件。

（4）设备舱采用锁结构设备舱裙板，抽拉式设备舱底板，设置检修检查门等优化措施取代螺栓安装结构，减少作业量，提高作业效率。

（5）统一检修维护接口：注水口、排污口、顶车位、外接电源、动车组旋轮工装、登顶作业等，便于日常运用维修。

（6）CR400AF 采用车下集成式高压设备箱，解决污闪问题；外风挡底部可快速拆卸，便于检修车端部件；结合用户、司乘、检修等需求，优化人机界面。

（7）CR400BF 采用钛酸锂离子电池，基本实现终身免维护；采用高压部件集成车顶高压箱方案，具有耐候性、免清洗、检修维护方便、气动阻力和气动噪音小等特点。

图3 CR400BF 动车组车顶高压布置和主电路示意图

3.2.2 标准化、模块化、通用化设计

（1）为提高零部件通用性、互换性，减少备品备件种类和数量，降低动车组全寿命周期成本，CR400AF/BF 动车组开展了11 个系统96 项零部件的统型工作：座椅、侧门、车窗、车钩、滑板、闸片、车轴、锁类等，实现完全统型，满足整机和维护部件完全互换；电视、内外信息显示器、蓄电池、电压电流互感器、受电弓等，统一电气、机械接口，满足整机互换；空调、便器、水箱、开水炉等，实现维护部件和易损易耗件的统一。

（2）设备舱整体采用模块化结构，车下预组，整体安装。

（3）牵引、制动、网络、辅助等系统按照功能不同分层次（LRU、SRU、SSRU）进行模块化设计，使各功能由不同模块或板卡控制，便于故障定位、隔离和部件更换，达到快速解决故障的目的。

3.2.3 测试性设计

（1）采用新一代列车网络控制系统（TCN 网+以太网），首次构建百兆级以太网列车网络，提升信息处理技术。

（2）设置监测点2 500 余项，采集各种车辆状态信息1 500 余项，实时诊断运行故障，出现异常，自动报警或预警，并根据安全策略自动采取限速或停车。

（3）采用智能移动终端、WLAN 无线设备、以太网单点维护、故障自动识别等技术手段，实现列车控制和任意子系统的健康管理和全方位、多维度的故障诊断，检修维护更加智能化。

（4）优化车—地无线传输系统，提升动车组故障信息、状态信息实时传输能力，通过便携式测试工具实现车辆本地在线监视和故障处理，采用4G移动通信技术实现远程实时监视和远程维护支持，提高运用检修效率。提供包括无线上网服务、新闻资讯、旅行信息、列车动态信息服务、旅客坐席及乘务工作管理等在内的智能化服务。

4 安全性特点分析

CR400AF/BF 动车组的设计以故障导向安全为原则，在确保走行安全的基础上，采取了多种主动安全与被动安全措施。主动安全措施主要包括：接近预警、地震预警、烟火报警系统；失稳、轴温、受电弓视频监测；过压、过流、高压、欠压、防滑、超温、接地保护等。被动安全措施主要包括：碰撞吸能装置，脱线防护装置，灭火器（干粉和水基），阻燃、低烟、无毒（低毒）、无卤的非延燃性材料或防火材料等。

（1）车体采用整体承载结构，由6 系铝合金通长薄壁中空大型材焊接而成，车头采用型材蒙皮与承载梁焊接结构，焊接变形小。CR400AF 中空铝型材最大638 mm，断面焊缝数量由CRH380A 的60 条减少至44 条，降低残余应力及焊接变形。

（2）设备舱裙板、底板设计具有防松脱功能。

（3）塞拉门具有本车控制、集中控制、手动、速度锁闭、防挤压、气密等功能，并与牵引系统联锁，车门未关闭封锁牵引，车速大于5 km/h 时隔离开门功能（紧急开门除外），车速大于10 km/h 时不能打开车门（包括紧急开门）。控制指令用硬线传输、开门控制2 步操作，防止误操作。锁闭装置采用多点压紧、锁闭，安全可靠。

（4）按照车钩、防爬及主吸能块三级吸能原理研制了碰撞吸能装置，能量吸收系统由头车端部吸能结构和中间车钩缓冲装置组成，碰撞试验结果满足EN 15227 标准要求。

（5）轴箱设置有轴温传感器和熔断继电器双保险，对轴承进行监测和保护。

（6）通风系统采用被动式压力保护系统控制车内压力波动，优化压力波控制策略，减小隧道通过或交会时耳部不适感。

（7）动车组各车辆端墙（门）具有耐火性能，保证起火后15 min 之内不会通过其蔓延到相邻车辆，同时能维持运行15 min，使动车组驶离不易停车处理事故的区域。

（8）车内设施充分考虑旅客安全，通过台和车内地板平滑过渡无台阶，地板布防滑耐磨，卫生间、通过台、车门处均设有扶手，车内端门具有防挤压功能，电开水炉设有2 个按钮，先按解锁按钮后再按出水按钮才能出热水，避免儿童误操作造成烫伤。

图4 脱线防护装置（左）和碰撞吸能装置（右）示意图

图5 CR400AF 动车组设备舱示意图

5 结束语

产品寿命周期各个阶段对RAMS 的影响程度是不同的，越是早期阶段对RAMS 的影响越大，论证、研制阶段基本确定了RAMS 的80% 因素。CR400AF/BF 动车组在设计制造中充分考虑了RAMS 需求，为其高效运用维修提供了很好的技术基础。但目前我国动车组的修程修制顶层设计仍处于初级阶段，动车组运用检修水平与国际先进水平还有一定的差距，应持续加强此方面研究和工程应用。机车车辆检修多年实践经验表明，一套良好的机车车辆修程修制体系不是优化出来的，而是从设计源头系统规划出来的。在机车车辆设计研发阶段，应自觉运用现代维修理论、RAMS 技术和LCC（Life Cycle Cost）方法开展维修顶层规划和正向设计，系统全面地考虑产品交付后的运用和维修需求，合理规划各系统和主要部件的使用寿命、维修周期、维修方式等，实现主要部件寿命和维修周期与整车维修周期相匹配，检查维修方便快捷，避免仅仅为了更换或维修某一部件而对整车或某一系统进行大范围的拆解组装，实现修程修制的“优生优育”，达到机车车辆运用维护的安全、可靠、高效、经济。