運(yùn)用功能的故障模式、影響、危害性分析以及故障樹綜合分析列車安全性

顧文娟 薛淑勝

（中國南車集團(tuán)南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

隨著國內(nèi)列車設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暳熊嚨陌踩?，尤其注重設(shè)計(jì)過程中列車安全性的保證。故障樹分析（FTA）作為一種在列車設(shè)計(jì)過程中對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行評(píng)估的有效方法，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是僅應(yīng)用FTA對(duì)列車進(jìn)行安全性分析有其局限性。針對(duì)這種情況，本文將功能的故障模式、影響及危害性分析（簡稱FMECA）與FTA結(jié)合起來應(yīng)用，對(duì)列車進(jìn)行安全性分析。

1 FTA及FMECA簡介

20世紀(jì)60年代，F(xiàn)TA首先應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，之后在核能領(lǐng)域得到了重視和發(fā)展，目前在電子、化工、電力、機(jī)械、交通等行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，用來作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性和安全性的工具。

FTA是一種圖形演繹的故障分析方法，是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。它將系統(tǒng)故障形成的原因進(jìn)行分析，建立邏輯關(guān)系圖，從上至下確定系統(tǒng)故障原因和發(fā)生概率，并根據(jù)分析結(jié)果確定被分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、關(guān)鍵部位和應(yīng)采取的措施等［3］。

FMECA是20世紀(jì)50年代初由美國航空部門首先應(yīng)用的一種規(guī)范化分析技術(shù)。美國宇航局的通信衛(wèi)星，幾乎都采用了這一技術(shù)。我國也于1992年發(fā)布了GJB 1391《故障模式、影響及危害性分析程序》，要求在武器裝備研制過程中推廣該技術(shù)。

FMECA是一種歸納法，確定產(chǎn)品可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)酷程度及發(fā)生頻度予以分類，是屬于單因素的分析方法［1］。在列車的壽命周期各階段，應(yīng)用FMECA方法的目的和方法也不盡相同，主要分為功能FMECA、硬件FMECA、軟件FMECA、損壞模式及影響分析（DMEA）、過程FMECA［1］。雖然各個(gè)階段FMECA的形式不同，但根本目的均是從不同角度發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的各種缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效的改進(jìn)和補(bǔ)償措施以提高其可靠性水平。

2 FMECA和FTA綜合應(yīng)用

FTA方法是以系統(tǒng)不希望發(fā)生的一個(gè)事件（頂事件）作為分析目標(biāo)，通過逐層向下推溯得出事件發(fā)生的所有可能原因。然而，因列車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣，若直接以列車為目標(biāo)進(jìn)行分析，生成的故障樹往往過于龐大，邏輯關(guān)系復(fù)雜，不易于理解。為了避免FTA的這一局限性，現(xiàn)介紹如何綜合應(yīng)用功能FMECA及FTA對(duì)列車進(jìn)行安全性分析。首先分解列車功能；然后應(yīng)用功能FMECA對(duì)列車各項(xiàng)功能進(jìn)行分析，得出每項(xiàng)功能可能影響列車安全的重大事件；把這些重大事件作為FTA的頂事件進(jìn)行逐個(gè)分析。將大型的故障樹化整為零，邏輯清楚，易于理解，其具體分析過程如下：

1）將列車功能進(jìn)行分解，并應(yīng)用功能FMECA對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行分析，得出影響列車安全的功能故障模式，并判斷該故障模式潛在事故的后果對(duì)人、環(huán)境及運(yùn)行的影響等級(jí)（見表1）。

表1 危害嚴(yán)重度等級(jí)［2］

2）利用FTA方法對(duì)功能故障模式即頂事件進(jìn)行分析，列舉出導(dǎo)致這些故障的各種可能基本事件組合，并得出危險(xiǎn)事件的發(fā)生頻度（見表2）。

表2 危險(xiǎn)事件出現(xiàn)的頻度［2］

3）結(jié)合危害事件嚴(yán)酷等級(jí)、危害可能出現(xiàn)的頻度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定該風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受，并針對(duì)重要的或關(guān)鍵的元器件或零部件提出改進(jìn)意見。風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表3所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣［2］

在表3中，危害性事件發(fā)生頻度的定標(biāo)取決于所考核的應(yīng)用。由表3可知，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有不容許的、不希望的、容許的和可以忽略的共4種，針對(duì)這4種等級(jí)，在 GBT 21562—2008（即參考文獻(xiàn)［2］）中規(guī)定了應(yīng)采取的措施，如表4所示。

表4 對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所采取的措施［2］

3 功能FMECA和FTA綜合分析方法應(yīng)用實(shí)例

本文以列車的停放制動(dòng)功能為例，闡述如何應(yīng)用功能FMECA和FTA對(duì)列車進(jìn)行安全性分析。列車在車輛段進(jìn)行維護(hù)或停在坡道上時(shí)，為了使列車停穩(wěn)，需要施加停放制動(dòng)。若停放制動(dòng)不能施加或性能不良，列車有可能會(huì)出現(xiàn)溜車，此時(shí)軌道上若有乘客或工作人員，會(huì)有生命危險(xiǎn)。

3.1 功能FMECA

表5為運(yùn)用功能FMECA對(duì)列車停放制動(dòng)功能進(jìn)行分析，得出所有影響列車安全性的停放制動(dòng)故障模式。

由表5列出了停放制動(dòng)功能所有的故障模式，并對(duì)各種可能導(dǎo)致該故障模式的原因及影響進(jìn)行了分析。若某故障模式對(duì)列車安全性有影響，則該故障模式將會(huì)作為故障樹分析的頂事件進(jìn)行故障原因分析。

3.2 FTA

由表5可知，如果故障模式“停放制動(dòng)無法施加”或“停放制動(dòng)不適時(shí)施加”發(fā)生，就有可能造成列車安全事故。由于篇幅所限，本文將以“停放制動(dòng)無法施加”為例，運(yùn)用FTA進(jìn)行演繹，從上而下，分析最影響列車安全性的部件，從而得出安全性關(guān)鍵件。

圖1為列車停放制動(dòng)控制原理圖。在列車零速情況下，司機(jī)按下停放制動(dòng)施加按鈕，使得停放制動(dòng)電磁閥得電，施加停放制動(dòng)。針對(duì)圖1開展FTA，如圖2所示。

表5 功能FMECA對(duì)列車停放制動(dòng)功能的分析

圖1 列車停放制動(dòng)控制原理圖

圖2中應(yīng)用到的故障樹門符號(hào)及事件符號(hào)的名稱及意義如表6所示。

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上述故障樹分析中用到的電子元器件故障率數(shù)據(jù)，主要源于現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和根據(jù)GJB 2990—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》取值。停放制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由相關(guān)供應(yīng)商供應(yīng)，因此事件“停放制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障”的安全分析將由供應(yīng)商進(jìn)行，本文中作為未知事件處理，僅列出其相關(guān)故障率（見圖2）。

通過“停放制動(dòng)無法施加”故障樹分析可知：

1）當(dāng)停放制動(dòng)指令回路斷路器、鑰匙繼電器、零速繼電器、ATC（列車自動(dòng)控制）零速信號(hào)、停放制動(dòng)按鈕、停放制動(dòng)繼電器這幾個(gè)因素中任一個(gè)出現(xiàn)故障，都會(huì)導(dǎo)致停放制動(dòng)列車線不能導(dǎo)通，停放制動(dòng)施加命令發(fā)不出去，從而造成停放制動(dòng)不能施加。

圖2 FTA圖

2）根據(jù)故障樹定量計(jì)算，“停放制動(dòng)無法施加”的頻度是0.098 9次／百萬 h。GBT 21562—2008中沒有對(duì)危害事件的發(fā)生頻度提出定量標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前在軌道交通行業(yè)的很多項(xiàng)目中將發(fā)生頻度“極少”量化為10－1～10－2次／百萬h，0.098 9次／百萬h在此區(qū)間內(nèi)。因此，根據(jù)表3可以得出結(jié)論：事件“停放制動(dòng)無法施加”的風(fēng)險(xiǎn)是容許的。

3）雖然“停放制動(dòng)控制環(huán)線不能導(dǎo)通”會(huì)導(dǎo)致列車停放制動(dòng)不能施加，但隨著總風(fēng)缸空氣泄漏，停放制動(dòng)會(huì)自動(dòng)施加，因此司機(jī)發(fā)出停放制動(dòng)施加指令后須確認(rèn)停放制動(dòng)已經(jīng)施加方可離開。而且停放制動(dòng)是在車輛段，或在實(shí)際運(yùn)營中列車出現(xiàn)故障時(shí)才會(huì)使用，因此若列車發(fā)生停放制動(dòng)故障，為使列車正常運(yùn)營，司機(jī)可將其隔離。

4 結(jié)語

利用功能FMECA可以做到不遺漏每一種可能的故障模式，并且使得故障樹邏輯清楚；利用FTA對(duì)故障模式圖形演繹，逐層分析，能找到影響列車安全性的關(guān)鍵部件。兩種方法綜合應(yīng)用，不僅可互相輔助，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，還極大地提高了對(duì)列車安全性分析的效率，使得分析結(jié)果更為直觀、易于理解。

［1］GJB 1391—2006故障模式、影響及危害性分析指南［S］.

［2］GBT 21562—2008軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例［S］.

［3］董钖明.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.