基于GO法地鐵車輛客室車門可靠性評價*

董軍哲 楊建偉 黃 強(qiáng)

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，030024，太原;2.北京建筑工程學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，100044，北京;3.中國鐵道科學(xué)研究院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生)

地鐵列車運(yùn)營線路站距短，客室車門開啟關(guān)閉頻繁，極易導(dǎo)致車門的門控電氣元件和機(jī)械零部件發(fā)生損壞，造成正線運(yùn)營列車的客室車門頻繁產(chǎn)生故障［1］。根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，在軌道交通車輛系統(tǒng)中，車門系統(tǒng)的故障占車輛系統(tǒng)總故障的30%以上，對列車運(yùn)行的安全性構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，亟待解決［2］。為了有效降低客室車門的故障，確保列車的正常運(yùn)營，本文提出應(yīng)用GO(Goal Oriented)法進(jìn)行地鐵車輛客室車門的可靠性分析。

車門系統(tǒng)可靠性狀態(tài)可用相關(guān)的可靠性特征描述。目前，常用的可靠性分析方法主要包括可靠性框圖法、故障樹法和故障模式及后果分析法等。這類方法依賴專家知識推演，不易建模，缺乏模塊化、結(jié)構(gòu)化分析模型，不適合于車門系統(tǒng)這類高維修性系統(tǒng)［3－4］。地鐵車輛客室車門系統(tǒng)屬于可修系統(tǒng)，本文應(yīng)用GO法對車門系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估，建立了GO模型，并結(jié)合GO程序，考慮共有信號的修正，可方便快捷地對地鐵車輛客室車門系統(tǒng)的可用度、失效率等可靠性特征量進(jìn)行精確的定量與定性分析?？煽啃苑治鼋Y(jié)果對提高現(xiàn)有系統(tǒng)的可靠性具有重要意義，并為實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷提供了理論依據(jù)。

1 地鐵車輛車門系統(tǒng)

1.1 齒帶傳動式車門系統(tǒng)簡介

車門的傳動方式主要有齒帶傳動和螺桿傳動兩種。目前，北京地鐵國產(chǎn)化新造車，以及北京城鐵13號線、天津輕軌濱海線等使用的車輛均采用了齒帶傳動的門系統(tǒng)。齒帶傳動具有傳動準(zhǔn)確、平衡、無滑差又節(jié)能、承載能力高、壽命長、傳動噪聲低、帶齒受力均勻合理、具有最小膨脹系數(shù)和最大可靠性等特點［5］。因此，齒帶傳動更適應(yīng)未來市場的需要，是軌道車輛自動門系統(tǒng)傳動方式的發(fā)展趨勢。

齒帶傳動式客室車門結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由一個電機(jī)裝置、一個懸掛裝置、安裝支架和門控單元等設(shè)備組成［6］。

電機(jī)裝置:由外部電源1給步進(jìn)電機(jī)2供電，產(chǎn)生驅(qū)動力矩;聯(lián)軸節(jié)3將驅(qū)動力矩傳遞給行星減速器4;減速器輸出軸通過軸承5，將驅(qū)動力矩傳遞到解鎖滑輪6，同時通過墊片7和彈性擋圈8將驅(qū)動力矩傳遞到左傳動滑輪9。

懸掛裝置:左、右兩扇門頁19、20分別通過齒帶夾板12、14與齒帶11兩側(cè)相連，齒帶兩端有傳動滑輪9和10，使得齒帶形成一個閉環(huán);通過驅(qū)動滑輪的驅(qū)動，使齒帶11繞著齒帶滑輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時帶動兩扇門頁在上下導(dǎo)軌15、21內(nèi)做相反方向的運(yùn)動，達(dá)到兩扇門頁同步運(yùn)動的狀態(tài)。

圖1 齒帶傳動式客室車門結(jié)構(gòu)圖

1.2 車門控制系統(tǒng)

地鐵列車客室車門主要有開門、關(guān)門、警示燈/蜂鳴器、障礙物探測(關(guān)門防夾、開門時障礙物探測)、車門切除、主隔離、緊急解鎖等功能［7］。上述功能的實現(xiàn)，與車門控制系統(tǒng)中的車門鎖閉行程開關(guān)(S1)、車門關(guān)閉行程開關(guān)(S2)、緊急解鎖開關(guān)(S3)以及車門電源切除開關(guān)(S4)等四個行程開關(guān)有密切關(guān)系。車門控制原理如圖2所示。

圖2 車門控制系統(tǒng)原理圖

2 車門系統(tǒng)的GO法模型

2.1 車門系統(tǒng)故障分析

客室車門故障可以分為機(jī)械故障和電器故障。電器故障主要表現(xiàn)為EDCU(電子門控單元)、電源、車門制動器、車門電機(jī)、門外部指示燈、繼電器、TIMS(列車綜合管理系統(tǒng))等引起的開門、關(guān)門問題;機(jī)械故障主要是車門尺寸變形或車門尺寸調(diào)整不良等引起的車門限位開關(guān)故障、機(jī)械零件丟失、磨損、螺絲松動等。

2.2 車門開啟邏輯原理

零速列車有效時(列車速度≤3 km/h)會激活EDCU內(nèi)部的安全繼電器，激活后的安全繼電器使鎖閉裝置的電磁線圈得電，從而對解鎖滑輪解鎖。零速列車線失電時，開啟的車門將立即關(guān)閉。車門的開啟與關(guān)閉由零速、開門和關(guān)門列車線的電平?jīng)Q定。列車靠站停穩(wěn)后，在得到ATP(列車自動防護(hù))給出的信號后，開門按鈕內(nèi)的指示燈亮起，按下該按鈕，開門列車線得電，向 EDCU發(fā)送開門信號。EDCU接收到信號后，在電機(jī)驅(qū)動下，門翼向開門方向移動，直到橡膠止檔與門框接觸，車門完全打開。車門開啟邏輯原理如圖3所示。

2.3 車門系統(tǒng)GO法模型的建立

車門系統(tǒng)中電源、零速信號、ATP信號和車室門按鈕等是系統(tǒng)的輸入單元，用類型5操作符模擬;電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、齒帶等機(jī)械傳動單元用類型1操作符模擬;電源切除開關(guān)S4和車門EDCU，用類型6操作符模擬。本文研究目前地鐵車輛客車車門開啟過程，對其工作原理邏輯圖進(jìn)行變換，得到GO法圖示化模型(見圖4)。圖中短橫線左側(cè)的數(shù)字代表操作符的類型，右側(cè)數(shù)字為系統(tǒng)單元對應(yīng)的編號。車門系統(tǒng)模型中的單元可靠性參數(shù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)來源于某地鐵列車運(yùn)營歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計及經(jīng)驗值。

圖3 車門開啟邏輯原理框圖

3 系統(tǒng)可靠性分析

3.1 可修系統(tǒng)的可靠性特征量

可修系統(tǒng)是處于正常工作狀態(tài)和停工維修狀態(tài)的交替之中的系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生故障和完成維修都有隨機(jī)性。假定地鐵客車車門系統(tǒng)中元件和子系統(tǒng)都是服從指數(shù)分布的可修系統(tǒng)，則系統(tǒng)的可靠性特征量如下［8］:

(1)故障率λ;

(2)維修率μ;

圖4 車門系統(tǒng)GO法模型

表1 車門系統(tǒng)模型中的單元及特征數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)GO法模型邏輯簡化運(yùn)算步驟

穩(wěn)態(tài)分析的可修系統(tǒng)只是兩狀態(tài)系統(tǒng)。操作符輸入信號、操作符本身和操作符輸出信號的正常狀態(tài)概率、故障狀態(tài)概率、故障率、維修率分別記為［PS(1)，PS(2)，λS，μS］、［PC(1)，PC(2)，λC，μC］、［PR(1)，PR(2)，λR，μR］。車門可修系統(tǒng) GO 法的定量分析應(yīng)用參考文獻(xiàn)［9］。在圖4中，操作符1～10的類型都是串聯(lián)邏輯的，因此可以把操作符1～10作為一個整體模塊MOD處理，并且是完全串聯(lián)的模塊。在完全串聯(lián)的模塊中，失效率的計算為簡單的加法運(yùn)算，維修率的運(yùn)算也可以局部求和計算得到。該子模塊的計算公式為:

車門系統(tǒng)GO法模型中存在信號共有的情況。在計算輸出特征量時，信號19使用了操作符15和18的輸出值，操作符15和18信號中包含了操作符10的輸出信號，從而操作符10的輸出特征值被重復(fù)計算，導(dǎo)致計算結(jié)果錯誤。因此，必須修正共有信號帶來的計算偏差。

操作符10～15與操作符16～18都是串聯(lián)邏輯，即對操作符10的輸出信號的成功概率所做的運(yùn)算是乘法。因此，根據(jù)完全串聯(lián)模塊計算方法得:

操作符19～30和操作符31～33也是完全串聯(lián)的模塊。其故障率和維修率為:

3.3 車門系統(tǒng)可靠性計算

通過式(1)～(16)的計算，得到車門系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果

4 結(jié)語

(1)分析了齒帶傳動式地鐵車輛客室車門系統(tǒng)的優(yōu)點及工作原理，提出應(yīng)用GO法進(jìn)行地鐵車輛客室車門系統(tǒng)可靠性分析。

(2)提出有共有信號時操作符的維修率和失效率的處理方法，導(dǎo)出可修系統(tǒng)維修率和失效率的精確的計算公式，使GO法的計算更為精確，應(yīng)用更為簡捷。

(3)本方法已應(yīng)用于地鐵車輛客室車門系統(tǒng)的可靠性分析，結(jié)果表明，在可修系統(tǒng)的可靠性分析中，GO法是一種簡捷方便、行之有效的方法。

［1］曾青中，韓增盛.城市軌道交通車輛［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2006:134.

［2］周翊民.城市軌道交通的發(fā)展趨勢及其動因分析［J］.城市軌道交通研究，2001，4(2):2.

［3］劉愛明.軌道車輛門系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［4］蔡國強(qiáng)，周莉茗，李熙，等.基于GO法的城市軌道交通車門系統(tǒng)可靠性分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2011，46(2):264.

［5］郝新.城市軌道車輛自動門系統(tǒng)的傳動方式［J］.城市軌道交通研究，2005，8(1):78.

［6］許敏，穆廣友.上海國產(chǎn)化A型地鐵列車車門系統(tǒng)簡析［J］.城市軌道交通研究，2010(增刊):390.

［7］彭有根.廣州地鐵二號線車輛車門系統(tǒng)及其控制原理［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2005，28(6):49.

［8］沈祖培，黃祥瑞.GO法原理及應(yīng)用:一種系統(tǒng)可靠性分析方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:117.

［9］沈祖培，黃祥瑞，高佳.可修系統(tǒng)可靠性分析中GO法的應(yīng)用［J］.核動力工程，2000，21(5):458.