地鐵列車牽引力失效的可靠性分析

周愛萍 薛俊偉

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

地鐵列車牽引力失效的可靠性分析

周愛萍 薛俊偉

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

運用功能性故障模式、影響及危害性分析法（FMECA）對地鐵列車運行過程中牽引與電制動子系統(tǒng)出現的故障模式進行詳細的分析。在全面研究南京地鐵3號線牽引與電制動子系統(tǒng)控制原理的基礎上，對功能性FMECA分析得出的最嚴重的故障模式——全部動車切除，進行了可靠性框圖（RBD）分析。通過定性定量分析，得出系統(tǒng)中的關鍵元器件，為列車牽引與電制動子系統(tǒng)的設計、制造以及維護提供指導，確保列車滿足可靠性要求。

地鐵；牽引；電制動；可靠性；可靠性框圖

First-author'saddressCSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

地鐵列車牽引力失效等故障直接影響城市市民正常的生活和城市的有序運轉，更重要的是影響到軌道交通運營質量和安全效益［1］。為了有效地降低列車發(fā)生故障的概率，確保列車正常運營和乘客的安全，本文對南京地鐵3號線牽引與電制動子系統(tǒng)（DYN）進行詳細分析和研究，對系統(tǒng)的可靠性進行評估和分析。

1 列車正常運行時牽引動力分析

1.1 正常運行時的設備功能描述

南京地鐵3號線列車是由2個可動單元車組構成的“四動兩拖”型編組方式。其DYN的主要目的是將受電弓收集到的直流高壓轉換成可變頻變幅的三相電壓，用以牽引或制動牽引電機。

受電弓連接在高壓直流電路上，電力通過網側高壓系統(tǒng)分配到列車上不同的電力系統(tǒng)。列車動車底架安裝一臺高壓箱，將牽引系統(tǒng)連接到直流供電的電網上，內部主要設備有高速斷路器、輔助熔斷器、線路電抗器以及接地開關等。

牽引系統(tǒng)的主要任務是將輸入的電能最終轉換成車輛的輪周牽引力，具有過壓、過流、接地故障和過熱保護的功能。其主要設備有牽引逆變模塊、制動電阻、牽引電機等。高壓箱輸出的電能供給牽引逆變器（MCM），MCM將直流電壓轉化成變壓變頻三相電壓的同時向4臺并聯(lián)的異步牽引電機供電，以驅動牽引電機。

當切換到制動模式時，電能方向反轉且牽引電機作為發(fā)電機運作。此時機械能轉換成電能。通常此電能被送回電網驅動其他列車或者消耗在制動電阻中。

1.2 正常運行時牽引控制原理分析

牽引指令實現的條件如下：有牽引指令發(fā)出，通過牽引授權控制電路以及牽引設備執(zhí)行牽引指令。牽引控制回路的指令是由重要元器件組成的硬線控制傳輸來實現的。在列車自動駕駛（ATO）模式下，ATO模式繼電器（AMR）常開觸點閉合；符合牽引條件之后，列車自動控制（ATC）觸發(fā)ATO牽引指令繼電器（AMTDR），發(fā)出牽引指令信號；牽引指令信號發(fā)出后，經過牽引授權控制電路傳輸到牽引設備執(zhí)行牽引指令。牽引授權電路如圖1所示。

圖1 牽引授權電路

正常駕駛模式下，牽引授權導通需要列車自動防護故障隔離開關（ATPFS）觸點（7，8）閉合，以及司機室激活繼電器（COR3）、所有停放制動緩解繼電器（APBRR）和緊急制動繼電器（EBR）等電子元器件的觸點閉合，另外需要車載控制單元（OBCU）模塊發(fā)出牽引允許指令。此OBCU模塊的功能主要是讓ATC系統(tǒng)檢測是否滿足牽引釋放條件，例如車門關閉并鎖好、緊急制動未施加等；當條件滿足后，該模塊發(fā)出正確牽引釋放指令。其中OBCU屬于ATC內部模塊，后續(xù)分析中不予考慮。以上條件滿足后，牽引授權電路導通，激活牽引列車線。牽引信號發(fā)送到牽引逆變器，牽引設備執(zhí)行牽引指令，驅動牽引電機運轉。

2 牽引與電制動子系統(tǒng)可靠性分析

可靠性分析方法主要分為解析法和模擬法2大類。其中，解析法主要包括可靠性框圖（RBD）法、故障模式、影響和危害性分析（FMECA）法、故障樹分析（FTA）法等［2-3］。這些方法主要是根據系統(tǒng)的結構和設備之間的邏輯關系建立系統(tǒng)的可靠性模型，通過遞推或迭代等方法求解，對系統(tǒng)可靠性進行定量分析。

本文主要運用FMECA和RBD對牽引與電制動子系統(tǒng)進行可靠性評估。

2.1 FMECA

FMECA是可靠性分析的重要方法，是開展維修性、安全性、測試性、保障性分析的基礎［5］，有硬件法和功能法2種基本方法。其中，功能性FMECA是最基本的列車級可靠性分析工具，主要是對各個子系統(tǒng)的功能進行分析。在項目執(zhí)行初期，整車的詳細設計尚未開始，產品的部件清單以及原理圖等還未形成，只能根據產品的復雜程度，針對不同的級別（從設備級至系統(tǒng)級），分析研究其在發(fā)生故障的情況下可能產生的影響，區(qū)分出潛在的會導致運營故障的故障模式，并針對這些故障模式采取避免或補償措施。

根據南京地鐵3號線車輛采購合同以及南京地鐵實際運營經驗得出，牽引與電制動子系統(tǒng)的故障模式有以下3種：1個動車切除，2個動車切除，以及全部動車切除。對上述分析的故障模式進行功能性FMECA，以確定列車存在的運營故障模式，分析導致故障發(fā)生的原因，以及每個故障對牽引與電制動子系統(tǒng)和整個列車系統(tǒng)的影響程度；然后將這些故障記入可靠性分配及預測的范圍，得出這些故障模式的故障率。具體分析見表1。

2.2 RBD分析方法

RBD分析是利用互相連接的方框來顯示系統(tǒng)的失效邏輯，分析系統(tǒng)中每一個部件的失效率對系統(tǒng)的影響，以幫助評估系統(tǒng)的整體可靠性，是某一系統(tǒng)部件之間功能關系的表示［4］。它特別指出為了使系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運行而必須成功工作的那些部件。

針對表1中FMECA識別出的每種運營故障模式，通過RBD等可靠性分析工具進行定性定量分析。本文將以最嚴重的一種故障模式為例，即表1中的DYN-003（全部動車切除），介紹如何利用RBD分析法進行可靠性定性和定量分析，得出影響運營的元器件，并預測出相關故障率的可靠性分析過程。

在RBD建模時，南京地鐵3號線列車有關的其它承包商的故障機理分析及故障數據不在本文分析范圍內。因此，對于供應商和其它承包商負責分析的零部件，本文中作單一模塊處理，將直接引用其可靠性參數；另外，RBD軟件在進行定量計算時，按每天運營時間19 h計算任務可靠性。

2.3 RBD定性分析

利用專業(yè)RBD軟件繪制出“全部動車切除”的可靠性框圖，見圖2～5。

表1 功能性FMECA

圖2 全部動車切除框圖

圖3 司控器控制失效框圖

圖4 列車牽引授權指令失效框圖

圖5 牽引控制動力分配失效框圖

通過RBD框圖分析該頂事件可見，該故障模式主要是由4個主要的故障模塊串聯(lián)構成。由于南京3號線列車是由2個可動單元車組構成的“四動兩拖”型編組方式，所以在全部動車切除故障模式中，每個功能模塊實現并聯(lián)功能。下面針對每個故障模塊進行詳細分析。

首先，牽引指令發(fā)出故障信息，即司控器控制部分故障，具體參見圖3。司控器電源控制電路繼電器以及幾個ATO控制繼電器（ATO模式繼電器（AMR）、ATO牽引指令繼電器（AMTDR）、ATO釋放繼電器（ATOMR）等），在控制回路中都是單點串聯(lián)，是關鍵的元器件。其次，在ATO模式下，圖2所示的牽引授權電路無法正常導通，具體分析參見圖4。從圖4中得出，司機室激活繼電器（COR3）以及緊急制動繼電器（EBR）是關鍵元器件。第三，是牽引動力分配失效，主要包括4個動車中所有牽引動力設備功能喪失。圖5主要考慮牽引設備的控制用電部分。該部分由牽引設備保護電路用的斷路器組成，例如牽引逆變器控制電源斷路器（MCMCB）、牽引風機斷路器（PAFCB）等。由于GJB 299C—2006中預測出的斷路器故障率較高［6］，另外控制著牽引設備的控制用電，所以仍需要重點關注。牽引動力分配的牽引設備，包括牽引逆變器、牽引電機等故障分析由供應商單獨分析。

2.4 RBD定量分析

定量計算中用到的供應商設備的故障由供應商提供，部分故障率參數為實際運營中故障數據統(tǒng)計分析得到，其余元器件故障率根據GJB 299C—2006預測所得［6］。

通過RBD分析軟件計算得出，四分之一的動車切除（DYN-001）的故障率為2.7×10-5/h；二分之一的動車切除（DYN-002）的故障率為5.6× 10-6/h；全部動車切除（DYN-003）的故障率為1.4×10-10/h。故障率合計為3.3×10-5/h，滿足項目執(zhí)行初期對牽引系統(tǒng)的可靠性指標分配值。

2.5 可靠性分析結論

針對上述定性定量分析中得出的安全關鍵件（EBR、AMR、AMTDR等），在設計階段元器件選型時，應優(yōu)先選用故障率低、可靠性高、經過實際運營驗證的電子元器件，并制定合適的元器件參數。在生產制造階段，應確保接線以及安裝正確，并進行必要的檢查和測試，確保功能正確實現。在運營維護階段，應按照預防性維護計劃周期，定期檢查，定期更換。

3 結語

針對列車牽引與電制動子系統(tǒng)在運營過程中易出現的故障現象，本文運用功能性FMECA方法對故障原因、影響及相關措施進行了詳細的分析，并針對最嚴重的故障模式——全部動車切除，運用可靠性框圖分析法，進行有效的定性和定量分析，得出該系統(tǒng)的關鍵元器件，為列車牽引與電制動系統(tǒng)的設計中元器件選型、制造以及運營維護階段的工作提供依據。

［1］ 鄭吉.地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性分析［D］.成都：西南交通大學，2009.

［2］ EN 50126—1999 Railway Applications：the Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）［S］.

［3］ 胡海濤，高朝暉.基于FTA和FMEA法的地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性評估［J］.鐵道學報，2012（10）：48.

［4］ 朱愛鳳，薛淑勝.城市軌道交通車輛可靠性分配及預測［J］.城市軌道交通研究，2013（2）：12.

［5］ GJB/Z 1391—2006故障模式、影響及危害性分析指南［S］.

［6］ GJB/Z 299C—2006電子設備可靠性預計手冊［S］.

［7］ 顧文娟，薛淑勝.運用功能的故障、影響、危害性分析以及故障樹綜合分析列車安全性［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：84.

Analysis of Subway Train Reliability after Traction Power Failure

Zhou Aiping，Xue Junwei

By using the method of functional failure mode，effects and criticality analysis（FMECA），the failuremodes occurred in the traction and electrical brake subsystem in subway train operation are analyzed in detail.Based on a comprehensive study of the control principle of traction and electrical brake subsystem on Nanjing metro Line3，the most serious failure mode-excision of all moter cars-derived from the funtional FMECA is analyzed by using the reliability block diagram（RBD）.Besides，through qualitative and quantitative analysis，the key components are obtained，which provide the guidance for the design，manufacture and maintenance of the traction and electrical brake subsystem，to ensure that the reliability requirements for train be satisfied.

metro；tractive force；electrical brake；reliability；reliability block diagram

U 260.13+8；U 298.1

2013-03-08）