基于FTA與CA的地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)可靠性研究

龔興華，張逸遷，張少東，王伯銘

（1 南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇南京210031；2 南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001；3 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

地鐵與輕軌

基于FTA與CA的地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)可靠性研究

龔興華1，張逸遷2，張少東3，王伯銘3

（1 南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇南京210031；2 南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001；3 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

從國(guó)內(nèi)目前常見的地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與常見故障模式，提出“FTA故障樹分析法—CA危害性分析法”相結(jié)合的可靠性分析思路。并針對(duì)某地鐵車輛所采用的塞拉門系統(tǒng)作基于此方法的可靠性分析，最后得出地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)的各主要故障模式的危害度矩陣圖，從而為塞拉門系統(tǒng)的檢修與維護(hù)提供一定的參考。

地鐵車輛；塞拉門系統(tǒng)；可靠性；故障樹分析；危害性分析

世界各個(gè)國(guó)家所擁有的地鐵雖然型號(hào)不盡相同，而且地鐵車輛車門型號(hào)和種類也各有特色，但是根據(jù)城軌交通的特點(diǎn)，所有的地鐵車輛車門按照驅(qū)動(dòng)形式分類通?？梢苑譃椋簹鈩?dòng)式車門（依靠驅(qū)動(dòng)氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)車門運(yùn)動(dòng)）或電動(dòng)式車門（依靠直流或者交流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車門運(yùn)動(dòng)）。若按照車門運(yùn)動(dòng)軌跡或安裝特點(diǎn)來(lái)分類又可以分為：藏嵌入式移門、外掛式移門、塞拉門、外擺式車門4種［1］。由于塞拉門有著隔熱隔音性能好、開關(guān)門速度快、運(yùn)行抖動(dòng)小、不影響車體外觀流線型等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以大多數(shù)地鐵車輛都采用塞拉門結(jié)構(gòu)。本文中所要分析的車門系統(tǒng)就屬于電動(dòng)式塞拉門結(jié)構(gòu)。

塞拉門最開始只在高速列車上有著非常廣泛的應(yīng)用，例如：德國(guó)ICE列車、日本新干線列車、法國(guó)TGV列車的車門都使用了塞拉門結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，塞拉門的結(jié)構(gòu)和品種也逐漸形成了自己特有的系列，用以滿足不同車輛的要求。總的來(lái)說(shuō)，相比于內(nèi)藏門和外掛門，塞拉門有著高開合度、開閉機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、密閉性強(qiáng)等特點(diǎn)。這也使得塞拉門成為地鐵車輛設(shè)備制造商和供應(yīng)商的良好選擇。

盡管如此，塞拉門系統(tǒng)卻受到自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，開關(guān)門動(dòng)作繁復(fù)的缺陷，所以其可靠性問(wèn)題一直飽受詬病。本文將采用故障樹分析（簡(jiǎn)稱：FTA）與危害性分析（簡(jiǎn)稱：CA）相結(jié)合的分析方法針對(duì)地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行綜合可靠性分析。

1　地鐵塞拉門系統(tǒng)故障樹分析（FTA）

1.1地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)簡(jiǎn)介

塞拉門系統(tǒng)是集驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連桿機(jī)構(gòu)、傳感器等零部件為一體的復(fù)雜機(jī)構(gòu)。并且，從可靠性框圖結(jié)構(gòu)上來(lái)看，塞拉門系統(tǒng)是一個(gè)典型的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這也是導(dǎo)致其可靠性較低的主要原因。圖1介紹了塞拉門系統(tǒng)的功能原理。

從圖1可以看出，車門執(zhí)行開關(guān)門動(dòng)作的時(shí)候，首先由司機(jī)操作并且發(fā)出指令控制門控器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以最終在承載導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的輔助作用下，電機(jī)的扭矩被轉(zhuǎn)化為左右門扇的左右平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)門動(dòng)作。司機(jī)室側(cè)門與客室車門結(jié)構(gòu)大致相同，唯一的區(qū)別是司機(jī)室側(cè)門采用的是手動(dòng)塞拉門，所以這里不再就此贅述。

1.2地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)的故障樹建立

根據(jù)車輛檢修段所反映的塞拉門系統(tǒng)故障模式和歷史記錄，將塞拉門系統(tǒng)的頂事件確定為塞拉門系統(tǒng)開關(guān)門故障，并且結(jié)合故障模式的上下級(jí)的相互關(guān)系，逐步分析出該型號(hào)塞拉門系統(tǒng)的各個(gè)底事件故障模式［2］。需要說(shuō)明的是，本文只是通過(guò)故障樹分析確定出塞拉門系統(tǒng)的各級(jí)故障模式，而對(duì)于底事件的定量分析，則在后文中的危害性分析過(guò)程中完成。根據(jù)對(duì)塞拉門故障數(shù)據(jù)和故障模式的總結(jié)和分析，得出如圖2的塞拉門系統(tǒng)開關(guān)門的故障樹圖。

圖1　某地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)功能原理圖

圖2　塞拉門系統(tǒng)開關(guān)門故障樹

從圖2可以看出，由頂事件可以分解出6個(gè)第二層事件，分別用G1至G6來(lái)表示，并且用“或門”將它們與頂事件相互連接起來(lái)。接著，由G1中間事件可以分解出A5至A7的3個(gè)底事件，并且使用“或門”將它們與G1連接起來(lái)。由此類推，既可得到由21個(gè)底事件所組成的塞拉門系統(tǒng)開關(guān)門故障樹了，在此，用A1至A21來(lái)表示著21個(gè)底事件。在圖2中所涉及到的故障編碼以及故障模式發(fā)生的概率被列在了表1中。

從表1可以看出，地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)故障主要由機(jī)械承載結(jié)構(gòu)故障、車門安裝工藝不合格、驅(qū)動(dòng)電機(jī)套件故障、鎖閉裝置故障、車門基礎(chǔ)部件故障和車門控制信號(hào)故障等6大部分所組成。在后文中將以故障樹分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)各底事件故障模式的危害性進(jìn)行分析。

2　地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)故障模式危害性分析（CA）

危害性分析理論源于故障模式影響及危害性分析（簡(jiǎn)稱：FMECA），F(xiàn)MECA是一種重要的可靠性和維修性分析方法。危害性分析是按照故障的嚴(yán)重程度并結(jié)合該故障發(fā)生概率、故障模式比率、故障影響概率、工作時(shí)間等綜合因素全面客觀評(píng)價(jià)各個(gè)故障的分析過(guò)程。通常，進(jìn)行危害性分析的方法分為定量分析法和定性分析法兩種。若產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)比較缺乏，則通常采用定性分析法來(lái)評(píng)價(jià)該故障模式；若故障數(shù)據(jù)可靠，則采用定量分析法來(lái)評(píng)價(jià)該故障模式。本文的塞拉門系統(tǒng)可靠性算例由于獲得了基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和產(chǎn)品故障報(bào)告等較為完整的綜合故障數(shù)據(jù)，故采用危害性定量分析的方法，以得到更精確的分析結(jié)果。

表1　塞拉門系統(tǒng)故障樹編碼信息

本文所采用的危害性定量分析方法主要包括危害度計(jì)算和危害度矩陣作圖兩部分。根據(jù)FMECA計(jì)算規(guī)則，將危害性定量分析過(guò)程中所需要確定的參數(shù)總結(jié)于表2中。

結(jié)合地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)的實(shí)際情況，將故障影響概率等級(jí)βj的定義列在表3中。

表3　故障影響概率等級(jí)

需要說(shuō)明的是，在使用如表2中的Cr的時(shí)候涉及到工作時(shí)間變量t。本著產(chǎn)品的導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，作如下規(guī)定：塞拉門系統(tǒng)的所有零部件一旦出現(xiàn)故障，則判定塞拉門系統(tǒng)故障，立即停止工作。通過(guò)這樣的假設(shè)可以得到一個(gè)重要信息：塞拉門系統(tǒng)的所有零部件的工作時(shí)t相同。由于時(shí)間相同，在文中未討論t的具體數(shù)值，而將這個(gè)參數(shù)直接保留在了危害度計(jì)算的結(jié)果中，如表4所示。

塞拉門系統(tǒng)開關(guān)門故障樹的底事件CA定量分析表中詳細(xì)地列出了影響塞拉門開關(guān)門故障的常見故障模式和該故障模式的故障率、重要度等信息。在獲得了幾項(xiàng)重要指標(biāo)過(guò)后，就可以對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行危害度矩陣的定量分析。根據(jù)危害性定量分析的步驟，作出塞拉門系統(tǒng)的故障模式危害度矩陣圖，如圖3所示。

表4　塞拉門系統(tǒng)C A定量分析表

圖3即為塞拉門故障危害度矩陣圖，該圖清晰的表示了各個(gè)底事件故障的危害性關(guān)系。危害度矩陣圖的作圖過(guò)程可概括為：依據(jù)危害度及嚴(yán)重度等級(jí)確定出故障模式在危害度矩陣圖中的位置，并用故障模式代號(hào)標(biāo)注位置點(diǎn)，最后將故障模式所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)向?qū)蔷€做垂線，得到垂線與對(duì)角線的交點(diǎn)。由危害度矩陣圖的原理可知，0到各個(gè)交點(diǎn)的距離長(zhǎng)短表示了該故障模式的危害性的大小。因此，按照塞拉門危害度矩陣圖的結(jié)果，可以得到各故障模式危害性大小排序，用故障模式代號(hào)可表示為：1103＞1207＞1205＞1309＞1412＞1618＞1308＞1619＞1621＞1620＞1617＞1102＞1413＞1104＞1414＞1411＞1310＞1206＞1101＞1515＞1516

3　結(jié) 論

由以上基于FTA與CA的可靠性分析，可以得出幾個(gè)地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)的重要結(jié)論：

（1）在塞拉門開關(guān)門故障中，根據(jù)這些故障的發(fā)生概率，結(jié)合它們的危害性定量分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在塞拉門故障中危害性最嚴(yán)重的是：平衡壓輪與門扇凹槽干涉、上滑道類故障和驅(qū)動(dòng)電機(jī)類故障。而且這些故障模式的危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他故障模式的危害性。

圖3　塞拉門系統(tǒng)故障模式危害度矩陣圖

（2）繼危害性最高的3種故障模式之后，可以根據(jù)后面的危害性排序得知，在塞拉門系統(tǒng)中車門控制系統(tǒng)故障的危害性也較高。具體到零部件上即為：EDCU類故障。

（3）在整個(gè)塞拉門故障分析中，危害度較低的故障類型有滑道及導(dǎo)軌類變形故障、門框條松動(dòng)和上下滑道內(nèi)有異物故障。由于，上述幾類故障模式的危害性較低，所以在故障處理時(shí)可以放在靠后的位置。

圖4　塞拉門零部件建議檢修順序

根據(jù)這種方法，將建議的塞拉門重要部件建議檢修重點(diǎn)進(jìn)行歸納和整理，結(jié)果如圖4所示。使用故障樹分析和危害性分析相結(jié)合的方法，以現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)某地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例分析，得出了如圖4的塞拉門系統(tǒng)零部件檢修和維護(hù)順序。為了提高地鐵車輛塞拉門系統(tǒng)在運(yùn)用過(guò)程中的可靠性，地鐵運(yùn)營(yíng)公司需要加強(qiáng)對(duì)文中所提到的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

［1］ 鄢桂珍，宋正飛.鐵路客車用自動(dòng)塞拉門［J］.鐵道車輛，2000，（3）：34-36.

［2］ 夏 軍，郭 翔，邢宗義.地鐵車門系統(tǒng)故障模式可靠性分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014，（3）：49-52.

［3］ 胡今強(qiáng)，梁 洪.廣州地鐵車門故障分析及改進(jìn)［J］.鐵道車輛，2000，（9）：38-39.

［4］ 劉 萍，程曉卿，秦 勇，張媛，邢宗義.基于模糊故障樹的塞拉門系統(tǒng)可靠性分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，（S1）：310-314.

［5］ 梁先登，劉英舜，毛一軒.地鐵設(shè)備維修策略優(yōu)選方法及實(shí)證［J］.城市軌道交通研究，2010，（5）：64-68.

［6］ 王冬雷.廣州地鐵4號(hào)線車輛塞拉門系統(tǒng)的特點(diǎn)及常見故障分析［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2006，（6）：44-46.

Reliability Analysis of the Subway Vehicle Sliding Plug Door Based on the FTA and CA

GONG Xinghua1，ZHANG Yiqian2，ZHANG Shaodong3，WANG Boming3
1 CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031 Jiangsu，China；2 CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China；3 School of Mechanical Engineering of South west Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This essay is derived from the structural characteristics and the common failure modes of the sliding plug door of the subway vehicle. A fresh method for reliability analysis，which is based on＂FTA--CA＂calculation is proposed.Besides，according to the features of a certain subway vehicle，a reliability analysis outcome along with the matrix figure of CA which indicates the most crucial failure modes of sliding plug door will be obtained.The conclusion of this analysis is able to provide reference to the maintenance of the subway vehicle sliding plug door.

sub way vehicle sliding plug door；reliability；fault tree analysis；criticality analysis

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.18

1008-7842（2015）04-0079-05

1—）男，工程師（

2015-03-30）