受電弓故障模式分析與維護策略

王煒俊，洪 躍

受電弓故障模式分析與維護策略

王煒俊，洪 躍

受電弓作為城市軌道交通車輛的一個重要組成部件，是車輛供電系統(tǒng)的源頭和重要環(huán)節(jié)，它從架空接觸網上獲取電能，并傳遞給車輛牽引逆變器和輔助逆變器，它的性能直接影響列車運行的可靠性。文章基于可靠性理論，對某型號受電弓進行FEMCA分析，并針對危害度最大的故障模式，提出改進措施，為今后制定維修策略提供依據(jù)。

受電弓；故障模式；維護策略

一、概 述

近年來，由于受電弓故障導致地鐵車輛大面積延誤的事件時有發(fā)生，可見受電弓在城市軌道交通車輛中扮演著十分重要的角色，它發(fā)生的故障可能會嚴重威脅車輛的運行可靠性［1］。因而十分有必要通過FMECA［2-3］分析方法，對受電弓故障進行詳細分析，判斷其獲取主要故障模式，分析各故障部件危害度及成因，為今后維修策略的制定提供建議。

受電弓主要由底架、下部框架、上部框架、弓頭、升弓裝置、落弓氣缸、休息位置傳感器組成。圖1為受電弓結構圖。

圖1 受電弓結構圖

本文選取受電弓主要部件，結合近五年故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，運用故障模式影響及危害性分析的分析方法，研究故障危害性矩陣圖，找出各種對受電弓危害嚴重的單點故障，制定維修策略。

二、故障模式影響及危害度分析的基本原理

FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Anal ysis）是故障模式、影響及危害性分析的簡稱，它由三個方面的內容組成：故障模式分析FMA、故障影響分析FEA和危害性分析CA。故障模式分析FMA和故障影響分析FEA構成了故障模式及影響分析FMEA，F(xiàn)MECA是在FMEA的基礎上，結合CA，深入分析危害性影響的發(fā)生概率和等級。通過逐一分析各子系統(tǒng)和元件不同故障對系統(tǒng)工作的影響，F(xiàn)MECA可以全面識別薄弱環(huán)節(jié)和關鍵項目，為評價和改進系統(tǒng)設計的可靠性提供基本信息。故障模式分析FMA是羅列元件、子系統(tǒng)出現(xiàn)的故障狀態(tài)或故障表現(xiàn)形式。

故障影響分析FEA是定義元件或子系統(tǒng)故障對產品造成的影響，也就是要根據(jù)部件故障的嚴重程度劃分為不同的等級，不同的故障模式所造成的影響是不同的，因而對系統(tǒng)造成的最終影響也要差別的對待。

危害性分析CA由故障影響的嚴重性和發(fā)生的概率共同確定，一般分為定性分析法和定量分析法兩種。由于具備具體的產品故障數(shù)據(jù)，故本文采用定量分析法來計算故障危 害度。定量分析法是根據(jù)工作時間 t、 故障率、故障模式比率、故障影響概率來計算產品的危害度Cr。

工作時間通常以工作小時或循環(huán)次數(shù)或運行公里數(shù)表示之。本文是以工作小時進行計算，單位為h。本文選取的統(tǒng)計樣本為統(tǒng)計某地鐵在2010～2014年這5年間受電弓運行的總時間，每天按運行20個小時來計算

故障模式影響概率β是指產品在某種故障模式條件下，喪失產品功能的條件概率。β值的確定是代表分析人員對產品故障模式、原因和影響等掌握的程度。通常β值的確定是按經驗進行定量估計。有兩種β值可供選擇，見表1：

表1 故障影響概率β的推薦值

故障模式的危害度［4］Cmj 是產品危害度的一部分。產品在工作時間t 內，以第j 個故障模式發(fā)生的某嚴酷度等級下的危害度Cmj。

三、受電弓實例分析

根據(jù)上述介紹的故障模式分析方法FMA對受電弓進行故障模式分析，考慮到篇幅原因，選擇了發(fā)生故障數(shù)較高的幾種故障模式。

表2 受電弓故障模式統(tǒng)計表

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出碳滑板磨耗超標、分流導線斷股、碳滑板磨耗不均勻、休息位置指示器降弓故障或線電壓繼電器故障、絕緣軟管漏氣、對角拉桿裂紋占到了所有受電弓故障71.35%，是受電弓的主要故障，需要重點檢查。

根據(jù)故障模式分析方法FEA對受電弓進行故障影響分析，考慮到篇幅原因，選擇了發(fā)生故障數(shù)較高的幾種故障模式進行故障影響分析。

表3 受電弓故障影響分析表

在FMA和FEA分析中，雖然表1、表2根據(jù)故障模式發(fā)生次數(shù)進行排序，但是未體現(xiàn)故障模式的嚴酷度。例如有些故障可能發(fā)生頻次很低，但是結果可能是致命的，因而需要在此基礎上，結合嚴酷度進行全面地分析。故障模式對產品影響的嚴重程度稱為嚴酷度，一般分為四類：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，受電弓嚴酷度等級評判表［5］如表4所示：

根據(jù)危害度計算的介紹，結合表4，通過計算得到受電弓危害度分析表，考慮到篇幅，羅列各嚴酷度等級下危害度較高的幾項如表5所示。

通過上述故障模式危害度分析，得出了影響受電弓運行安全危害度最大的三種故障模式：18（碳棒磨耗超標）；47（分流導線斷股）；50（降弓位置故障或線電壓繼電器故障）；這三種故障嚴重威脅了受電弓的運行安全性，應該首先采取改進措施。

為了綜合考慮危害度和嚴酷度兩個因素，確定故障模式改進措施的優(yōu)先級，需要繪制危害度矩陣［6］，其中橫坐標為故障模式嚴酷度等級，縱坐標為危害度。從而得到不同故障模式在矩陣圖中的分布點，從坐標原點引出矩陣圖對角線即危害度增長性方向，過故障模式的分布點作危害性增長方向的垂線，垂線的模值越大，危害度就越大，最終得到危害度矩陣如圖2所示：

表4 受電弓嚴酷度等級評判表

表5 危害度分析表

圖2 危害度矩陣

根據(jù)危害度矩陣圖，影響受電弓安全運行的情況（依次遞減）為：41、50、42、2、4、5、1、7、18、45、48、20、15、49、26、37、23、17、8、3、9、43、14、44、6、13。其中危害度最大的故障模式（按嚴酷度分類劃分）是：Ⅱ類中的41（絕緣軟管漏氣，將導致無法正常升弓）、Ⅲ類中的18（碳棒磨耗超標，將導致弓網拉弧）。因此應該制定有針對性的維修決策來降低這些故障模式的故障率，提高受電弓可靠性。

四、受電弓維修的建議

通過對受電弓FMECA分析，得到了故障模式及危害度矩陣，就危害度矩陣圖中分析的各故障模式影響的輕重程度，對影響輕重程度排序前幾位的故障模式提出對應維修建議。由于篇幅原因，選取嚴重的幾個進行分析。

（一）故障模式代碼41（絕緣軟管漏氣將造成受電弓無法升起）維修建議：將使用過的軟管送第三方檢測評估工作狀態(tài)和密封性能，若有必要提前批量更換。

（二）故障模式代碼50（繼電器接觸不良，將造成受電弓無法升起）維修建議：評估繼電器動作次數(shù)，對已接近理論動作次數(shù)的繼電器提早進行更換；每年一次檢查繼電器觸點和線圈電阻，更換超標的繼電器。

（三）故障模式代碼42（節(jié)流閥漏氣，將造成受電弓無法升起）維修建議：將使用過的節(jié)流閥送第三方檢測評估工作狀態(tài)和密封性能。

（四）故障模式代碼18（碳棒磨耗超標，將造成弓網拉?。┚S修建議：根據(jù)萬公里磨耗厚度，估算剩余使用壽命，在磨耗超標前提前更換。

安裝在線檢測設備，列車出入庫時能實時監(jiān)測碳棒厚度，裂紋等各項指標，提前預警；每年增加一次對受電弓弓頭平衡調整的操作要求。

（五）47（分流導線斷股，將造成部件受損）維修建議：將發(fā)生斷股的分流導線送第三方評測分析原因；對分流導線材料進一步研究，是否可以通過鍍錫等方式增加使用壽命。

（六）故障模式代碼50（落弓位置故障，將引起受電弓狀態(tài)與實際不匹配）維修建議：月檢中增加對落弓位置指示器線路檢查；月檢中增加對落弓位置指示器感應距離尺寸檢查；月檢中增加清潔落弓位置指示器及高壓絕緣板。

［1］GB/T3187.可靠性維修性術語.

［2］周海京，遇今.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003.

［3］王少萍.工程可靠性［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1997.

［4］董錫明.機車車輛運用可靠性工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］石君友，紀超.擴展FMECA方法應用研究［J］.測控技術，2011，（5）.

［6］趙云生，劉鳳剛.FMECA工程技術在鐵道車輛零部件設計中的應用［J］.鐵道車輛，2009，（2）.

王煒俊，上海大學機電工程與自動化學院，申通龐巴迪（上海）軌道交通維修有限公司，上海，201615；洪躍，申通龐巴迪（上海）軌道交通維修有限公司，上海，201615

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1007-7723（2015）05-0027-0004