基于故障模式、影響及危害度分析（FMECA）的地鐵車輛檢修工藝優(yōu)化方法

張成光 郭振通 黃 挺

基于故障模式、影響及危害度分析（FMECA）的地鐵車輛檢修工藝優(yōu)化方法

張成光 郭振通 黃 挺

（南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司城軌事業(yè)部，210031，南京//第一作者，工程師）

提出了一種地鐵車輛檢修工藝優(yōu)化方法。該方法采用FMECA（故障模式、影響及危害度分析），對地鐵車輛運(yùn)營過程中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對當(dāng)前的地鐵車輛檢修工藝進(jìn)行優(yōu)化，以提高檢修作業(yè)的合理性和效率。以地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)為例，說明了該優(yōu)化方法在地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)上的實施流程；結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定建立了定量化的地鐵車輛設(shè)備危害性風(fēng)險評價矩陣，用以確定故障模式的可接受程度；通過建立可接受程度與該檢修項點(diǎn)檢修等級的對應(yīng)關(guān)系，最終得到檢修工藝的優(yōu)化方案。

地鐵車輛；檢修工藝優(yōu)化；故障模式、影響及危害度分析；危害性風(fēng)險評價矩陣

目前，我國地鐵車輛的檢修體制主要以計劃預(yù)防性檢修為主。地鐵車輛計劃預(yù)防性檢修的項目眾多，檢修工作量大，檢修周期較短，若檢修計劃不合理，將可能導(dǎo)致過度維修的情況，降低設(shè)備可靠性，同時還會產(chǎn)生很高的檢修成本。因此，對現(xiàn)有的地鐵車輛檢修體制進(jìn)行優(yōu)化十分必要。本文基于FMECA（故障模式、影響及危害度分析），結(jié)合地鐵車輛運(yùn)營過程中的故障數(shù)據(jù)，對車輛關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行分析，并利用危害性風(fēng)險分析矩陣判定故障模式可容許程度，進(jìn)而調(diào)整檢修項點(diǎn)及其檢修級別，優(yōu)化檢修工藝，最終達(dá)到提高檢修工藝的合理性和效率的目的。

以地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)為例，優(yōu)化檢修工藝的具體流程為：

（1）對車輛高壓供電系統(tǒng)進(jìn)行FMEA定性分析，并根據(jù)分析結(jié)果對現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計；

（2）進(jìn)行CA定量計算；

（3）根據(jù)GB/T 21562《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》對風(fēng)險分析矩陣的規(guī)定，建立地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)危害性風(fēng)險評價矩陣；

（4）根據(jù)CA計算結(jié)果和危害性分析矩陣優(yōu)化檢修工藝。

1 故障模式、影響分析（FMEA）

本文對國內(nèi)某地鐵公司車輛高壓供電系統(tǒng)進(jìn)行了FMEA，并依據(jù)故障模式對2012年運(yùn)營過程中列車高壓供電系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類統(tǒng)計，如表1所示。

從表1可見，高壓供電系統(tǒng)故障以受電弓的故障為主，故障模式主要有碳滑板磨耗到限（40.68%）、碳滑板有裂紋（10.12%）、氣囊與風(fēng)管卡簧接磨（10.12%）、受電弓母線熔斷器箱防爆膜破損（6.78%）、碳滑板偏磨（5.08%）、碳滑板電腐蝕嚴(yán)重（5.08%）等，其中受電弓的碳滑板故障發(fā)生頻率最高。

表1 高壓供電系統(tǒng)FMEA

現(xiàn)場調(diào)研也證實，該地鐵線自開通運(yùn)營以來受電弓碳滑板故障最為頻繁，因碳滑板更換周期較短，導(dǎo)致檢修工作量及維修費(fèi)用較高。碳滑板磨損嚴(yán)重會影響受電弓的受流性能，因此碳滑板的檢修工作極為關(guān)鍵，其檢修工藝是優(yōu)化的重點(diǎn)。此外，升弓氣囊與風(fēng)管卡簧之間的接觸磨損現(xiàn)象也較常見，此故障模式可能會造成升弓氣囊磨損，若氣囊磨損嚴(yán)重發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象，將對受電弓的正常升弓產(chǎn)生影響。

由表1可確定列車高壓供電系統(tǒng)的主要故障模式，進(jìn)而為明確列車高壓供電系統(tǒng)的關(guān)鍵檢修部件和檢修項點(diǎn)提供可靠依據(jù)。

2 危害度分析（CA）

2.1 定性分析

定性分析主要是根據(jù)故障模式對列車運(yùn)營或系統(tǒng)部件的危害影響程度定義故障模式的嚴(yán)酷度級別。依照我國相關(guān)的事故分級標(biāo)準(zhǔn)，一般可將事故分為4個級別。由于城市軌道交通系統(tǒng)對運(yùn)營的可靠性、安全性以及準(zhǔn)點(diǎn)率要求較高，故定義地鐵車輛事故等級如表2所示［2］。

對地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)的各個故障模式進(jìn)行分析，綜合考慮故障造成的影響、系統(tǒng)零部件損壞程度以及有沒有清客現(xiàn)象等因素，根據(jù)表2對高壓供電系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行故障嚴(yán)重等級劃分，結(jié)果如表3所示。

通過表3即可界定故障模式對列車安全、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)營的危害性，并大致確定其對檢修工作的要求程度，從而更好地確定相關(guān)部件的檢修級別。

2.2 定量計算

CA定量計算方法參見文獻(xiàn)［3］，本文不再贅述。在對地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)進(jìn)行FMEA后，可確定各故障模式危害度計算所需的各因數(shù)取值。高壓供電系統(tǒng)CA表（部分）如表4所示。

從表4可以看出，高壓供電系統(tǒng)各故障模式中對行車安全威脅最大的是受電弓碳滑板的磨耗到限?，F(xiàn)場中受電弓也確實是地鐵車輛段檢修的重點(diǎn)零部件。在日常檢查的車頂作業(yè)項目中，會專門檢查碳滑板的磨耗，并對厚度進(jìn)行測量，作詳細(xì)記錄。這樣的檢修計劃安排與FMECA結(jié)果的要求是一致的。另外，對照該地鐵車輛的檢修計劃發(fā)現(xiàn)絕緣子、受流線這些項點(diǎn)的檢修頻率是很高的，但這些零部件的故障發(fā)生頻率及危害度卻不高，說明對現(xiàn)行的檢修計劃進(jìn)行優(yōu)化是可行的也是必要的，可將調(diào)整檢修項點(diǎn)和調(diào)整檢修周期作為優(yōu)化檢修計劃的具體手段。

表2 地鐵車輛事故等級劃分

表3 高壓供電系統(tǒng)（庫內(nèi)檢修）故障等級劃分

表4 高壓供電系統(tǒng)CA

3 危害性風(fēng)險評價矩陣與檢修工藝優(yōu)化

在故障模式危害度判定矩陣中，故障模式危害性由嚴(yán)酷度等級以及危害度共同決定［4］。為利用故障模式的嚴(yán)酷度和危害度定義故障模式對應(yīng)的檢修項點(diǎn)和檢修修程，可根據(jù)危害性判定矩陣的分析思想并參考GB/T 21562《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》［1］中給出的軌道交通設(shè)備風(fēng)險評估和用于風(fēng)險驗收的風(fēng)險降低/控制矩陣，建立用于指導(dǎo)地鐵車輛檢修工藝優(yōu)化的危害性風(fēng)險評價矩陣。為此，需要確定該矩陣的定量指標(biāo)。

EN 50126（歐洲鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)）中定量地規(guī)定了軌道交通車輛設(shè)備故障頻率的等級［5］，如表5所示。本文所分析的僅為地鐵開通運(yùn)營一年內(nèi)的故障數(shù)據(jù)，所以本文對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率等級劃分只在A～E等級之間。

表5 故障頻率等級

FMECA中故障模式危害度計算式為：

式中：

αj——故障模式相對頻率，αj=mj/Σnj=1mj，其中mj表示該故障發(fā)生的次數(shù)；

βj——故障后果概率；

λp——故障率。

λpt為系統(tǒng)的基本故障率λˉ=Ni/Σt（其中Ni表示大時間段內(nèi)發(fā)生的故障數(shù)），所以系統(tǒng)故障模式危害度可變換為：

即某一故障模式的危害度為該故障模式故障率與故障后果概率的乘積。故障后果概率βj根據(jù)經(jīng)驗定量評估得到，其值介于0～1之間。本文假定系統(tǒng)各故障模式βj的典型取值情況，結(jié)合表5對危害度等級進(jìn)行了定量化劃分，如表6所示。其中，計算周期Σt=100 000 km。

由表6可明確地鐵車輛設(shè)備在一、二級修中所發(fā)生故障的危害度范圍。根據(jù)表6中典型的危害度等級劃分范圍，可建立地鐵車輛低級修故障危害度風(fēng)險評價矩陣，如表7所示。根據(jù)故障模式所處的風(fēng)險等級區(qū)域，即可明確危害性矩陣中各故障模式的被接受程度，用以調(diào)整檢修工藝中與此故障模式相關(guān)的檢修項點(diǎn)和檢修級別。

本文故障數(shù)據(jù)均由年檢及年檢之前修程的記錄中統(tǒng)計得來，涉及到的地鐵車輛修程［6-7］主要有日檢、周檢、月檢、年檢。表7中將故障事件的容許區(qū)域劃分為不容許、不希望、容許、可忽略。依據(jù)危害度等級越高、檢修工作越需謹(jǐn)慎的思想，將危害性風(fēng)險評價矩陣中劃分的故障區(qū)域與修程對應(yīng)起來，如表8所示。

根據(jù)實際經(jīng)驗，地鐵車輛檢修過程中，有些檢修項點(diǎn)并不適合放在上述的修程內(nèi)，對應(yīng)加以區(qū)別，進(jìn)行專項檢修。

表6 定量評估危害度等級

表7 地鐵車輛低級修故障危害度風(fēng)險評價矩陣

表8 故障危害性等級與修程之間的對應(yīng)關(guān)系

4 優(yōu)化方法的應(yīng)用

本方法應(yīng)用到地鐵車輛各個設(shè)備的過程如下：

（1）FMEA：運(yùn)用FMEA方法對地鐵車輛的某一個設(shè)備進(jìn)行分析，分析該設(shè)備發(fā)生失效或故障的故障模式及其對整個設(shè)備的影響；

（2）統(tǒng)計故障次數(shù)：統(tǒng)計實際運(yùn)營中該設(shè)備各故障模式發(fā)生的頻次，并以此計算各故障模式的比例；

（3）劃分嚴(yán)酷度等級：根據(jù)表2定性判斷各故障模式對應(yīng)的嚴(yán)酷度等級；

（4）劃分危害度等級：根據(jù)式（1）計算出各故障模式的危害度，并根據(jù)表6對各故障模式的危害度等級進(jìn)行劃分；

（5）確定故障模式的風(fēng)險：按照表7確定故障模式的風(fēng)險等級；

（6）優(yōu)化檢修方式：將每一個故障模式轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的檢修項點(diǎn)，根據(jù)表8中關(guān)于風(fēng)險與修程的關(guān)系，優(yōu)化各檢修項點(diǎn)的修程。

5 結(jié)語

本文基于FMECA，結(jié)合地鐵車輛運(yùn)營過程中的故障數(shù)據(jù)，對車輛關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行分析，并以國內(nèi)某地鐵車輛高壓供電系統(tǒng)為例進(jìn)行計算分析，提出了對現(xiàn)行的地鐵車輛檢修計劃進(jìn)行優(yōu)化的方法。該優(yōu)化方法用于地鐵車輛檢修計劃，為檢修項點(diǎn)及其修程調(diào)整提供了依據(jù)，檢修計劃實施后可在一定程度上減少地鐵車輛的檢修工作總量，提高檢修效率。需要說明的是，本檢修計劃優(yōu)化方案是否能在保證地鐵車輛檢修質(zhì)量的前提下有效地改善設(shè)備維修狀況，還需要經(jīng)過現(xiàn)場實踐的檢驗。

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例：GB/T 21562—2008［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2008.

［2］ 嚴(yán)峻.FMECA方法在軌道交通車輛制動系統(tǒng)故障維修中的應(yīng)用［J］.地下工程與隧道，2011（2）：34-37.

［3］ 董錫明.高速列車維修及其保障技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］ 王紹印.故障模式和影響分析（FMECA）［M］.廣州：中山大學(xué)出版社，2003.

［5］ 歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會.鐵路應(yīng)用.可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性的規(guī)范和演示.第2部分：安全用EN 50126-1標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用指南：BSPD CLC/TR 50126-2-2007［S］.布魯塞爾：歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會，2007.

［6］ 溫清.關(guān)于地鐵車輛檢修制度［J］.城市軌道交通研究，2004（4）：58-60.

［7］ 陸萬忠.城市軌道交通車輛檢修制度研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2007.

On the Optimization of Maintenance Process of Metro Vehicles Based on FMECA

ZHANG Chengguang，GUO Zhentong，HUANG Ting

In this paper，a method of maintenance process optimization for metro vehicle is presented，which aims at the improvement of rational and efficient vehicle maintenance work for metro vehicles by using FMECA method，and analyzes the fault data derived from the operation of metro vehicles.Taking the application of high voltage supply system as the example，the implementation procedure of the optimized method is illustrated.And on the basis of some relevant standards，a quantitative hazard risk evaluation matrix for metro vehicle maintenance is established to make assessment on the acceptability of the fault mode.By setting up the relationship between the acceptability of the fault mode，the final optimization scheme is made.

metro vehicle;optimization of maintenance process； fault pattern； FMECA （failure mode effects and criticality analysis）； hazard risk evaluation matrix

U279.4：U266.2

10.16037/j.1007-869x.2017.10.016

Author′s address Mass Divisional Dept of Nanjing CRRC Puzhen Rail Transport Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

2016-01-28）