地鐵防淹門可靠性分析

聶松

（合肥城市軌道交通有限公司，安徽 合肥 230001）

地鐵防淹門是一個(gè)處于常備待機(jī)狀態(tài)的防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)，在意外災(zāi)難即將發(fā)生時(shí)，通過系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)來消除或降低災(zāi)難后果。顯然，防淹門與一般機(jī)電系統(tǒng)有著明顯區(qū)別，它的機(jī)電運(yùn)行系統(tǒng)平時(shí)處于待發(fā)狀態(tài)，整個(gè)防淹門系統(tǒng)的可靠性僅體現(xiàn)在信號(hào)與控制子系統(tǒng)的反應(yīng)可靠性，在災(zāi)難出現(xiàn)的時(shí)刻才與機(jī)械系統(tǒng)的可靠性聯(lián)動(dòng)。另外，防淹門又是一種安全保障措施，對(duì)運(yùn)行中的地鐵進(jìn)行防淹門全系統(tǒng)檢測必須停止地鐵運(yùn)行，成本較高，也不易進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。鑒于此，防淹門系統(tǒng)的可靠性分析就具有相當(dāng)重要的實(shí)用意義，其結(jié)果可以作為系統(tǒng)維保間隔的主要依據(jù)。

1 系統(tǒng)的定義和工作條件

部分城市地鐵防淹門采用升降式閘門。從功能上看，整個(gè)防淹門系統(tǒng)主要由機(jī)電系統(tǒng)和監(jiān)控信號(hào)系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)電部分由閘門門葉、門槽（滑軌）、啟閉裝置和鎖定裝置等組成，是一個(gè)機(jī)電一體化子系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)由液位傳感器、現(xiàn)場控制裝置（PLC）、控制箱、報(bào)警裝置和電纜等組成，是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳送、計(jì)算與判別、自動(dòng)決策子系統(tǒng)。信號(hào)系統(tǒng)與防淹門機(jī)電系統(tǒng)間主要交換3個(gè)信息，分別為防淹門狀態(tài)檢測信息（FDG Status）、防淹門請(qǐng)求關(guān)閉信息（FDGCR）以及防淹門關(guān)門允許信息（FDGCA）。

防淹門機(jī)電系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都是一個(gè)處于待發(fā)狀態(tài)的靜止裝置，除可能發(fā)生銹蝕、機(jī)電設(shè)備老化、潤滑失效等常規(guī)機(jī)電故障外，不存在摩擦、疲勞損傷、飄移等不確定因素，雖然門葉和門槽導(dǎo)軌之間理論上也存在卡阻可能，但是，與巨大的門體重力相比較，卡阻造成失效的可能性是極小概率事件，只有電機(jī)啟動(dòng)、鎖定裝置的開閉可靠性是該部分的重點(diǎn)分析因素。監(jiān)控信號(hào)系統(tǒng)包含的模塊眾多，從管理權(quán)上可分為中央級(jí)（控制中心 ）、車站級(jí)（車站控制室）和就地級(jí)（防淹門控制室），從不同的管理層面對(duì)門體狀態(tài)及水位報(bào)警進(jìn)行監(jiān)視與控制。區(qū)間水位按四級(jí)監(jiān)視—兩級(jí)報(bào)警設(shè)置，在監(jiān)控區(qū)間水位最低里程處，鋼軌底面以下100mm處設(shè)為一級(jí)水位預(yù)報(bào)警，此水位將危及地鐵信號(hào)系統(tǒng)正常工作；鋼軌頂面60mm處為四級(jí)報(bào)警，即危險(xiǎn)水位，此水位將危及機(jī)車的正常工作；根據(jù)系統(tǒng)需要，一級(jí)水位與四級(jí)水位之間設(shè)置二級(jí)、三級(jí)水位，作為水位上漲速度檢測區(qū)，水位上漲速度達(dá)到50mm/min（暫定，系統(tǒng)可調(diào)）作為危險(xiǎn)水位報(bào)警信號(hào)。水位預(yù)報(bào)警信號(hào)和危險(xiǎn)水位報(bào)警信號(hào)均由防淹門系統(tǒng)主控制裝置上傳至車站級(jí)主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)終端顯示狀態(tài)信號(hào)并報(bào)警，防淹門狀態(tài)信息和區(qū)間水位信息由主控系統(tǒng)上傳至控制中心，實(shí)現(xiàn)中央級(jí)的監(jiān)視功能。

2 可靠性框圖

防淹門可靠性框圖是基于防淹門系統(tǒng)及其外圍各部件關(guān)系及其連接方式的靜態(tài)抽象模型，這里假設(shè)系統(tǒng)各部件的失效行為及其可修行為相互獨(dú)立，不考慮系統(tǒng)中不同單元和部件之間的相互關(guān)系及系統(tǒng)的狀態(tài)變化的動(dòng)態(tài)特性。這樣的設(shè)定，防淹門系統(tǒng)可靠性框圖即成為無冗余串聯(lián)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1

其可靠性計(jì)算如下：

這里，λpi為防淹門系統(tǒng)中各個(gè)功能置換單元的失效率，10-6/h；λp為防淹門系統(tǒng)總的失效率；n為功能置換單元的個(gè)數(shù)。

3 單元可靠性預(yù)設(shè)

（1）地鐵采用雙備供電模式，可以認(rèn)為其電源可靠度為1；門體與導(dǎo)軌均為經(jīng)過強(qiáng)度剛度驗(yàn)算的鋼制構(gòu)件，平時(shí)處于無荷載靜止?fàn)顟B(tài)，不存在磨損及疲勞損傷等因素，其承載與變形可靠度也可設(shè)定為1；防淹門監(jiān)控信號(hào)與車站控制室、中央控制室計(jì)算機(jī)的聯(lián)鎖軟件，是地鐵運(yùn)行的核心軟件，除嚴(yán)格遵守軟件開發(fā)規(guī)程與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，在上線前經(jīng)歷了無數(shù)次測試和檢驗(yàn)，可以認(rèn)為其可靠度為1。

（2）鎖定單元可靠性計(jì)算。防淹門鎖定裝置由啟動(dòng)電機(jī)、鎖具機(jī)械裝置組成，其工作失效率模型：

λ1=λE1+λM1

λE1為啟動(dòng)電機(jī)失效率，其模型為λE1=λb11πM11πE11πQ11πP11πC11

λM1為鎖具機(jī)械裝置失效率，其模型為λM1=λb12πM12πE12πQ12πP12πC12

其中，基本失效率 λb11=0．0901，λb12= 0．0943；環(huán)境系數(shù)πM11=14，πM12=14；質(zhì)量系數(shù)πQ11=1，πQ12=1；電機(jī)系數(shù)（鎖定電機(jī)2臺(tái)）πE11=1．5，鎖具系數(shù)（鎖具兩套）πE12=1．55；通電系數(shù)πP11=1，πP12=1；電機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)πC11=1，鎖具的結(jié)構(gòu)系數(shù)πC12=1。

防淹門所處地下原因，環(huán)境悉數(shù)取值較高。

電機(jī)的失效率：

λE1=0．091×14×1．5×1×1×1=1．911

鎖具機(jī)械裝置的失效率：

λM1=0．0943×14×1．55×1×1×1=2．046

整個(gè)鎖定裝置的失效率λ1=λE1+λM1=1．911＋2．046=3．957。

（3）門體啟動(dòng)可靠性計(jì)算。門體啟動(dòng)單元由電機(jī)與卷揚(yáng)機(jī)組成。

λ2=λE2+λM2

λE2為 電 機(jī) 失 效 率， 模 型 為 λE2=λb21πM21πE21πQ21πP21πC21

λM2為 卷 揚(yáng) 機(jī) 失 效 率， 模 型 為λM2=λb22πM22πE22πQ22πC22

其中，基本失效率 λb21=0．0943，λb22=0．0901；環(huán)境系數(shù)πM21=14，πM22=14；質(zhì)量系數(shù)πQ21=1，πQ22=1；電機(jī)系數(shù)πE21=1．11，鎖具系數(shù)（鎖具4套）πE22=1．251；通電系數(shù)πP21=1；電機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)πC21=1，鎖具結(jié)構(gòu)系數(shù)πC22=1。

山水畫的出現(xiàn)比人物畫的形成和成熟要晚一些，這主要是由社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)所決定的。自漢武帝罷黜百家，獨(dú)尊儒術(shù)之后，儒家思想在當(dāng)時(shí)的思想界占據(jù)了支配地位，魏晉之前的繪畫就是受儒家思想的影響，擔(dān)負(fù)起“成教化，助人倫”的作用。大量的繪畫，或表彰功臣孝子和明君賢后，因此社會(huì)需要的是人物畫。山水畫在誡世育人，傳播儒家思想方面的效果肯定不如人物畫。

電機(jī)的失效率：

λE2= 0．0943×14×1．11×1×1×1=1．465。

卷揚(yáng)機(jī)的失效率 λM2=0．0901×14×1．251×1×1=1．578。

門體啟動(dòng)單元的失效率 λ2=1．400+1．650=3．043。

（4）信號(hào)單元可靠性計(jì)算。

①水位計(jì)失效率模型

其中，λb31為基本失效率λb31=0．0902；環(huán)境系數(shù)πM31=16；質(zhì)量系數(shù)πQ31=1；水位計(jì)系數(shù)（2臺(tái)）πE31=1．5；通電系數(shù)πP31=1；水位計(jì)結(jié)構(gòu)系數(shù)πC31=1。

λ31=0．0901×16×1．5×1×1×1=2．162

②門體狀態(tài)傳感器失效率模型

λ32=λb32πM32πE32πQ32πP32πC32

其 中，λb32為基本失 效 率 λb32=0．0902； 環(huán) 境系數(shù)πM32=11；質(zhì)量系數(shù)πQ32=1；水位計(jì)系數(shù)（2臺(tái)）πE32=1．5；通電系數(shù)πP32=1；傳感器結(jié)構(gòu)系數(shù)πC32=1。

λ32=0．0902×11×1．5×1×1×1=1．488

信號(hào)單元的失效率λ3=λ31+λ32=3．650。

（5）連接導(dǎo)線可靠性計(jì)算。單路連接導(dǎo)線的失效率為0．1，本測量線路中共有9路連接導(dǎo)線，所以：λ4=9×0．1=0．9。

（6）信號(hào)處理模塊可靠性計(jì)算。（位于防淹門控制室的控制箱內(nèi)）。芯片的工作失效率模型為：

λ5=πQ5[C1πT5πV5＋ (C2＋ C3)πE5]πL5

其中，質(zhì)量系數(shù)πQ5=1；溫度系數(shù)πT5=4．83；電壓應(yīng)力系數(shù)πV5=1；環(huán)境系數(shù)πE5=32；結(jié)構(gòu)成熟系 數(shù) πL5=1；C1=1．765；C2=0．132； 封 裝 系 數(shù) C3=0．1194。

λ5=1×[1．76×4．83×1 ＋ (0．132 ＋ 0．1194)×32]×1=16．5456。

4 防淹門系統(tǒng)基本可靠度計(jì)算

防淹門系統(tǒng)總體的失效率為：

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5=28．1026。

其平均無故障工作時(shí)間為：MTFF=1/λ=1/（28．1026×10-6）≈ 35584 h

可知，其維保間隔約為35584小時(shí)。

4年為一個(gè)維保周期。

5 結(jié)語

本文所使用的可靠性框圖分析法，限于失效率計(jì)算時(shí)參數(shù)選定的取值有一個(gè)范圍，不同的計(jì)算者結(jié)果會(huì)有一定差距，假若恰逢參數(shù)誤差同向累計(jì)，最終的結(jié)果可能相差較大。比較馬爾科夫模型的分析過程，精度也較低，地鐵防淹門系統(tǒng)為防備計(jì)算MTFF大于實(shí)際，可在車站控制室內(nèi)附加了系統(tǒng)靈敏度檢測電路，值班人員可定期對(duì)傳感器靈敏度、門體啟動(dòng)機(jī)構(gòu)靈敏度進(jìn)行檢測，對(duì)自我診斷已檢測到的失效單元，及時(shí)予以修復(fù)，以防止系統(tǒng)失效而未報(bào)警。

[1]包薇．可靠性分析技術(shù)-可靠性框圖（RBD）[J]．家用電器科技，2002，（4）：19-23．

[2]GB/T 29307-2012, 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法[S]．2013，6（01）．

[3]可靠性設(shè)計(jì)大全[M]．北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．