基于可靠性框圖的軌道客車司機操作臺可靠性分析

張邦成， 隋元昆， 步倩影， 邵昱博，劉丹陽， 李 波， 夏 雨

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012；2.長春工業(yè)大學(xué) 汽車工程研究院， 吉林 長春 130012；3.長春市軌道交通集團有限公司, 吉林 長春 130012；4.研奧電氣股份有限公司, 吉林 長春 130012)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，軌道客車由于用地省、運能大、節(jié)能環(huán)保、運行時間穩(wěn)定等優(yōu)勢，社會地位不斷提高，逐漸成為城市公共交通系統(tǒng)的主流[1]。司機操作臺是軌道客車的控制中心，控制整車的運行狀態(tài),其可靠性直接影響機車行駛安全性，一旦發(fā)生故障，輕則延誤車次，重則導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，威脅乘客的人身安全。因此，對軌道客車司機操作臺的可靠性進行分析具有重要意義。

目前，在司機操作臺可靠性研究領(lǐng)域大多為對其某一部分系統(tǒng)分析，如顯示屏故障原因研究[2]、司機控制器維護方案分析[3-4]、繼電器故障研究[5]等。對司機操作臺進行整體的可靠性分析有利于司機操作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計及維修，有利于指導(dǎo)工作人員進行技術(shù)改進。

另一方面，現(xiàn)有司機操作臺研究成果多為通過定性分析方法得到，而定量分析可以讓定性更為精確。在考慮整體可靠性的同時加入定量分析方法，會使得研究結(jié)論更加真實可信[6]。為此，文中主要對司機操作臺整體可靠性進行定性分析及定量研究。

目前，國內(nèi)外關(guān)于司機操作臺可靠性研究的成果較少，但已經(jīng)有眾多學(xué)者對可靠性問題進行了深層次研究。文獻[7]采用有向圖方法分析了系統(tǒng)可靠性的增長模型；文獻[8-9]基于最小路集法研究了復(fù)雜設(shè)備的可靠性分析方式；文獻[10]基于分級組合可靠性建模方式分析了設(shè)備動態(tài)及靜態(tài)特性。現(xiàn)有研究中多為通過經(jīng)驗知識獲取可靠性計算參數(shù)，缺乏確信來源，而可靠性框圖分析方法具有較強的實用性[11-12]，其計算過程可根據(jù)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》獲得[13]，因此分析結(jié)果更加可靠。故文中基于可靠性框圖技術(shù)對司機操作臺進行可靠性分析。

1 可靠性框圖

可靠性框圖是一種靜態(tài)的抽象模型，需先假設(shè)研究對象內(nèi)部原件相互獨立，故障互不干涉，是可靠性研究的重要方法[14]，常見的可靠性框圖分為串聯(lián)及并聯(lián)兩種邏輯系統(tǒng)。

1)若某一個單元的失效率是λi，則串聯(lián)系統(tǒng)的總體可靠性失效率為:

(1)

系統(tǒng)的平均無故障工作時間為:

(2)

若某一個單元的可靠度是Ri，那么系統(tǒng)的總體可靠性為:

(3)

2)若每單元的失效率為λ，則并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性總體失效率為:

(4)

若某一個單元的可靠度是Ri，那么設(shè)備總體可靠性為:

(5)

2 司機操作臺可靠性框圖模型

2.1 軌道客車司機操作臺

軌道客車司機操作臺主要組成部件有司機控制器、按鈕板和儀器儀表等。司機操作臺外觀形式多種多樣，但其主要部件、線束布局、操作功能基本一致。因此,文中以國內(nèi)某型號地鐵司機操作臺為例進行可靠性研究，國內(nèi)某型號地鐵司機操作臺如圖1所示。

圖1 國內(nèi)某型號地鐵司機操作臺

2.2 司機操作臺可靠性框圖

司機操作臺內(nèi)集成了大量的元器件，且線束連接復(fù)雜，為了更加清楚地體現(xiàn)其邏輯關(guān)系，將司機操作臺劃分為兩個等級(Ⅰ級和Ⅱ級)。首先根據(jù)元器件的不同種類，將司機操作臺劃分成三個Ⅰ級模塊，分別是司機控制器、儀器儀表和按鈕板。每個Ⅰ級模塊中含有眾多子集，文中將每個子集歸類為Ⅱ級。12個微動開關(guān)和電位器構(gòu)成了司機控制器；語音控制單元、電源變換器、速度表、雙針壓力表及顯示屏構(gòu)成了儀器儀表模塊；按鈕板根據(jù)他們實現(xiàn)功能的不同可細分為6個模塊。

司機操作臺的可靠性框圖如圖2所示。

圖2 司機操作臺可靠性框圖

司機操作臺內(nèi)部還會設(shè)有一些虛接的按鈕，只有當工作中的按鈕失效后才會被接線使用，因此從嚴格意義上來說司機操作臺沒有熱備用元器件。根據(jù)可靠性框圖法，可以將司機操作臺定義為串聯(lián)系統(tǒng)。

3 軌道客車司機操作臺可靠性計算

基于司機操作臺實際接線圖紙，并參照《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》得出每一個元器件的可靠性，其中元件的負載類型、接線個數(shù)、操作頻次以及工作環(huán)境等都會不同程度地影響其可靠性數(shù)值，通過計算得到精確的可靠性計算結(jié)果。

3.1 按鈕板可靠性

按照按鈕元件所實現(xiàn)的功能，可以將同一類別的按鈕元件的輸入及輸出端集成在一個連接器中。依據(jù)連接器的數(shù)量，可以將按鈕板劃分為6個模塊，命名為按鈕板1～6?；诎粹o的接線圖，采用Proteus軟件繪制按鈕板1的電路圖如圖3所示。

從圖3可以看出，按鈕板接線圖的邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，運用可靠性框圖法則能快速理清每個元件在系統(tǒng)中的作用。元件的接頭個數(shù)同樣是一個不可或缺的關(guān)鍵特征，它可以通過可靠性計算公式中的接點個數(shù)來體現(xiàn)[13]。按鈕板1的可靠性框圖如圖4所示。

按鈕板主要包含兩類元件：開關(guān)類和連接器類。

開關(guān)類器件工作失效率預(yù)計模型[13]：

λP=(λb1+λb2)πEπOπLπCYC(6)

式中:λP----工作失效率，10-6/h；

λb1----開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)的基本失效率；

λb2----開關(guān)有源接點的基本失效率；

πE----環(huán)境系數(shù)；

πO----質(zhì)量系數(shù)；

πL----觸點負載系數(shù)；

πCYC----開關(guān)速率系數(shù)。

前照燈開關(guān)的參數(shù)選擇：其類型為旋轉(zhuǎn)式，λb1=0.04×10-6/h；有源接點數(shù)為2，λb2=0.06×10-6/h；環(huán)境類型為列車平穩(wěn)地面移動，πE=6.4；質(zhì)量系數(shù)為B1標準，πO=0.6；司機操作臺為感性負載[15-16]，πL=1.02；前照燈開關(guān)每日的操作頻率可以由文獻[17]計算，πCYC=14。所以，前照燈開關(guān)預(yù)計失效率為：

λP-S1= (λb1+λb2)πEπOπLπCYC=

5.483 520×10-6/h

連接器的失效率預(yù)計模型[13]：

λP=λbπEπOπTπP(7)

式中:λP----工作失效率，10-6/h；

λb----基本失效率；

πE----環(huán)境系數(shù)；

πO----質(zhì)量系數(shù)；

πT----溫度系數(shù)；

πP----接觸件系數(shù)。

圖3 按鈕板1的電路圖

圖4 按鈕板1的可靠性框圖

連接器J1的參數(shù)選擇：連接器的類別為通用功率型，λb=0.001 50×10-6/h；環(huán)境類型為列車平穩(wěn)地面移動，πE=3；連接器為完全按照商用識別圖紙采購的產(chǎn)品，πO=2；工作溫度在30 ℃以下，πT=0.8；由圖3可知實際使用的接觸件數(shù)為14，πP=2.33。所以，連接器J1的預(yù)計失效率為：

λP-J1=λbπEπOπTπP=0.016 776×10-6/h

司機操作臺按鈕板模塊共有12個連接器，25個開關(guān)類元件。限于篇幅，文中僅以前照燈開關(guān)和連接器J1的建模及計算過程為例，其余元件的可靠性計算結(jié)果見表1。

表1 按鈕板全部元件可靠性計算結(jié)果

續(xù)表1

按鈕板總體失效率λ1=35.404 121×10-6/h，平均無故障工作時間28 245.299 470 h。

3.2 儀器儀表可靠性

司機操作臺的儀器儀表屬于高度集成的設(shè)備，由于外界運行環(huán)境及自身復(fù)雜程度的影響，內(nèi)部元件的可靠性具有相互關(guān)聯(lián)性，使得故障模式復(fù)雜多變，所以單純依靠可靠性手冊將儀器拆開成若干零件進行計算，得出的結(jié)論可信度不高。因此，文中采用故障嚴重度等級來估計可靠性。根據(jù)文獻[18]，將極少發(fā)生故障的語音控制、顯示屏、電源變換、速度表、雙針壓力表的故障等級定義為E級，分別占全年總故障次數(shù)的0.10%，0.05%，0.10%，0.05%，0.05%。軌道客車每年約發(fā)生126次故障，全年工作時間約為6 205 h，得出預(yù)計失效率見表2。

表2 儀器儀表可靠性計算結(jié)果

儀器儀表的失效率較高，失效率達到λ2=71.071 719×10-6/h，平均無故障工作時間14 070.294 26 h。

3.3 司機控制器可靠性

司機控制器是軌道客車必不可少的元器件，在運行過程中起著舉足輕重的作用，司機通過操作司機控制器速度手柄來調(diào)整列車速度，12個微動開關(guān)做出相應(yīng)的動作傳遞電信號[19]。

微動開關(guān)的可靠性計算過程見式(6)，開關(guān)的類型為微動式，λb1=0.001 5×10-6/h；有源接點數(shù)為1，λb2=0.03×10-6/h；環(huán)境類型為列車平穩(wěn)地面移動，πE=6.4；質(zhì)量系數(shù)為B1標準，πO=0.6；負載類型為感性負載[15-16]，πL=1.02；速率系數(shù)為πCYC=147.2。得單個微動開關(guān)的預(yù)計失效率為：

λP-SW1= (λb1+λb2)πEπOπLπCYC=

18.161 418×10-6/h

電位器的失效率預(yù)計模型[3]：

λP=λbπEπOπRπTAPS(8)

其中,λP為工作失效率，單位10-6/h；基本失效率λb=0.517 2×10-6/h；環(huán)境系數(shù)πE=4.0；質(zhì)量系數(shù)πO=4.0；阻值系數(shù)πR=1.0；引出端子系數(shù)πCYC=1.0。所以電位器的預(yù)計失效率為：

λP-RP=λbπEπOπRπTAPS=8.275 2×10-6/h

司機控制器的失效率為：

λ3= 12λP-SW1+λP-RP=

226.212 219×10-6/h

平均無故障工作時間為4 420.627 696 h。

3.4 司機操作臺整體可靠性

司機操作臺整體可靠性包括按鈕板、儀器儀表和司機控制器的可靠性，根據(jù)式(1)得到總體失效率為：

λSYS=λ1+λ2+λ3=332.688 059×10-6/h

根據(jù)式(2)得到司機操作臺平均無故障工作時間：

tMBTF=3 005.818 733 h

串聯(lián)系統(tǒng)單次測量時間為T時的可靠性為：

RSYS=exp(-λSYS·T)(9)

以每天工作17 h計算，軌道客車的單次測量時間為T=17 h，計算出司機操作臺的工作可靠性為：

RSYS=exp(-λSYST)=0.994 360

4 可靠性計算結(jié)果分析

由表1按鈕板模塊可以看出，失效率較高的為開關(guān)門按鈕和司機室風速調(diào)控按鈕，失效原因卻有所不同，開關(guān)門按鈕由于其使用頻率較高，而司機室風速調(diào)控按鈕由于其開關(guān)類型為旋轉(zhuǎn)式，相對按鈕式來講具有更高的失效率。失效率最高的是前照燈開關(guān)，其較高的使用頻率又是旋轉(zhuǎn)式開關(guān)，因此，建議類型改為更可靠的按鈕式開關(guān)。

由于儀器儀表模塊長期處于工作狀態(tài)，且內(nèi)部元件相對復(fù)雜，所以故障率高于按鈕板模塊。

由表1～表3得出,司機控制器的故障率最高。微動開關(guān)作為影響司機控制器可靠性的關(guān)鍵元件，由于其自身結(jié)構(gòu)簡單，所以可靠性很高，但操作頻繁導(dǎo)致故障率較高。目前已經(jīng)有大量文獻提出從微動開關(guān)的材料和結(jié)構(gòu)上進行改進，來提升其可靠性。然而，無論怎么改進，元件在較高的使用頻率下隨著工作時間的增加而逐漸失效是必然的。所以應(yīng)建立合理的檢測機制，定期檢查微動開關(guān)的退化程度，根據(jù)檢測結(jié)果定制最優(yōu)替換決策才會更大程度增加其可靠性。

對比司機操作臺的3個Ⅰ級模塊故障率可以得出：司機控制器>儀器儀表模塊>按鈕板?？偨Y(jié)分析結(jié)果得出決定司機操作臺可靠性的關(guān)鍵要素依次為：元件的使用頻率、儀器的復(fù)雜程度、按鈕的形式。

5 結(jié) 語

采用可靠性框圖法對軌道客車司機操作臺進行可靠性分析，并根據(jù)模型計算出失效率、平均無故障時間，進而得到可靠性。在已有定性分析方法的基礎(chǔ)上進一步做定量分析，找出了影響司機操作臺可靠性的關(guān)鍵因素，并提出了合理的改進建議，得到了更精確、可信的分析結(jié)果,為軌道客車司機操作臺的設(shè)計、維修提供重要參考。