基于?FMEA?法的地鐵車輛牽引系統(tǒng) 設(shè)備運(yùn)維研究

江現(xiàn)昌 鄒慶春

摘 要：地鐵車輛牽引系統(tǒng)作為地鐵安全、可靠運(yùn)營(yíng)的動(dòng)力源頭，其設(shè)備可靠性對(duì)整個(gè)地鐵線網(wǎng)安全、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。通過對(duì)地鐵車輛牽引系統(tǒng)建模，運(yùn)用潛在失效模式與后果分析（FMEA）法對(duì)車輛牽引系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估，并結(jié)合南昌地鐵 1 號(hào)線牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)階段運(yùn)行狀態(tài)，分析導(dǎo)致牽引系統(tǒng)失效的因素及薄弱環(huán)節(jié)，為制定適用于地鐵 1 號(hào)線的牽引系統(tǒng)維修策略提供理論依據(jù)，亦為地鐵行業(yè)運(yùn)維可靠性、經(jīng)濟(jì)性提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;牽引系統(tǒng);FMEA法;失效率;維修策略

中圖分類號(hào)：U231+94

目前，國(guó)內(nèi)地鐵設(shè)備維修研究多以可靠性為中心的維修（RCM）為策略，以確定設(shè)備預(yù)防性維修要求、優(yōu)化維修制度，其關(guān)注的重點(diǎn)在于設(shè)備的可靠性。本文以南京地鐵1號(hào)線車輛牽引系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用FMEA探究牽引系統(tǒng)所有潛在的失效模式，并分析其可能導(dǎo)致的后果，從而預(yù)先采取必要的措施，以提高牽引系統(tǒng)的可靠性和維修的經(jīng)濟(jì)性，并在可靠性與經(jīng)濟(jì)性之間尋求一種平衡的維修策略;以GB 30012-2013《城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理規(guī)范》作為故障危害等級(jí)的評(píng)定參考，以牽引系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)故障發(fā)生頻次作為理論依據(jù)，根據(jù)牽引系統(tǒng)的故障模式及其后果進(jìn)行可靠性評(píng)估，從而得出地鐵車輛牽引系統(tǒng)科學(xué)、合理的維修策略。

1 地鐵車輛牽引系統(tǒng)

南昌地鐵1號(hào)線采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)受電方式，地鐵車輛牽引系統(tǒng)則采用由可變電壓-可變頻率（VVVF）逆變器、異步牽引電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，通過高性能的交流傳動(dòng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，以熱管散熱器實(shí)現(xiàn)走行風(fēng)冷，在優(yōu)先使用電制動(dòng)的同時(shí)還具有反應(yīng)迅速、可靠的空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)功能。牽引系統(tǒng)設(shè)備包括熔斷器箱、高壓電器箱（HV）、線路電抗器（LF）、制動(dòng)電阻箱（BR）、牽引逆變器箱、牽引電機(jī)、司控器、避雷器等。各電器箱均采用箱體式車下懸掛結(jié)構(gòu)，牽引電機(jī)采用剛性懸掛方式，通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪傳動(dòng)裝置連接，傳遞牽引或電制動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)或使列車制動(dòng)。牽引系統(tǒng)設(shè)備框圖如圖1所示。

2 可靠性模型

車輛牽引系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備運(yùn)營(yíng)指標(biāo)的年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)需滿足GB/T 30012-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求，具體如下。

（1）列車服務(wù)可靠。全部列車總行車?yán)锍膛c發(fā)生5min以上延誤次數(shù)之比不應(yīng)低于8萬列 · km /次。

（2）列車退出正線運(yùn)營(yíng)故障率。列車退出正線運(yùn)營(yíng)故障率不應(yīng)高于0.4次/萬列 · km。

（3） 車輛系統(tǒng)故障率。因車輛故障造成2 min以上晚點(diǎn)事件次數(shù)應(yīng)低于4次/萬列 · km。

依據(jù)GB/T 30012-2013標(biāo)準(zhǔn)可將故障危害劃分為救援、退出正線運(yùn)營(yíng)（以下簡(jiǎn)稱“清客”）、5 min以上晚點(diǎn)和2 min以上晚點(diǎn)4個(gè)不同程度的等級(jí)。結(jié)合地鐵1號(hào)線的實(shí)際設(shè)計(jì)，建立牽引系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖，如圖2所示。

圖2中，若4條支路損壞，車輛將不能啟動(dòng)，需要救援;若有3條支路損壞，整車只有1節(jié)動(dòng)力單元，則需清客，并造成后續(xù)列車晚點(diǎn)5min以上;若有2條支路損壞，將造成后續(xù)列車晚點(diǎn)2 min;若有1條支路損壞，則不影響實(shí)際運(yùn)營(yíng)。

3 故障分析及維修策略

據(jù)調(diào)研，現(xiàn)行業(yè)內(nèi)對(duì)于牽引系統(tǒng)提出的維修方式大致可分為定期報(bào)廢、定期維修（包含均衡修）、故障修和狀態(tài)修?；诂F(xiàn)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)能力，暫未實(shí)現(xiàn)牽引設(shè)備的全部狀態(tài)修，維修模式則以故障為依據(jù)。因此，運(yùn)營(yíng)單位需在承受運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的前提下開展地鐵維修，在保障運(yùn)營(yíng)單位承受能力的前提下，實(shí)現(xiàn)維修周期的最大化與維修成本的最小化。這也是制定維修策略的最終目標(biāo)。地鐵1號(hào)線車輛牽引系統(tǒng)FMEA分析如表1所示。

3.1 故障危害分析

基于地鐵車輛牽引系統(tǒng)可靠性模型，對(duì)地鐵1號(hào)線牽引系統(tǒng)不同故障危害等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

依據(jù)圖2和表2，熔斷器箱作為地鐵車輛牽引系統(tǒng)影響運(yùn)營(yíng)的集中設(shè)備，其設(shè)備無主電路故障是保證未發(fā)生5min以上晚點(diǎn)的重要原因之一。

3.2 關(guān)鍵部件失效模式分析

在FMEA法分析的基礎(chǔ)上，排除自行恢復(fù)、未找到故障點(diǎn)、系統(tǒng)無影響的故障，對(duì)地鐵1號(hào)線車輛牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件失效模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

基于FMEA法分析，在部分關(guān)鍵部件定期報(bào)廢的基礎(chǔ)上，并結(jié)合表1得出，地鐵車輛牽引系統(tǒng)可采取的維修方法為功能檢查及外觀檢查，補(bǔ)救措施則以部件更換為主。由表3對(duì)故障模式與實(shí)際故障類型分析得出，牽引輸入控制部分、牽引逆變模塊為地鐵車輛牽引系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。

3.3 主要箱體失效分析

基于FMEA法分析，排除自行恢復(fù)、未找到故障點(diǎn)、系統(tǒng)無影響的故障，對(duì)地鐵1號(hào)線地鐵車輛牽引系統(tǒng)主要部件失效率統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

依據(jù)地鐵1號(hào)線的實(shí)際運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，通過對(duì)牽引系統(tǒng)主要部件的失效率分析得出，高壓電器箱為地鐵車輛牽引系統(tǒng)危險(xiǎn)程度最高的箱體。

3.4 關(guān)鍵部件可靠壽命評(píng)估

同類性設(shè)備產(chǎn)品的可靠度R（t ）是時(shí)間的一個(gè)函數(shù)變量，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，該批產(chǎn)品的可靠度會(huì)越來越低。對(duì)于給定的可靠度r，當(dāng)產(chǎn)品的可靠度下降到r時(shí)的時(shí)間為tr，即tr為產(chǎn)品的可靠壽命，用可靠度公式表示為：

R（ tr ）= r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

當(dāng)失效服從指數(shù)分布時(shí)，可靠壽命tr與失效率λ的關(guān)系為：

tr= 2.302 lg（1/ r）/ λ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

綜合牽引系統(tǒng)故障危害統(tǒng)計(jì)情況、關(guān)鍵部件失效模式統(tǒng)計(jì)、主要箱體實(shí)際表現(xiàn)情況，排除氣候等外部條件干擾，各關(guān)鍵部件失效服從指數(shù)分布，對(duì)故障率高的關(guān)鍵部件以可靠性滿足0.98時(shí)進(jìn)行可靠壽命評(píng)估，具體如表5所示。

為保障地鐵車輛牽引系統(tǒng)安全準(zhǔn)點(diǎn)可靠運(yùn)營(yíng)，通過對(duì)失效率偏高的關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠壽命評(píng)估，地鐵車輛牽引系統(tǒng)可制定1年/次定期檢修（包含均衡修）的維修策略，此外，差分電流傳感器、高壓箱控制元件等制定5年的定期檢修策略。

4 結(jié)論及建議

本文基于GB 30012-2013標(biāo)準(zhǔn)建立地鐵車輛牽引系統(tǒng)可靠性模型，以此標(biāo)準(zhǔn)中的故障危害等級(jí)作為評(píng)定依據(jù)，根據(jù)牽引系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)故障發(fā)生頻次，利用FMEA法對(duì)地鐵車輛牽引系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，得出如下結(jié)論及建議。

（1）牽引輸入控制單元、牽引逆變模塊是地鐵車輛牽引系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

（2）通過對(duì)主要箱體的失效分析得出，高壓電器箱為地鐵車輛牽引系統(tǒng)危險(xiǎn)程度最高的箱體，在檢修維護(hù)中需重點(diǎn)檢查。

（3）地鐵車輛牽引系統(tǒng)中的熔斷器箱、高壓箱、牽引逆變器箱、制動(dòng)電阻箱、線路電抗器、牽引電機(jī)、司控器除設(shè)備外觀檢查外，還需對(duì)失效率偏高的關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠壽命評(píng)估。建議地鐵車輛牽引系統(tǒng)制定1年/次定期檢修（包含均衡修）的維修策略。

（4）FMEA分析法為地鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供一種新的維修策略，地鐵公司可結(jié)合本地財(cái)政狀況、客流強(qiáng)度、故障影響承受能力等因素綜合考量，在充分論證分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)差別化的維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性上的最優(yōu)化維護(hù)。

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收稿日期 2019-08-16

責(zé)任編輯 黨選麗

Research on FMEA based operation and maintenance of metro vehicle traction system

Jiang Xianchang， Zou Qingchun

Abstract： As the power source of metro safe and reliable operation， the component reliability of metro vehicle traction system plays an important role in the safe and punctual function of the whole metro network. Through modeling of metro vehicle traction system， using the method of failure mode and effects analysis （FMEA） to evaluate the reliability of vehicle traction system， and based on the design of traction system of Nanchang metro line 1 and the current operation status， analyzing the failure factors and weak links of traction system， in order to develop the traction system suitable for metro line 1. It provides theoretical basis for the maintenance strategy and experience for the reliability and cost effectiveness of metro industry operation and maintenance.

Keywords： metro vehicle， traction system， FMEA method， failure rate， maintenance strategy