FMECA在地鐵車輛重要系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用研究

張彥華 邱星慧 王大平

摘?要：FMECA（失效模式、影響與危害性分析）在地鐵車輛上用于分析潛在失效模式，分析對象主要為由于系統(tǒng)缺陷而引起系統(tǒng)功能間的潛在故障模式，或由于設(shè)計缺陷產(chǎn)生的故障模式，確定每種故障模式對產(chǎn)品及其車輛系統(tǒng)的影響，并尋求設(shè)計優(yōu)化措施。本文以制動系統(tǒng)為研究對象，介紹FMECA在地鐵車輛重要系統(tǒng)中的分析方法。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;FMECA;制動系統(tǒng);危害矩陣

FEMCA用于有效地識別地鐵車輛系統(tǒng)的故障模式，確定其部件的故障等級，從而有針對性地開展設(shè)計優(yōu)化，將可能導(dǎo)致危險的故障模式進行有效控制，對列車的可靠性提高工作十分必要。FMECA分析覆蓋了地鐵車輛所有的系統(tǒng)及其子部件，其中制動系統(tǒng)是其中的重要分析對象，下文以制動系統(tǒng)為例分析FEMCA分析，得出該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出對應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化措施，從而減少制動系統(tǒng)故障對行車及乘客安全的影響。

1 制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

通常地鐵車輛制動系統(tǒng)的組成包括風(fēng)源系統(tǒng)、制動控制設(shè)備、基礎(chǔ)制動設(shè)備、微機控制輪對防滑設(shè)備、空氣懸掛設(shè)備和輪緣潤滑裝置等，其中風(fēng)源系統(tǒng)又由空氣壓縮機等重要設(shè)備構(gòu)成。

2 車輛子系統(tǒng)FMECA分析

2.1 對運營的故障影響等級劃分

故障影響等級是指出現(xiàn)的故障對列車運營的影響程度排序，通過對運營故障數(shù)據(jù)分析可將故障影響等級進行分類。地鐵車輛的故障對運營的影響等級可分為6類，如表1所示。

根據(jù)表1故障等級界定和制動系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)功能分析結(jié)果，可以將每一種導(dǎo)致制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障的故障模式進行故障等級劃分，現(xiàn)以風(fēng)源系統(tǒng)部分部件為例，介紹通過故障數(shù)據(jù)進行故障等級劃分的方法，如表2所示。

2.2 部件模式危害度與部件危害度的計算

部件模式危害度是部件的其中一種故障模式帶來的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。部件危害度是部件每個部件模式危害度的總和，代表這個部件的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。用Ci表示部件模式危害度，Cj表示部件危害度，則有如下計算公式[1]：

式中，λ為對應(yīng)故障模式的部件故障率，α為該故障模式發(fā)生的頻數(shù)，β為該故障模式的影響概率，當(dāng)該故障模式肯定發(fā)生時，取值β=1;當(dāng)該故障模式可能發(fā)生時，取值β=0.5;當(dāng)該故障模式不可能發(fā)生時，取值β=0，t為車輛運營時間，n為部件的故障模式數(shù)。

2.3 故障模式危害度的確定及FMECA分析

根據(jù)部件模式危害度和部件危害度的計算方法，結(jié)合上海某地鐵車輛的故障數(shù)據(jù)，得出制動系統(tǒng)部分部件的FMECA如表3所示[3]。

表3中部件為制動系統(tǒng)部分設(shè)備的最小可更換單元，故障模式與故障模式庫中的描述一致，并列出部件的故障原因，根據(jù)故障對運營的影響等級對故障模式進行等級劃分，單元故障率和故障模式頻數(shù)由運營數(shù)據(jù)獲得，根據(jù)工程經(jīng)驗對故障影響概率進行取值，最后利用部件故障模式危害度和部件危害度計算公式得出相應(yīng)的危害度。根據(jù)表3計算獲得的危害度結(jié)果，可見故障集中在III、VI兩個等級中，對列車的運營影響主要表現(xiàn)為降級服務(wù)和不影響運營的故障。

2.4 危害度矩陣及結(jié)果分析

如右圖所示為根據(jù)風(fēng)源系統(tǒng)FMECA表繪制的危害矩陣圖，橫軸為故障等級，相應(yīng)的數(shù)字對應(yīng)等級，離坐標原點距離越遠的故障等級數(shù)越低?？v軸為部件模式危害度Ci取值。將每個點對應(yīng)到坐標軸后，繪制矩陣圖的對角線，過每個點到對角線作垂線，垂足離原點的距離越遠，表示部件危害程度越大[2]。從圖中可以看出，制動系統(tǒng)故障等級危害程度比較大的都集中在III、VI兩個等級。

除了顯示危害等級的集中程度以外，還可以對每一種故障模式的危害度進行排序并匯總。由制動系統(tǒng)危害矩陣圖可以得到風(fēng)源系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為網(wǎng)關(guān)閥、擴展閥、空壓機組。

擴展閥的危害度最高為366，其次為網(wǎng)關(guān)閥的危害度2175，這兩個部件的故障模式為失效，且都為III級故障?？諌簷C組的危害程度排第三，故障模式表現(xiàn)為管路破損、漏油、打風(fēng)量小和壓力故障，其故障原因為管路的老化，結(jié)構(gòu)受損，進風(fēng)口堵塞以及安全閥發(fā)生故障。

2.5 設(shè)計優(yōu)化措施

針對以上風(fēng)源系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)提出以下設(shè)計優(yōu)化措施：

（1）針對擴展閥的故障，采用的危害減輕程序是故障擴展閥對應(yīng)的轉(zhuǎn)向架空氣制動處于緩解狀態(tài)，車輛限速運行，保證緊急制動的距離。另外，可通過客室截斷塞門切除故障轉(zhuǎn)向架空氣制動。

（2）針對網(wǎng)關(guān)閥的失效，采用的危害減輕程序是故障網(wǎng)關(guān)閥對應(yīng)的轉(zhuǎn)向架空氣制動處于緩解狀態(tài)，車輛限速運行，保證緊急制動的距離。同樣地，可以通過客室截斷塞門切除故障轉(zhuǎn)向架空氣制動。

（3）針對空壓機組的管路破損、泄漏和打風(fēng)量小的故障模式，采用的設(shè)計保護措施是由壓縮機組供風(fēng)，壓力故障的問題采用的設(shè)計保護措施是壓縮機組通過壓縮機管理來關(guān)閉，并備用安全閥。

3 結(jié)語

使用FMECA分析方法對車輛隱患進行分析，可以有效地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在故障模式與影響，能夠有效排查單點故障，嚴格按照分析方法開展工作，能夠定量各潛在風(fēng)險的發(fā)生概率與危害度，為合理評估各危害產(chǎn)生的影響提供量化數(shù)據(jù)，同時，通過合理的分析，能夠?qū)ふ业较嚓P(guān)優(yōu)化措施，從而有效提高車輛可靠性，增強安全性。

參考文獻：

[1]鐘璇.可靠性分析在廣州地鐵車輛維保中的應(yīng)用研究[J].鐵道機車車輛，2017（6）：112-114.

[2]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.

[3]譚鴻愿，王伯銘，黃挺.基于FMECA的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架檢修計劃優(yōu)化研究[J].城市軌道交通研究，2017（1）：96-100.