廣州地鐵A5型車車門系統(tǒng)故障樹分析

李 鋒 沈金煥

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部 廣東 廣州 510710)

0 引言

地鐵列車客室車門數(shù)量多且動(dòng)作頻繁，相對(duì)易出現(xiàn)故障。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在城市軌道車輛各部件中，車門引起的故障占車輛故障的60%以上[1]。目前故障樹法在其他領(lǐng)域發(fā)展成熟，故引入到地鐵列車車門系統(tǒng)故障分析中，以期預(yù)防車門系統(tǒng)故障，提高正線運(yùn)營(yíng)可靠度。

下文以廣州地鐵二號(hào)線A5型車客室車門為研究對(duì)象，結(jié)合故障樹法分析車門系統(tǒng)故障，歸納故障各因素的概率重要度，對(duì)高概率進(jìn)行故障分析和處理，進(jìn)行參考預(yù)判，提前介入處理。

1 車門系統(tǒng)及其故障

1.1 車門系統(tǒng)介紹

廣州地鐵二號(hào)線A5型車客室車門采用了電動(dòng)雙開塞拉門，車門系統(tǒng)主要由電子門控單元、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置、承載裝置、鎖閉裝置及操作裝置等組成。圖1所示為客室車門系統(tǒng)組成示意圖。車門開啟時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)絲桿螺母副，引起攜門架、長(zhǎng)導(dǎo)柱等導(dǎo)向部件中的轉(zhuǎn)臂動(dòng)作，使門頁(yè)在導(dǎo)向裝置的引導(dǎo)下向外做擺出運(yùn)動(dòng)。在達(dá)到完全擺出狀態(tài)后，導(dǎo)向裝置控制門扇平行于車輛側(cè)面直線運(yùn)動(dòng)，直到門頁(yè)達(dá)到完全打開狀態(tài)。車門關(guān)閉則是相反的過(guò)程。

1—電子門控單元組件；2—機(jī)構(gòu)；3—安裝架；4—緊急出口裝置；5—隔離開關(guān)組件；6—緊急入口裝置；7—下擺臂組件；8—左門扇；9—右門扇。圖1 車門系統(tǒng)組成示意圖

1.2 常見(jiàn)故障

1.2.1機(jī)械故障及處理

(1)機(jī)械尺寸參數(shù)故障

車門系統(tǒng)機(jī)械尺寸參數(shù)眾多，如對(duì)中、V型、下?lián)蹁N間隙、車門部件干涉等情況。參數(shù)調(diào)整不在規(guī)定范圍內(nèi)，在客流量大且集中時(shí)，由于車體撓度等因素影響，造成參數(shù)變化，引起車門故障，需調(diào)整參數(shù)至范圍內(nèi)。

(2)零部件損壞故障

零部件損壞可通過(guò)更換新件解決，若同一類零部件損壞率較大，則考慮是否存在系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題或調(diào)整上的失誤。

1.2.2電氣故障及處理

(1)行程開關(guān)故障

故障現(xiàn)象為單個(gè)車門無(wú)法關(guān)閉，原因?yàn)殛P(guān)門行程開關(guān)在車門打開過(guò)程中出現(xiàn)故障或誤動(dòng)作，在關(guān)門時(shí)門控器收不到“門關(guān)好”信息。檢查行程開關(guān)是否損壞，若損壞則更新，或檢查行程開關(guān)是否安裝過(guò)緊，過(guò)緊則重新調(diào)整。

(2)電子門控器故障

包括門控器硬件故障、突然死機(jī)等，處理方法為檢查軟件版本是否為最新，檢查接線是否異常，檢查其本身是否損壞等。

(3)車門電機(jī)故障

故障現(xiàn)象為車門不動(dòng)作、車門動(dòng)作一段時(shí)間后停止運(yùn)動(dòng)等，解決方法為檢查車門電機(jī)各處接線是否松動(dòng)或損壞，檢查電機(jī)皮帶、聯(lián)軸器是否異常，檢查其本身是否故障等。

2 車門系統(tǒng)故障樹法分析

2.1 故障樹法概念與構(gòu)建

故障樹法即基于樹形結(jié)構(gòu)形象表達(dá)系統(tǒng)故障的影響因素構(gòu)成的一種邏輯分析算法，樹形結(jié)構(gòu)表達(dá)直觀明了，是現(xiàn)今應(yīng)用廣泛的故障分析方法，由頂事件、中間事件和基本事件組成，把故障表現(xiàn)及其原因間的互相聯(lián)系以不一樣的層次事件形成樹形構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，能夠定性、定量分析[2]。

通過(guò)收集統(tǒng)計(jì)廣州地鐵A5型車客室車門系統(tǒng)故障歷史數(shù)據(jù)，利用故障樹法構(gòu)建車門系統(tǒng)故障樹示意圖，如圖2所示。

圖2 車門系統(tǒng)故障樹示意圖

以此類推，從理論層面去剖析，從一個(gè)可能的故障開始，自上而下、一層層尋找車門故障的直接原因和間接原因事件，直至找到基本原因事件。

2.2 故障樹法定性分析

如表1所示，對(duì)故障樹法進(jìn)行定性分析，基本事件設(shè)為K1K2……K29，不考慮各個(gè)基本事件的發(fā)生概率或各個(gè)基本事件的發(fā)生概率都相等的前提下，按事故發(fā)生的因果關(guān)系得出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小事件組合。

表1 車門系統(tǒng)故障樹最小事件組合

2.3 故障樹法定量分析

(1)概率重要度

對(duì)故障樹法進(jìn)行定量計(jì)算，得到所有基本事件出現(xiàn)的概率重要度。概率重要度即體現(xiàn)某一個(gè)內(nèi)部單元由故障狀態(tài)(表示“1”)回到正常狀態(tài)(表示“0”)之時(shí)，該系統(tǒng)減小的不可靠度的數(shù)值。即某一個(gè)內(nèi)部的單元出現(xiàn)故障之時(shí)引起該系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率程度。假設(shè)第K個(gè)單元，則其概率重要度

Ik=FS(Fk=1)-FS(Fk=0)

(1)

式中：Fk為第K個(gè)單元的不可靠度，F(xiàn)S(Fk=1)為第K個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)該系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率，F(xiàn)S(Fk=0)為第K個(gè)單元出現(xiàn)正常工作時(shí)該系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。

概率重要度反映的是各類故障因素發(fā)生的概率對(duì)于頂事件即車門系統(tǒng)故障發(fā)生概率的重要度。概率重要度可表現(xiàn)各因素對(duì)車門系統(tǒng)故障的影響程度，數(shù)值越大影響越大。

(2)概率重要度的模糊集合運(yùn)算

借助模糊集合進(jìn)行故障樹定量分析計(jì)算，得到所有基本事件出現(xiàn)的概率重要度。

設(shè)P=(a，m，b)三角模糊數(shù)，0≤a≤m≤b，設(shè)故障樹T的結(jié)構(gòu)函數(shù)為φ(K1，K2,……，Kn)，事件Ki概率分布為PKi=(i=1,2，……，n)，頂事件為T，根據(jù)模糊集合運(yùn)算：

基本事件Ki的概率重要度為

(2)

如果V(PT，PTi)≥V(PT，PTj)則事件Ki對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障失效的影響程度更大些。

(3)車門系統(tǒng)概率重要度及參考值

由表1及模糊集合運(yùn)算公式計(jì)算，統(tǒng)計(jì)車門系統(tǒng)故障，得到車門系統(tǒng)故障出現(xiàn)概率對(duì)于頂事件出現(xiàn)的概率重要度，如表2所示。

表2 車門系統(tǒng)故障概率重要度

將概率重要度的數(shù)值代入公式(3)計(jì)算其幾何平均值(表現(xiàn)連續(xù)作業(yè)時(shí)產(chǎn)品的平均合格率)。車門系統(tǒng)故障因素概率重要度的幾何平均值作為參考值，可表現(xiàn)列車運(yùn)營(yíng)時(shí)車門系統(tǒng)故障平均合格率。

(3)

式中：Gn為幾何平均值，xi為各因素概率重要度數(shù)值，n為各因素的個(gè)數(shù)。通過(guò)公式(3)得到車門系統(tǒng)故障的概率重要度幾何平均值為0.016 1。即各類車故障因素發(fā)生概率對(duì)于車門系統(tǒng)故障發(fā)生概率的平均水平為0.016 1。設(shè)定該值作為參考警戒值，當(dāng)某一故障發(fā)生的概率重要度不小于0.016 1時(shí)預(yù)警，對(duì)該故障發(fā)生的部件，采取工藝優(yōu)化、普查整改等措施，提前預(yù)防，減少或避免該故障的發(fā)生。

3 故障樹法可行性驗(yàn)證

如表2所示，車門系統(tǒng)故障因素的概率重要度大于參考值0.016 1的基本事件有多項(xiàng)。廣州地鐵二號(hào)線A5型車近兩年正線出現(xiàn)6次螺母副翻轉(zhuǎn)不到位故障，有4次故障造成列車晚點(diǎn)，故以概率重要度數(shù)值為0.026 4的螺母副翻轉(zhuǎn)不到位故障為例，分析結(jié)構(gòu)與原理，根據(jù)其故障危害度，制定相應(yīng)的普查整改措施，提前預(yù)防。

3.1 螺母副工作原理

從螺母副工作原理分析，以車門鎖閉功能為例，車門從未鎖到鎖閉位置時(shí)，螺母副撞塊與螺母座的角度發(fā)生變化，同時(shí)絲桿相對(duì)于螺母座產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母副滾動(dòng)銷就進(jìn)入變導(dǎo)程絲桿的鎖閉段，此時(shí)車門機(jī)械鎖閉。撞塊觸發(fā)鎖到位行程開關(guān)可表征車門機(jī)械鎖閉，如圖3、圖4所示。

圖3 鎖到位開關(guān)和左旋螺母(帶撞塊)

圖4 左旋螺母位置示意圖(左側(cè)為未鎖閉，右側(cè)為鎖閉)

3.2 螺母副翻轉(zhuǎn)不到位

圖5所示為撞塊翻轉(zhuǎn)位置示意圖，左為翻轉(zhuǎn)不到位示意圖，右為翻轉(zhuǎn)到位示意圖。根據(jù)螺母副工作原理分析，造成撞塊不能翻轉(zhuǎn)到位的原因有以下幾個(gè)：

圖5 撞塊翻轉(zhuǎn)位置示意圖

(1)螺母組件內(nèi)塑料螺母磨損。塑料螺母磨損為螺母副撞塊翻轉(zhuǎn)不到位的主要原因，關(guān)門時(shí)門頁(yè)驅(qū)動(dòng)塑料螺母，塑料螺母驅(qū)動(dòng)絲桿，而在關(guān)門到位位置，關(guān)門的持續(xù)保持力會(huì)降低，車門抵抗護(hù)指膠條壓縮的反彈力減弱，造成絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩降低，加之塑料螺母的磨損，造成螺母副撞塊翻轉(zhuǎn)不到位故障發(fā)生。

(2)螺母組件內(nèi)扭簧轉(zhuǎn)力矩不足。扭簧轉(zhuǎn)力矩不足，直接影響螺母撞塊翻轉(zhuǎn)的角度不足，無(wú)法推動(dòng)行程開關(guān)組件擺臂滾輪，導(dǎo)致無(wú)法釋放行程開關(guān)信號(hào)。

(3)到位開關(guān)組件壓簧壓力較大。到位開關(guān)組件壓簧壓力較大時(shí)，車門關(guān)門或鎖閉時(shí)，螺母副撞塊難以推動(dòng)行程開關(guān)組件擺臂滾輪而受阻，導(dǎo)致無(wú)法釋放行程開關(guān)信號(hào)。

3.3 普查與整改

螺母副翻轉(zhuǎn)不到位故障概率重要度大于參考值0.016 1，2017年7月起結(jié)合架修和系統(tǒng)修對(duì)螺母副進(jìn)行專項(xiàng)普查與整改，措施如下：

(1)對(duì)其進(jìn)行外觀和狀態(tài)的定期檢查，利用窺視鏡仔細(xì)檢查塑料螺母的外觀和狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)磨損及時(shí)更換。

(2)對(duì)扭簧使用情況進(jìn)行定期檢查，具體為：①手動(dòng)關(guān)門至車門處于中部附近。②左旋螺母檢查，面對(duì)車外站立，用手沿圖6中左圖所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)塑料螺母或觸發(fā)開關(guān)的撞塊，然后釋放，如果塑料螺母按照右圖所示方向復(fù)位，則扭簧未失效，否則失效。③右旋螺母檢查，面對(duì)車外站立，用手沿圖6中左圖所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)塑料螺母或觸發(fā)開關(guān)的撞塊，然后釋放，如果塑料螺母按照右圖所示方向復(fù)位，則扭簧未失效，否則失效。④電動(dòng)關(guān)閉車門的情況下，使用窺視鏡檢查關(guān)門時(shí)螺母副撞塊，開關(guān)滾輪應(yīng)停留在撞塊凸臺(tái)上，如圖7所示。若檢查開關(guān)滾輪不在撞板凸臺(tái)上，則需調(diào)整撞塊，旋松撞塊安裝螺母調(diào)整。

圖6 螺母副檢查(上方為左旋螺母，下方為右旋螺母)

圖7 螺母副撞塊檢查

(3)對(duì)到位開關(guān)組件進(jìn)行安裝前后的檢查，方案和操作工藝如下：①安裝前，推動(dòng)與釋放開關(guān)組件擺臂，反復(fù)感受壓簧的力度，難以推動(dòng)或釋放則更換新的開關(guān)組件安裝。②安裝后，調(diào)節(jié)門到位/門鎖到位開關(guān)組件底板位置，使開關(guān) S4 /S1上滾輪與鉸鏈臂的斜面間隙在0.5～1.5 mm范圍內(nèi)。

對(duì)螺母副專項(xiàng)普查與整改的工藝優(yōu)化后，螺母副翻轉(zhuǎn)不到位故障發(fā)生次數(shù)由6起減至零，故障概率重要度由0.026 4減少至零，即普查整改效果顯著減少，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化措施前后故障次數(shù)及其概率重要度

4 結(jié)束語(yǔ)

上文以廣州地鐵二號(hào)線A5型車客室車門為研究對(duì)象，提出了采用故障樹法進(jìn)行車門系統(tǒng)故障分析的方案，根據(jù)分析結(jié)果，采取有針對(duì)性的優(yōu)化措施，提前預(yù)防車門故障，取得較大的成效，保障了正線運(yùn)營(yíng)可靠度。研究結(jié)論說(shuō)明故障樹法對(duì)地鐵車門系統(tǒng)故障分析具有一定的實(shí)用性。