基于FMECA法的動(dòng)車(chē)組受電弓故障危害度分析

趙 晨,寧善平,黃玉萍

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510650）

0 引言

受電弓作為高速動(dòng)車(chē)組的心臟，對(duì)列車(chē)安全運(yùn)行的作用是不可忽視的。一旦列車(chē)受電弓系統(tǒng)發(fā)生故障，輕則造成列車(chē)晚點(diǎn)，重則引起線路癱瘓和人員傷亡。目前國(guó)內(nèi)各大動(dòng)車(chē)檢修基地對(duì)于受電弓的檢修主要采用預(yù)防修的方式，每隔固定的時(shí)間或運(yùn)營(yíng)里程進(jìn)行不同等級(jí)的檢修，雖然能一定程度上保障列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，但其維修代價(jià)過(guò)大，造成重復(fù)維修和產(chǎn)能浪費(fèi)，并且針對(duì)性較差，對(duì)于某些重大故障難以及時(shí)排除。因此，亟須通過(guò)研究受電弓故障的發(fā)生規(guī)律和特點(diǎn)，對(duì)受電弓故障模式和故障等級(jí)進(jìn)行劃分，分析故障影響及其危害度，并據(jù)此對(duì)現(xiàn)有檢修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，從而提高受電弓故障檢修效率，對(duì)于提升列車(chē)運(yùn)行的可靠性和安全性有著重要意義[1]。

1 動(dòng)車(chē)組受電弓簡(jiǎn)介及故障描述

目前國(guó)內(nèi)正在服役的CRH 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組及CR 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組采用的受電弓類(lèi)型主要有DSA250/300/380D型、TSG15/19 型以及SS400/SS400+型受電弓。該文以CRH3動(dòng)車(chē)組為例，對(duì)其使用的SS400+型受電弓進(jìn)行介紹。SS400+型受電弓為單臂受電弓，列車(chē)通過(guò)受電弓上部的集電頭裝置從接觸網(wǎng)上取流，受電弓通過(guò)位于底架上壓縮空氣驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)受電弓的下臂桿實(shí)現(xiàn)上升與下降，底架安裝在車(chē)頂上方的絕緣子上，從而達(dá)到隔絕高壓的作用。

受電弓常見(jiàn)故障類(lèi)型主要分為機(jī)械故障、氣路故障以及電氣故障，實(shí)際檢修過(guò)程中以機(jī)械和氣路故障居多。該文以某動(dòng)車(chē)運(yùn)用所CRH3 和諧號(hào)SS400+型受電弓一整年的實(shí)際檢修故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于受電弓故障類(lèi)型繁多，現(xiàn)通過(guò)對(duì)受電弓故障部位進(jìn)行分類(lèi)，將受電弓的主要故障分為以下六類(lèi)，其故障表現(xiàn)情況如下：

1.1 碳滑板故障

故障表現(xiàn)：碳滑板磨耗到限；碳滑板高度差到限；碳滑板裂紋；碳滑板鋁基板穿孔等。

1.2 集電頭故障

故障表現(xiàn)：集電頭裂紋；集電頭破損；集電頭止擋失效；集電頭工藝堵丟失；羊角傾斜；集電頭扭簧斷裂等。

1.3 供風(fēng)系統(tǒng)故障

故障表現(xiàn)：碳滑板風(fēng)管接頭漏風(fēng)；下臂桿風(fēng)管漏風(fēng)；進(jìn)出口風(fēng)管漏風(fēng)；升弓氣囊漏風(fēng)；升弓控制盒漏風(fēng)；ADD 閥卡箍壞；風(fēng)表到期等。

1.4 絕緣子故障

故障表現(xiàn)：絕緣子破損；絕緣子裂紋；絕緣子防雨帽丟失；絕緣子掉漆。

1.5 框架部分故障

故障表現(xiàn)：拉桿裂紋；拉桿轉(zhuǎn)軸處尼龍環(huán)斷裂；上下臂桿軸承卡滯；注油堵丟失；注油堵破損；阻尼器破損。

1.6 導(dǎo)流線故障

故障表現(xiàn)：導(dǎo)流線斷股；導(dǎo)流線破損。

2 FMECA 方法介紹

FMECA 主要包括故障失效模式和影響分析（FMEA）與危害度分析（CA）這兩種方法，前者通過(guò)預(yù)測(cè)分析潛在的尚未發(fā)生的故障模式，找出其故障原因以及可能產(chǎn)生的后果，從而快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障處理，是一種定性分析法；而后者是在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的危害度計(jì)算，從而確定具體故障模式的危害度數(shù)值，是一種定量分析法[2]。

FMECA 法通過(guò)故障模式比率、故障影響概率、系統(tǒng)故障率以及運(yùn)行總時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，得到故障模式危害度和故障子系統(tǒng)危害度，并最終得到系統(tǒng)的危害度矩陣，利用危害度矩陣即可對(duì)產(chǎn)品及子系統(tǒng)的危害度進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

2.1 故障模式比率αj

假設(shè)某系統(tǒng)的故障模式有N種，其中第j種故障模式出現(xiàn)的故障次數(shù)為mj，則故障模式比率αj指的是第j種故障模式發(fā)生次數(shù)mj與總故障次數(shù)的比值。

2.2 故障影響概率βj

故障影響概率βj指的是由于第j種故障模式發(fā)生而導(dǎo)致系統(tǒng)喪失功能的條件概率。

2.3 故障率λj

故障率λj指的是各種故障發(fā)生的次數(shù)與總運(yùn)行時(shí)間t之比，一般取系統(tǒng)總故障率λp進(jìn)行計(jì)算。

2.4 故障模式危害度cmj

故障模式危害度cmj指的是在運(yùn)行時(shí)間t內(nèi)，故障模式j(luò)在某故障等級(jí)下的危害程度，其具體表達(dá)式為cmj=αjβjγpt。

2.5 故障子系統(tǒng)危害度cr

故障子系統(tǒng)危害度cr指的是通過(guò)將系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)間t內(nèi)，各個(gè)子系統(tǒng)的故障模式危害度之和cr=∑nj=1cmj。

2.6 系統(tǒng)危害度矩陣

綜合考慮了系統(tǒng)的故障模式危害度和故障嚴(yán)酷度等級(jí)這2 個(gè)因素所繪制的坐標(biāo)圖，通過(guò)投影大小來(lái)綜合判斷故障的危害度。

3 動(dòng)車(chē)組受電弓FMECA 分析

3.1 受電弓FMEA 分析

通過(guò)對(duì)第1節(jié)中所列出的受電弓故障模式進(jìn)行分析，并研究故障對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中造成的后果，總體上將故障嚴(yán)酷度等級(jí)劃分為以下4 個(gè)等級(jí)[4]：等級(jí)Ⅰ——受電弓運(yùn)行超限，破壞接觸網(wǎng)，甚至造成人員傷亡；等級(jí)Ⅱ——可能導(dǎo)致受電弓無(wú)法正常升降或是車(chē)頂短路，危害行車(chē)安全；等級(jí)Ⅲ——可能產(chǎn)生大量拉弧，對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量產(chǎn)生影響；等級(jí)Ⅳ——幾乎無(wú)影響，入庫(kù)后檢修維護(hù)即可。得到的動(dòng)車(chē)組受電弓FMEA 分析結(jié)果如表1 所示。

表1 受電弓FMEA 分析結(jié)果

3.2 受電弓CA 分析

通過(guò)對(duì)一整年受電弓故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到故障類(lèi)型為碳滑板磨耗到限99 次，集電頭止擋失效64 次，集電頭工藝堵丟失42 次，碳滑板高度差到限38 次，碳滑板鋁基板穿孔38 次等。通過(guò)故障模式次數(shù)占總故障次數(shù)的比值即可得到故障模式比率αj，總故障數(shù)與運(yùn)行總時(shí)間（t=365×24=8 760 h）即為系統(tǒng)故障率λp。故障影響概率βj值根據(jù)該故障模式對(duì)系統(tǒng)功能正常運(yùn)行的影響程度所確定，則動(dòng)車(chē)組受電弓危害度CA 分析結(jié)果如表2。

表2 受電弓CA 分析結(jié)果

為了綜合考慮FMEA 和CA 的分析結(jié)果，確定故障模式的實(shí)際危害度大小，需要繪制危害度矩陣圖。以故障模式嚴(yán)酷度等級(jí)為橫坐標(biāo)，故障模式危害度為縱坐標(biāo)，得到不同故障模式在矩陣圖中的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)從原點(diǎn)向矩陣圖的對(duì)角進(jìn)行連線得到危害度的增加方向，過(guò)故障模式的坐標(biāo)點(diǎn)向危害度增加的方向投影，投影值越大則表明危害度越大，得到的最終危害度矩陣如圖1 所示。

圖1 受電弓故障危害度矩陣

根據(jù)所繪制出的危害度矩陣圖，得出影響動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的綜合危害度從大到小的故障序號(hào)依次為：4、3、11、13、12/14/15、18/21、17/22、1、7、2、28、9、29、6、5/10/24、20、23/27、19、8、16/25、26。其中危害度最大故障模式分別為4（碳滑板鋁基板穿孔）、3（碳滑板裂紋）、11（碳滑板風(fēng)管接頭漏風(fēng)）、13（進(jìn)出口風(fēng)管漏風(fēng)），而1（碳滑板磨耗到限）、2（碳滑板高度差到限）、7（集電頭止擋失效）等故障雖然發(fā)生次數(shù)更多但由于其嚴(yán)酷度等級(jí)較低導(dǎo)致其危害度略低。通過(guò)查找該動(dòng)車(chē)運(yùn)用所的受電弓檢修計(jì)劃發(fā)現(xiàn)對(duì)于1/2/3/7/28 等故障檢修頻率較高，均為一級(jí)修重點(diǎn)檢修部件，因此，建議對(duì)該動(dòng)車(chē)運(yùn)用所檢修計(jì)劃進(jìn)行微調(diào)，將碳滑板鋁基板穿孔、碳滑板風(fēng)管接頭漏風(fēng)以及受電弓進(jìn)出口風(fēng)管漏風(fēng)也列為一級(jí)修重點(diǎn)檢修項(xiàng)目。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以SS400+型受電弓為例，結(jié)合整年實(shí)際檢修故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，首先對(duì)該型號(hào)受電弓的結(jié)構(gòu)原理及故障情況進(jìn)行了描述，然后詳細(xì)介紹了FMECA 方法的工作原理，最后基于這一方法對(duì)該型受電弓進(jìn)行了FMECA分析。通過(guò)分析其故障模式、故障發(fā)生原因和影響得出其故障嚴(yán)酷度等級(jí)，結(jié)合具體故障數(shù)據(jù)得到其故障模式比率、故障模式影響概率、故障模式危害度及子系統(tǒng)危害度，并得到受電弓的故障危害度矩陣，并依據(jù)危害度矩陣對(duì)受電弓的故障檢修計(jì)劃提出了合理化建議和改進(jìn)。