基于FMECA的209型轉(zhuǎn)向架故障模式分析與研究

顏秀珍 唐震 李濤

基金項目：2021年度廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（2021KQNCX205）

第一作者簡介：顏秀珍（1990-），女，碩士，講師。研究方向為故障診斷、車輛機械結(jié)構(gòu)、列車通信網(wǎng)絡(luò)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.010

摘? 要：該文以某車輛段2020—2022年客車轉(zhuǎn)向架運用故障數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，對209型轉(zhuǎn)向架各部件的常見故障進行統(tǒng)計分析。利用可靠性分析方法FMECA，列出各部件的故障模式清單，分析各個故障模式發(fā)生原因、故障影響度及危害度的等級，繪制出各FMEA表格，在該定性分析的基礎(chǔ)上，再利用綜合評分法對各個故障模式進行危害度分析，定量分析209型轉(zhuǎn)向架各部件的故障模式及危害度，判斷該型轉(zhuǎn)向架危害度較高的故障模式，為其故障診斷和重點檢查決策提供有效的信息。

關(guān)鍵詞：故障分析；209型轉(zhuǎn)向架；FMECA；危害度分析；綜合評分法

中圖分類號：U270.333? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）16-0044-05

Abstract： Based on the operation fault data of passenger car bogies in a depot from 2020 to 2022， this paper makes a statistical analysis of the common faults of the 209 bogie， lists the fault modes of each component by using the reliability analysis method FMECA， analyzes the causes of each fault mode， the fault influence degree and the grade of criticality， and draws each FMEA table on the basis of qualitative analysis. Then， the comprehensive scoring method is used to analyze the criticality of each fault mode， quantitatively analyze the fault mode and criticality of each part of the 209 bogie， and judge the fault mode with high criticality， so as to provide effective information for fault diagnosis and key inspection decision-making.

Keywords： fault analysis; 209 bogie; FMECA; hazard analysis; comprehensive scoring method

轉(zhuǎn)向架是鐵路客車車輛的關(guān)鍵部件，其可靠性和性能決定了車輛的運行品質(zhì)和行車安全[1]，隨著客車運行速度由120 km/h到160 km/h及更高運行速度不斷提升的過程中，各類型客車轉(zhuǎn)向架也在高速運行過程中暴露出種種問題，轉(zhuǎn)向架的運用維修質(zhì)量作用日益上升。目前，鐵路公司對客車轉(zhuǎn)向架的可靠性研究大多針對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的某個部件，較少涉及整個系統(tǒng)的故障分析，因此，有必要對客車運用過程中的轉(zhuǎn)向架故障數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性的分析，獲取不同部件的主要故障模式，以期從全局的角度，分析不同部件故障的危害度，并對危害度較高的故障進行針對性的維修和改進。

1? FMECA故障分析方法簡述

FMECA是Failure Mode， Effects and Criticality Analysis的首字母縮寫，翻譯成中文為故障模式、影響和危害性分析[2]，是可靠性分析理論中最常用的2種方法之一。FMECA作為一種在廣泛的工程實踐中總結(jié)出來的用于對零部件進行可靠性分析的理論，其研究對象為零部件的故障模式，研究方法為針對零部件系統(tǒng)中所有可能發(fā)生的故障，進行故障模式分析，確定各自發(fā)生的具體原因及對系統(tǒng)正常工作影響的大小，按照故障發(fā)生的嚴(yán)重程度及對其概率大小，確定故障危害度，列出FMEA表格[3]。在此基礎(chǔ)上，用定量分析方法對故障進行危害度分析（即CA）。根據(jù)算出來的危害度大小進行故障排序，找出危害度較大的關(guān)鍵故障模式，并依此制定出危害防范方法[4]。

FMECA包括失效模式和影響分析（FMEA）和危害度分析（CA）兩大部分，即FMECA=FMEA+CA[5]。用FMECA對系統(tǒng)進行故障分析的基本流程為：①對系統(tǒng)故障進行FMEA分析，確定出故障模式的原因及其對系統(tǒng)正常工作的影響程度，并進一步提出優(yōu)化措施[6]；②對系統(tǒng)故障進行CA分析，計算各故障模式的危害度，按從大到小進行排序，找出其中危害度高的關(guān)鍵故障模式，從而對各故障模式的影響程度進行全面的評價[7]。

本文以某車輛段2020—2022年209型轉(zhuǎn)向架運用故障數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，利用FMECA對209型轉(zhuǎn)向架故障進行統(tǒng)計分析，定性、定量分析209型轉(zhuǎn)向架的故障模式及危害度，為轉(zhuǎn)向架檢查和維修決策提供有益的參考。此次分析所收集的故障為2 466件，時間跨度為3年，避免了因數(shù)據(jù)少、時間短引起的分析失準(zhǔn)。209型轉(zhuǎn)向架的實物圖如圖1（a）和圖1（b）所示。

2? 209型轉(zhuǎn)向架故障模式影響及危害度分析

2.1? 轉(zhuǎn)向架主要故障的分析

分析某一系統(tǒng)的故障模式，通常通過故障概率的高低進行評判，按照故障概率的高低分為如下5個等級[8]。

A級：是經(jīng)常發(fā)生發(fā)生的故障，指發(fā)生概率很高的故障，故障發(fā)生概率超過20%。

B級：是很可能發(fā)生的故障，指發(fā)生概率一般高的故障，故障發(fā)生概率在10%～20%之間。

C級：是偶然發(fā)生的故障，指不經(jīng)常發(fā)生的故障，故障發(fā)生概率在1%～10%之間。

D級：是很少發(fā)生的故障，指小概率事件，故障發(fā)生概率在0.1%～1%之間。

E級：是極少發(fā)生的故障，指發(fā)生概率基本為0的故障，發(fā)生的具體概率大小小于0.1%。

故障概率綜合評判見表1。

表1? 故障概率綜合評判表

根據(jù)某車輛段2020—2023年運用客車209型轉(zhuǎn)向架故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對209型轉(zhuǎn)向架各類故障進行歸類匯總，得到209型轉(zhuǎn)向架故障模式分析見表2。進一步對其進行整理，得到圖2的轉(zhuǎn)向架各零部件故障模式占比圖。

表2? 209型轉(zhuǎn)向架故障模式分析表

在可靠性分析中，累計頻率所占百分比分數(shù)為80%的原因稱為關(guān)鍵因素或主導(dǎo)因素。由表2可以分析得出，單元缸防塵罩脫，油壓減振器安裝螺栓松動，單元缸金屬軟管磨碰，油壓減振器漏油，閘片、閘瓦偏磨、到限這5種故障共占總故障的85.41%，這些故障是209型轉(zhuǎn)向架的主要故障，如果想降低出庫運用客車轉(zhuǎn)向架故障率，相關(guān)運用作業(yè)人員在進行檢修時應(yīng)該重點檢查上述5個部位。

由表2還可以看出，單元缸相關(guān)故障（01、03）故障占轉(zhuǎn)向架總故障的49.72%，幾乎占了轉(zhuǎn)向架故障的一半，單元缸類故障涉及客車制動能力好壞，重要度極高，除各級管理、檢查人員需要多關(guān)注此類故障外，相關(guān)技術(shù)人員在進行運用技術(shù)改進時也應(yīng)該重視，從外形、材質(zhì)、加工方式和尺寸等方面進行改進與創(chuàng)新。

圖2? 轉(zhuǎn)向架各零部件故障模式占比圖

2.2? 轉(zhuǎn)向架故障危害度定量分析

根據(jù)前面介紹的FEMCA故障分析方法，上述FMEA分析只是對各類故障發(fā)生的概率大小進行了統(tǒng)計排序，屬于對故障模式危害度的定性分析，但是各故障模式對系統(tǒng)的危害度大小并沒有體現(xiàn)出來，某些故障雖然發(fā)生的頻次不高，卻可能是致命性的，因此需要在故障模式分析的基礎(chǔ)上結(jié)合故障模式危害度來綜合分析，即CA分析[9]。CA分析是一種重要的定量故障分析方法，可以在FMEA分析的基礎(chǔ)上對各故障模式對危害度進行量化分析，從而可以更直觀地發(fā)現(xiàn)各個故障模式的危害度數(shù)值，對危害度高的，可以針對性地制定相應(yīng)的防范措施。

根據(jù)FMECA可靠性分析方法，故障危害度Cmj是產(chǎn)品在特定的故障嚴(yán)重等級級別下第j 個故障模式所具有的危害度值

Cmj=λp×αj×βj×t。

式中：λp為故障率；αj為故障模式比率；βj為故障影響概率；t為工作時間或運行公里。

故障率λ是指單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率[10]。故障模式比率α為上文所計算出的故障頻次。故障影響概率β是指產(chǎn)品以某種故障模式出現(xiàn)時使產(chǎn)品喪失功能的條件概率，通常在故障嚴(yán)重度等級分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為的經(jīng)驗判斷。

嚴(yán)重度等級是指某種故障模式發(fā)生后對過程或產(chǎn)品危害的嚴(yán)重程度，嚴(yán)重度等級定義見表3，按照嚴(yán)重程度的不同，將故障分為4個等級。Ⅰ級故障也稱為致命故障，其發(fā)生可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能故障，危及行車安全，導(dǎo)致人員傷亡；Ⅱ級故障也稱為嚴(yán)重故障，這類故障的發(fā)生會讓功能部件的性能下降，進而影響列車的行車安全；Ⅲ級故障也稱為普通故障，此類故障不影響列車的行車安全，但會使列車的行駛性能下降，此類故障可以短時間內(nèi)修復(fù)；Ⅳ級故障是輕度故障，這類故障的發(fā)生一般不會導(dǎo)致功能性下降，也可以快速進行修復(fù)。

表3? 嚴(yán)重度等級定義表

根據(jù)故障嚴(yán)重度等級，對209型轉(zhuǎn)向架各故障型式進行分類，心盤螺母松動，輪對擦傷、剝離、裂紋，閘片、閘瓦偏磨、到限這3類故障屬于Ⅰ級故障；縱向牽引拉桿松、開口銷折斷，單元缸金屬軟管磨碰，油壓減振器漏油，側(cè)承間隙不符這4類故障屬于Ⅲ級故障，其余幾種常見故障都屬于Ⅱ級故障。具體的209型轉(zhuǎn)向架故障的嚴(yán)重度等級劃分見表4。

表4? 209型轉(zhuǎn)向架故障的嚴(yán)重度等級劃分表

故障影響概率等級見表5。其中βj為故障影響概率。

表5? 故障影響概率等級表

基于嚴(yán)重度等級定義表、209型轉(zhuǎn)向架故障的嚴(yán)重度等級劃分表、故障影響概率等級表，再根據(jù)車輛段里先進技術(shù)人才的人為經(jīng)驗判斷，得出209型轉(zhuǎn)向架故障的故障影響概率見表6。

表6? 209型轉(zhuǎn)向架故障的故障影響概率表

通過上述數(shù)據(jù)，計算得到轉(zhuǎn)向架故障模式危害度Cmj，分析見表7。

表7? 故障模式危害度分析表

從表7可以看出所分析出的典型故障危害度排名從高到低的順序為：01單元缸防塵罩脫（排名不變）→02油壓減振器安裝螺栓松動（排名不變）→03單元缸金屬軟管磨碰（排名不變）→05閘片、閘瓦偏磨、到限（排名上升）→04油壓減振器漏油（排名下降）→06側(cè)承間隙不符（排名不變）→07輪對擦傷、剝離（排名不變）→08軸箱導(dǎo)柱套上竄（排名不變）→11閘片托組裝螺栓松脫（排名上升）→10軸箱彈簧折斷（排名不變）→12手制動機鋼絲繩斷（排名上升）→09縱向牽引拉桿松、開口銷折斷（排名下降）→13搖枕安全吊折斷（排名不變）→14心盤螺母松動（排名不變）。

從以上順序可以看出，考慮到故障嚴(yán)重等級以后，故障危害度的數(shù)值順序與表2的故障頻率順序相比是有變化的，只看故障頻率的高低無法判斷出此類故障的危害程度。

2.3? 轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣圖

危害度矩陣是綜合了故障嚴(yán)重度和危害度這2個因素，用來確定每一種失敗模式的危害程度的矩陣圖形，其橫坐標(biāo)表示嚴(yán)重度等級，縱坐標(biāo)表示故障模式危害度，將每一種故障模式標(biāo)在故障模式危害矩陣圖中，得到系統(tǒng)各故障模式的分布點，并將其沿著對角線的方向與坐標(biāo)原點連成一條直線。分布點距離原點越遠，則該故障模式對系統(tǒng)的危害度越大，表明是檢修與工藝改進及技術(shù)創(chuàng)新時需要重點考慮的點。

根據(jù)表4與表7的數(shù)據(jù)，最終得到的轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣如圖3所示。

圖3? 轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣圖

從圖3可以看出，影響轉(zhuǎn)向架安全運行危害度較大的前5個故障模式分別為單元缸防塵罩脫，油壓減振器安裝螺栓松動，閘片、閘瓦偏磨、到限，輪對擦傷、剝離，心盤螺栓松動。其中，故障模式01（單元缸防塵罩脫）影響了對單元缸螺桿的保護，導(dǎo)致單元缸螺桿轉(zhuǎn)動磨耗增加或卡滯，影響車輛的制動性能；故障模式02（油壓減振器安裝螺栓松動）影響油壓減振器的固定效果，嚴(yán)重時油壓部件脫落影響客車的運行品質(zhì)；故障模式05（閘片、閘瓦偏磨、到限）影響車輛制動功能，隨著閘片、閘瓦磨耗程度的加深對輪對的影響也逐漸加大；故障模式07（輪對擦傷、剝離）可能導(dǎo)致車輛輪對跳動，影響客車運行品質(zhì)的同時，還可能導(dǎo)致車輛輪對脫軌，造成嚴(yán)重的后果；故障模式14（心盤螺栓松）可能導(dǎo)致心盤發(fā)生位移，嚴(yán)重時可能切斷心盤螺栓，影響心盤傳遞車輛的垂直載荷及縱向、橫向載荷。

單元缸防塵罩脫數(shù)量巨大，建議通過對其材質(zhì)的研究進行控制；油壓減振器安裝螺栓松動屬于常發(fā)故障范圍，由車輛振動引起，建議通過相關(guān)檢查人員的加強檢查進行控制；閘片、閘瓦偏磨、到限故障除其材質(zhì)影響外，也與相關(guān)修理人員不履行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，未成對更換或懶于更換引起，建議加強相關(guān)檢修人員職業(yè)素養(yǎng)進行控制；輪對擦傷、剝離故障較少，但影響極大，建議通過TPDS系統(tǒng)進行跟蹤檢查，并落實月度輪對專項修理相關(guān)要求進行控制；心盤螺栓松動故障極少發(fā)生，日常檢修人員對該部位的檢查較為疏漏，建議督促相關(guān)檢查人員加強該部位故障查找進行控制。

值得注意的是，故障模式01（單元缸防塵罩脫）會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能下降，進而影響車輛的制動性能，又由于其發(fā)生概率很高，所以雖然其嚴(yán)重等級不高，但危害度還是排在了第1位；故障模式07（輪對擦傷、剝離）、故障模式14（心盤螺栓松動）都影響著轉(zhuǎn)向架的受力情況，嚴(yán)重時都會影響車輛的運行安全，所以雖然其故障發(fā)生概率較低，但危害度排在了前5。

因此，通過一系列的分析可以得出，針對上述5類209型轉(zhuǎn)向架故障類型，相關(guān)管理人員及作業(yè)人員在技術(shù)改進和運用檢查工作中應(yīng)予以充分的重視，這樣不僅可以維持列車在運行中的良好運行品質(zhì)，還可以減少檢修的次數(shù)與檢修時長，提高經(jīng)濟效益，保障列車的行車安全。

3? 結(jié)論

1）本文根據(jù)209型轉(zhuǎn)向架在實際服役過程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)，采用FMECA故障分析方法，統(tǒng)計、分析并計算出209型轉(zhuǎn)向架各故障模式發(fā)生的頻率高低、故障嚴(yán)重度、故障影響概率，在此基礎(chǔ)上，對其危害度進行定量計算分析，據(jù)此得到209型轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣，得出影響轉(zhuǎn)向架安全運行危害度較大的前5個故障模式，對其提出日常檢查控制的建議，對209型轉(zhuǎn)向架維修計劃的制訂和故障診斷提供有效的信息。

2）本故障分析方法對于其他類型轉(zhuǎn)向架及列車其他零部件的故障分析和研究具有一定的參考價值。

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