夏軍，任金寶，季海燕

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于模糊FMECA的地鐵車門可靠性分析

夏軍，任金寶，季海燕

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

利用傳統(tǒng)的FMECA方法對地鐵車門進行可靠性分析，會因為評價因素多且故障描述語言及評判指標(biāo)的不確定性和模糊性，難以得出精確有效的分析結(jié)果。利用模糊綜合評判方法對傳統(tǒng)FMECA方法進行改進，形成模糊FMECA方法。將模糊FMECA方法應(yīng)用于地鐵車門系統(tǒng)三個部件的可靠性分析中，根據(jù)危害度評判結(jié)果得出車門部件各故障模式的危害等級排序，從而找出車門系統(tǒng)的可靠性改進和維修的重點。分析結(jié)果與實際情況吻合，驗證了該方法的有效性，說明模糊FMECA方法對提高車門系統(tǒng)可靠性有重要價值。

車門系統(tǒng)；可靠性；模糊綜合評判；FMECA

0 引言

隨著地下軌道交通的大力發(fā)展，地鐵列車在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。地鐵車門系統(tǒng)作為乘客上下地鐵列車的通道，其可靠性關(guān)系到乘客的人身安全能否得到保障和地鐵列車能否正常安全運營。FMECA方法是一種常用的系統(tǒng)可靠性分析的方法，采用表格的形式統(tǒng)計分析出系統(tǒng)各個零部件的故障模式、故障原因、故障影響、嚴(yán)重度以及補償措施等信息，然后根據(jù)現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)進行危害性分析，進而求得系統(tǒng)各零部件的關(guān)鍵故障模式或薄弱環(huán)節(jié)。

但是，傳統(tǒng)的FMECA是界限分明的確定性方法，“非此即彼”、“非好即壞”，忽略了實際存在的中間態(tài)不確定性以及語言描述的模糊性、影響因素的復(fù)雜性等問題，對各部件進行定量分析時存在一定難度，需要有經(jīng)驗的工作技術(shù)人員將模糊指標(biāo)定量化。文中將模糊綜合評判的方法融入到傳統(tǒng)的FMECA方法中形成模糊FMECA方法[1]，用定量方法處理定性問題，將各部件的故障模式的危害性清楚表示出來，使傳統(tǒng)的FMECA方法變得更加科學(xué)化，并將其應(yīng)用到地鐵車門系統(tǒng)的可靠性分析中。

1 模糊FMECA方法基本原理

模糊FMECA主要應(yīng)用模糊關(guān)系的特性，從多因素角度對被評估事物隸屬等級狀況進行綜合評估，從而對傳統(tǒng)FMECA方法進行改進形成的更科學(xué)化的方法。模糊FMECA的基本流程圖如圖1所示：

圖1 模糊FMECA基本流程圖

模糊FMECA方法的基本步驟[2-3]如下：

1) 建立因素集

因素集是影響評估對象的各因素集合，不同元素代表不同影響因素。因素集通常用U表示，如故障模式k評估分析的因素集可以表示為：

(1)

2) 建立評價集

評價集是由對評價對象可能做出的評價結(jié)果所組成的集合，通常用V表示，即

V={V1,V2,…,Vj…Vm}

(2)

式中：Vj表示評價等級的第j個等級，m為評價分級數(shù)。

3) 建立模糊評價矩陣

(3)

將第k個故障模式的各因素評價集寫成故障模式k模糊因素水平評價矩陣為：

(4)

4) 確定各影響因素權(quán)重集

權(quán)重集是為了反映各影響因素的重要程度而賦予的相應(yīng)權(quán)數(shù)所組成的集合。權(quán)重確定的恰當(dāng)與否，直接影響綜合評判結(jié)果。通常運用層次分析法求權(quán)重集，具體步驟如下[6]：

(5)

在文中采用最常用的方根法求各影響因素權(quán)重。方根法的基本過程是將判斷矩陣A的各行向量進行幾何平均，然后歸一化，得到排序權(quán)重向量。計算步驟如下：

a) 計算判斷矩陣A各行元素乘積的n次方根：

(6)

b) 對向量M歸一化：

(7)

c) 計算判斷矩陣A的最大特征值：

(8)

式中:(AW)i為AW的第i個分量。

計算出判斷矩陣的最大特征根λmax及其所對應(yīng)的特征向量之后，再進行一致性檢驗，計算一致性比率Rc：

Rc=IC/IR

(9)

式(9)中，指數(shù)IC為一致性指標(biāo)，IC=(λmax-n)/(n-1)，IR表示判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)，通過查找文獻得知，當(dāng)n=3時，IR=0.58；n=4時，IR=0.90；n=5時，IR=1.12。

當(dāng)Rc<0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。

5) 1級模糊綜合評估

將故障模式k的因素權(quán)重集改寫為向量形式。則:

(10)

式中：Bk為故障模式k的模糊綜合評價向量。

6) 綜合危害等級的確定

為了更直觀地看出結(jié)果，通過加權(quán)平均法對Bk進行處理，得到一個簡單數(shù)值C來表示評價結(jié)果，即：

C=B·VT

(11)

7) 多級模糊綜合評價

實際的復(fù)雜系統(tǒng)由多級子系統(tǒng)構(gòu)成，進行多級模糊綜合評價時，首先對底層子系統(tǒng)各故障模式分別進行l(wèi)級模糊綜合評價[7-8]，得到其模糊綜合評價向量和綜合危害等級分，然后將子系統(tǒng)的各故障模式作為2級模糊綜合評價的影響因素，即:

U={故障模式1，故障模式2，…，故障模式k}因素水平集V不變，再用層次分析法求出各影響因素的權(quán)重集，利用模糊綜合評價法對系統(tǒng)進行綜合評價。采用此方法可以得到2級模糊綜合評價，再依此類推，便可以得到系統(tǒng)的多級模糊評價。

3 地鐵車門的模糊FMECA分析

通過對國內(nèi)某地鐵二號線車門系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以得知門控器EDCU、車門關(guān)閉行程開關(guān)和螺母組件是車門系統(tǒng)中故障率最高的三個部件，現(xiàn)以此三個部件為例，利用模糊FMECA方法對其進行可靠性分析。

EDCU、車門關(guān)閉行程開關(guān)和螺母組件的FMEA分析結(jié)果如表2所示。

在FMEA分析的基礎(chǔ)上，對故障模式分別進行模糊綜合評價，其步驟如下：

1) 建立因素集

在對車輛塞拉門系統(tǒng)進行故障危害性評價時采用因素集[9]：

U={故障概率，嚴(yán)重度，檢測難易程度，維修難易程度}

2) 建立評價集

3) 建立故障模式的模糊評價矩陣

應(yīng)用同樣的方法可以確定故障模式2-10的模糊評價矩陣分別為：

；；

表3 因素水平等級劃分表

4) 確定各故障模式的因素權(quán)重集

經(jīng)過十位專家的評定，故障模式1各個影響因素的判斷矩陣及權(quán)重如表4所示。

表4 故障模式1的各影響因素權(quán)重

計算可得Rc=0.0438<0.1，說明判斷矩陣的一致性可以接受。因此，可以確定故障模式1的因素集對應(yīng)的權(quán)重向量為：W1=[0.564,0.263,0.055,0.018]。

其余各故障模式的影響因素均采用與故障模式1相同的權(quán)重向量，即：

5) 各故障模式的1級模糊綜合評價

故障模式1的一級模糊綜合評價向量為：

應(yīng)用同樣的方法可以求出其余故障模式2-10的一級模糊綜合評價向量分別為：

6) 綜合危害等級的確定

故障模式1的綜合危害度等級為C1=B1VT=2.106。

應(yīng)用同樣的方法可以計算出其余各故障模式的綜合危害等級分別為C2=3.233，C3=2.426，C4=1.886，C5=2.154，C6=2.364，C7=1.187，C8=1.388，C9=1.79，C10=1.994。

7) 2級模糊綜合評價

根據(jù)綜合危害度大小，可知地鐵車門系統(tǒng)故障率最高的三個部件中，危害度最大的是門控器EDCU，其次是關(guān)閉行程開關(guān)S1，螺母組件最小。

門控器EDCU中，危害度最大的故障模式是功能失效，其次是插頭松動。關(guān)閉行程開關(guān)中，危害度最大的故障模式是破損，其次是功能失效，危害度最小的是間隙異常。螺母組件中，故障模式危害度從大到小排列為：破損、功能失效、松動、安裝角度失調(diào)、潤滑不良。因此門控器EDCU需要重點關(guān)注，是可靠性改進的重點，而門控器EDCU子系統(tǒng)中的功能失效問題更是重中之重。經(jīng)某地鐵現(xiàn)場調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，這一評判結(jié)果與事實相符。

利用同樣方法可以計算車門系統(tǒng)其他組成部件的故障綜合危害等級，并進行危害度優(yōu)先排序，從中找出危害性最大的部件，對其提出相應(yīng)的可靠性改進措施，為提高車門系統(tǒng)的可靠性提供有價值的參考。

4 結(jié)語

提出了基于模糊綜合評判的模糊FMECA方法，能有效解決傳統(tǒng)FMECA中的難以處理的模糊性和不確定性問題，將定性評價指標(biāo)定量化，使可靠性分析結(jié)果更科學(xué)、準(zhǔn)確、合理。利用模糊FMECA方法對車門系統(tǒng)故障率最高的三大組成部件的可靠性進行分析，得出門控器EDCU、車門關(guān)閉行程開關(guān)和螺母組件的各故障模式和此三部件的綜合危害等級的排序。經(jīng)地鐵公司現(xiàn)場調(diào)查分析，此評判結(jié)果與實際情況相符合。根據(jù)此結(jié)果有針對性的進行可靠性改進，有利于提高車門系統(tǒng)的可靠性水平，并為將模糊FMECA方法推廣到整個列車系統(tǒng)提供了一定的借鑒意義。

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Reliability Analysis of Metro Door System Based on Fuzzy FMECA

XIA jun, REN Jin-bao, JI Hai-yan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The traditional FMECA is used to analyze the reliability of metro door system,Due to many fuzzy and uncertain evaluation indexes, it is difficult to obtain an accurate and effective result. This paper uses the fuzzy comprehensive evaluation to improve the traditional FMECA which is formed into a fuzzy FMECA. Then, the fuzzy FMECA method is applied in the reliability analysis of the door’s three components. According to the criticality, all failure modes are ranked and the emphases of reliability improvement and maintenance are found. The analysis result shows that the fuzzy FMECA method is helpful to the improvement of metro door reliability.

door system; reliability; fuzzy comprehensive evaluation; FMECA

國家自然科學(xué)基金資助項目(1074151)；國家科技支撐計劃項目(T1DB300020，T1DB200010)；鐵道部科技研究計劃項目(2010X008)

夏軍(1988-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，從事城市軌道交通車輛的可靠性分析。

U231+.92；TP273+.4

B

1671-5276(2014)02-0184-04

2013-02-12