衛(wèi)緯，張紅元，張雯，金琦，邢宗義，任金寶

(1.國家知識產(chǎn)權局專利審查協(xié)作北京中心機械部車輛工程一室，北京100190；2.南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094；3.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

0 引言

軌道交通車輛是城市軌道交通系統(tǒng)中最關鍵、最復雜的系統(tǒng)之一，涉及機械、電氣、控制、材料等多領域。在城軌車輛系統(tǒng)中，客室車門系統(tǒng)占有重要的位置。根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，在軌道交通車輛系統(tǒng)中，客室車門系統(tǒng)的故障數(shù)占車輛系統(tǒng)總故障率的比重高達30%［1］。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，客室車門系統(tǒng)嚴重威脅了客車運行的安全性。因此，對城軌車輛客室車門系統(tǒng)進行可靠性分析以及應用研究，對于保證城軌車輛運行安全具有十分重要的意義和實用價值。

為了有效地降低客室車門的故障，確保列車的正常運營，本文在對地鐵車輛進行故障模式分析的基礎上，結合故障歷史數(shù)據(jù)建立車門的故障樹，通過定性分析底事件故障，確定最小割集。采用定量分析的方法進行系統(tǒng)頂事件可靠性計算，從而分析系統(tǒng)故障發(fā)生概率。

1 故障樹的基本概念

故障樹分析，就是通過建立以確定的系統(tǒng)故障事件為頂事件，按照由總體至部分、由頂事件到底事件的故障樹，以直接造成故障事件的可能因素為枝干，以不能分解的零部件的故障模式為枝葉，直觀展示故障的傳播［2，3］。

1.1 故障樹定性分析

故障樹的定性分析，最主要的作用是找出導致頂事件發(fā)生的故障模式及其集合{Ei}，即求出故障樹的所有最小割集。最小割集可以幫助判別潛在的故障，判定系統(tǒng)可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)，為指導故障診斷、改進維修方案提供決策。常用的求最小割集的方法有兩種:下行法和上行法。這兩種方法都是通過嚴格的演繹法求得系統(tǒng)故障模式，能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的潛在故障，避免遺漏。

1.2 故障樹定量分析

故障樹的定量分析主要有兩部分:1)根據(jù)系統(tǒng)各底事件的發(fā)生概率求出系統(tǒng)的發(fā)生概率。2)求出各底事件或最小割集的關鍵重要度，根據(jù)關鍵重要度的大小排序可找出最佳排故次序，確定薄弱環(huán)節(jié)。

在計算頂事件發(fā)生概率時，通常由于復雜故障樹的最小割集數(shù)目較大，采取近似的方法計算頂事件的概率。常用方法有:

1)由容斥定理部分項近似法。設系統(tǒng)有N個最小割集，分別為E1，E2，…，En。則使用容斥定理計算得到系統(tǒng)失效的頂事件的概率P( T)為:

在計算中，采用前兩項的平均，則系統(tǒng)故障發(fā)生概率為:

其中

2)獨立近似法。除了相斥事件和的公式最為簡單外，獨立事件和的公式也比容斥定理計算量小得多，根據(jù)經(jīng)驗，割集發(fā)生概率＜0.1時，采用獨立近似得到的計算結果往往能滿足要求。

在計算單元的關鍵重要度時，定義關鍵重要度為系統(tǒng)故障概率變化率和導致該變化率的單元故障概率變化率的比值。單元關鍵重要度可以同時反映該單元的單元概率重要度的影響，和該單元故障率改進的難易程度，因此是最重要的重要度指標，其計算公式如下:

式中，Icr(j)為第j個單元的關鍵重要度；Qs為系統(tǒng)故障發(fā)生概率。

2 塞拉門系統(tǒng)的故障樹建立

2.1 塞拉門系統(tǒng)簡介及故障模式分析

城市軌道車輛自動塞拉門系統(tǒng)由門扇、機構和控制系統(tǒng)組成；門扇包括門板、玻璃、膠條和其他零件等；機構包括驅(qū)動裝置、傳動裝置、承載導向裝置、鎖閉裝置、操作開關等；控制系統(tǒng)包括電子門控器(EDCU)、執(zhí)行器件、檢測器件等。每扇客室車門均有開啟和關閉、障礙物檢測、緊急開門及退出服務等功能［4，5］。車門系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 車門系統(tǒng)原理示意圖

車門執(zhí)行開關門動作時，門控器發(fā)出開關門指令控制電機驅(qū)動，電機通過鎖閉裝置與傳動裝置連接，門扇在承載導向等機構輔助作用下完成相應的開關門動作。內(nèi)外部操作開關供乘客或司機在緊急情況下手動解鎖開門。

車門系統(tǒng)的功能就是方便乘客通行，為避免不可預知的危險發(fā)生，車門系統(tǒng)控制機制被設計趨向關門操作或保持關門狀態(tài)，這樣可以最大限度地保障乘客安全。車門系統(tǒng)若不能良好地完成開關門等功能，則認為車門系統(tǒng)出現(xiàn)故障。結合客室車門故障歷史和故障模式分析，本文針對車門故障進行詳細、系統(tǒng)的分析，總結主要有以下車門故障現(xiàn)象:

1)車門開門動作故障，是指列車進站時司機按下開門按鈕出現(xiàn)車門不能打開或者車門打開延時；

2)車門關門故障，是指司機按下關門按鈕時出現(xiàn)車門不能關閉、車門關閉延時等；

3)車門自動開關門故障，是指車門在列車運行時自動打開車門，車門在開啟時自動關門；

4)車門指示燈故障，是指開門時黃燈異常閃亮或者不亮，關門時指示黃燈常亮，車門切除紅燈常亮等故障；

5)車門開關門異響故障；

6)操作裝置故障，指解鎖復位難、不能緊急解鎖等內(nèi)外操作裝置故障和車門切除功能故障。

對車門系統(tǒng)進行分析得到，車門故障模式一般包括機械故障和控制故障兩部分。機械故障一般包括機械形位變化(位置失調(diào))引起的故障、機械零部件損壞引起的故障和質(zhì)量退化引起的故障?？刂葡到y(tǒng)故障主要包括電子元件功能退化引起的故障，如EDCU故障、車門行程開關故障等。

2.2 塞拉門系統(tǒng)故障樹建立

根據(jù)塞拉門故障模式分析建立車門故障樹模型，圖2為塞拉門系統(tǒng)故障樹模型，圖3為塞拉門系統(tǒng)故障樹模型子節(jié)點。由故障樹可知，直接引起列車車門系統(tǒng)未能正常工作的主要原因有5個中間事件；直接和間接引起這5個中間事件的共有10個中間事件和38個基本事件，表1所示為車門系統(tǒng)故障樹的事件列表。

3 車門系統(tǒng)的可靠性分析

3.1 定性分析

采用上行法計算車門系統(tǒng)故障樹的最小割集，得到車門系統(tǒng)故障樹的布爾表達式如式(5)所示。

因此車門系統(tǒng)故障得到38個最小割集，可知車門系統(tǒng)故障的最小割集均為一階割集，形成如此多的一階割集，主要是因為該車門系統(tǒng)的各功能單元沒有冗余單元，并且在系統(tǒng)工作流程中這些功能單元都是必不可少的。對這樣的系統(tǒng)結構，要保證系統(tǒng)可靠性達到一定的高水平，必須嚴格保證單元可靠性，在設計和制造過程必須采用相應措施，對最小割集對應的相關零部件的設計、研制、裝配等過程更應該嚴格要求、嚴格把關。

圖2 塞拉門故障樹

圖3 塞拉門系統(tǒng)故障樹子節(jié)點

表1 車門系統(tǒng)故障樹事件表

續(xù)表1

3.2 定量分析

根據(jù)現(xiàn)有資料、經(jīng)驗和廣州地鐵運營線近幾年積累的故障記錄，統(tǒng)計得到城軌車輛車門系統(tǒng)的各底事件的失效概率λi，在列車實際運行中，每列車平均每天運行時間為12h，列車回庫后即進行日檢，保證第二天的運行質(zhì)量。因此在計算系統(tǒng)部件發(fā)生概率時，取各元件的工作時間t為12h。由統(tǒng)計時所得的底事件的故障率，計算可得各基本事件的發(fā)生概率為F( i)=1-exp(-λit)［6］，則底事件故障發(fā)生概率如表2所示。

表2 塞拉門系統(tǒng)故障樹底事件的發(fā)生概率p(xi)和關鍵重要度

采用式(2)，計算得到車門系統(tǒng)故障樹頂事件的發(fā)生概率Fs和系統(tǒng)可靠度Rs分別為:

故知城軌車輛車門系統(tǒng)的故障發(fā)生概率為0.038 8，車門系統(tǒng)的可靠度為0.961 2。計算結果表明車門系統(tǒng)的可靠性保持在較高水平，這與廣州地鐵運行的情況相符。

根據(jù)式(5)計算得到車門故障樹最小割集的關鍵重要度如表2。根據(jù)重要度的分析，可得出EDCU內(nèi)部模塊故障(x6)、螺母副故障(x33)、鎖閉開關S1故障(x8)、關門到位開關S4故障(x9)的概率重要度和關鍵重要度均比其他組件要高，為影響車門系統(tǒng)可靠性的關鍵部件，加強對這些部件的維護和管理，可以提高車門系統(tǒng)的可靠性。

4 結論

研究城軌車輛塞拉門系統(tǒng)的可靠性，首先分析塞拉門系統(tǒng)故障模式，然后建立塞拉門系統(tǒng)故障樹模型，最后采用故障樹定性定量分析方法，計算得到塞拉門系統(tǒng)整體的可靠度指標——故障率和初始事件的關鍵重要度指標。

車門系統(tǒng)故障樹分析結果表明影響車門的主要部件有EDCU、螺母副故障、行程開關、絲桿故障等。在分析車門系統(tǒng)故障時發(fā)現(xiàn)，影響車門運行性能的因素除了系統(tǒng)部件性能因素，還包括外部環(huán)境因素、人為因素等，如司機誤操作、乘客擅自啟用緊急設備等。通過將故障多發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)反饋給技改人員，可以制定更加合理的改進方案，比如針對薄弱環(huán)節(jié)，可設計冗余結構，針對人為因素，可加強乘客的相關知識的教育，最終改善車門運行性能，提升地鐵公司服務水平。

［1］時旭.地鐵車門系統(tǒng)故障診斷與維修決策的方法研究［D］.北京:北京交通大學，2009.

［2］全達，孫秀芳，王緬.基于故障樹分析法的識別單元可靠性分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2012(4):122-125，93.

［3］蘇國強，李小寧，滕燕.氣動點焊伺服焊槍實驗平臺及故障模式研究［J］.機械制造與自動化，2012(02):37-40，61.

［4］陳超.城市軌道車輛自動塞拉門系統(tǒng)研究［D］.南京:南京理工大學，2003(12).

［5］劉鈞.上海軌道交通5號線車門系統(tǒng)的FMECA分析和應用研究［J］.地下工程與隧道，2010(4):39-42.

［6］姚玉成.液壓系統(tǒng)可靠性(第一版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.