周新力

(中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司廣州動(dòng)車段 廣東 廣州 511483)

0 引言

“復(fù)興號(hào)”中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組是我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的高速動(dòng)車組，代表著世界高鐵技術(shù)的領(lǐng)先水平。本文運(yùn)用故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effect And Criticality Analysis,以下簡(jiǎn)稱FMECA)技術(shù)，通過(guò)提取動(dòng)車段配屬的CR400AF型動(dòng)車組運(yùn)用檢修中的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)高壓牽引系統(tǒng)發(fā)生概率高、危害度大的故障模式進(jìn)行研究分析，并采取相應(yīng)整治措施，以保證高壓牽引系統(tǒng)安全可靠性。

1 FMECA簡(jiǎn)介

FMECA是一種常用的系統(tǒng)可靠性分析方法,包括故障模式及影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)。通過(guò)分析系統(tǒng)所有可能發(fā)生的故障模式對(duì)其造成的影響，并結(jié)合每一個(gè)故障模式發(fā)生的頻次，從而歸納得到其嚴(yán)重和危害程度，并按照故障模式的危害程度大小進(jìn)行分級(jí)，對(duì)危害程度較大的薄弱環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施[1]。

FMECA通常采用的分析方法有兩種：硬件法和功能法。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，往往采用硬件法和功能法相結(jié)合的組合法[2]。硬件法是一種將系統(tǒng)零部件按照功能層次結(jié)構(gòu)，對(duì)所有可能發(fā)生的故障模式進(jìn)行分析的方法，并根據(jù)硬件系統(tǒng)功能的不同，對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。因本文研究對(duì)象為CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)，其基本功能較為明確，故采用硬件法。

故障模式危害度評(píng)價(jià)可采用定性分析和定量分析。當(dāng)沒(méi)有具體故障率數(shù)據(jù)時(shí)，往往采用定性分析，通過(guò)計(jì)算某一故障模式發(fā)生的概率(該故障模式占全部故障模式發(fā)生總數(shù)的百分比)來(lái)確定。本文采用定性分析來(lái)評(píng)價(jià)FMECA所確定的故障模式。

2 高壓牽引系統(tǒng)功能框圖及故障模式統(tǒng)計(jì)

2.1 高壓牽引系統(tǒng)功能框圖

在FMECA分析中，往往需要描述分析對(duì)象的組成及各組成部分之間的相互聯(lián)系。為更加直觀地描述系統(tǒng)各分析對(duì)象的工作情況和物理關(guān)系，可采用繪制系統(tǒng)功能框圖的方法，表明各分析對(duì)象之間的聯(lián)系[3]。

按照系統(tǒng)功能原理劃分，CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)由主電路設(shè)備系統(tǒng)、牽引變壓系統(tǒng)、牽引變流系統(tǒng)和電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)共四個(gè)部分組成。每部分又下分各子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間是樹(shù)狀結(jié)構(gòu)關(guān)系[4]，如圖1所示。

圖1 CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)功能框圖

CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)基本工作原理為：通過(guò)設(shè)置在TC03、TP06車的受電弓從接觸網(wǎng)受流AC 25 kV/50 Hz交流電，經(jīng)牽引變壓器變壓、牽引變流器整流逆變等環(huán)節(jié)后，轉(zhuǎn)換為可變頻變壓的交流電輸入到牽引電機(jī)，完成牽引傳動(dòng)工作；同時(shí)輔助變流器從牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)取電，將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，并經(jīng)輔助變壓器、充電機(jī)等設(shè)備轉(zhuǎn)換后輸出AC 380 V及DC 110 V等電壓供車內(nèi)輔助供電設(shè)備使用。

CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

2.2 故障模式統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)某動(dòng)車段自2019年1月至2019年9月期間，上線運(yùn)營(yíng)的CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)運(yùn)用檢修故障數(shù)據(jù)，得出其18種常見(jiàn)故障模式，其中高壓受流、變壓器冷卻單元子系統(tǒng)、變流器冷卻單元子系統(tǒng)發(fā)生故障次數(shù)較多，累計(jì)故障率分別占到43.84%、25.39%、12.31%，是高壓牽引系統(tǒng)的主要故障。

3 高壓牽引系統(tǒng)FMECA分析

3.1 故障模式概率等級(jí)劃分

采用定性分析法，根據(jù)故障模式發(fā)生的概率來(lái)進(jìn)行故障模式的危害度評(píng)價(jià)，并按照一定的規(guī)定劃分成不同概率等級(jí)。根據(jù)EN 50126標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)綜合考慮高速鐵路行業(yè)特點(diǎn)[5]，故障模式概率等級(jí)劃分如表1所示。

表1 故障模式概率等級(jí)定義

3.2 故障模式嚴(yán)重度等級(jí)劃分

通過(guò)定性分析得到所有故障模式的發(fā)生概率，并進(jìn)行了等級(jí)層次劃分，但并沒(méi)有體現(xiàn)出故障模式的嚴(yán)重程度，即有的故障模式發(fā)生的概率較低，但其危害程度卻可能較高，如真空主斷路器減壓閥漏風(fēng)故障，故障統(tǒng)計(jì)期間僅發(fā)生1次，但該故障直接導(dǎo)致啟用熱備動(dòng)車組，影響到動(dòng)車組正點(diǎn)開(kāi)行，其故障危害度較高。因此進(jìn)行FMECA分析時(shí)，需要進(jìn)行故障模式嚴(yán)重度等級(jí)劃分，用來(lái)評(píng)估故障模式可能造成的危害程度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CR400AF型動(dòng)車組故障模式嚴(yán)重度等級(jí)劃分如表2所示。

表2 故障模式嚴(yán)重度等級(jí)定義

3.3 危害性分析表格

對(duì)統(tǒng)計(jì)得出的CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)18種常見(jiàn)故障模式，從故障原因、故障影響、發(fā)生概率等級(jí)、嚴(yán)重度等級(jí)及處置措施進(jìn)行分析，得出CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)危害性分析表格，如表3所示。

表3 CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)危害性分析表格

3.4 危害度矩陣

危害度矩陣能夠直觀地比較每個(gè)故障模式的危害程度。根據(jù)前文得到的CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)危害性分析表格，將每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重度等級(jí)、概率等級(jí)分別對(duì)應(yīng)填入到危害度矩陣的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)中，得到故障模式分布點(diǎn)，如圖3所示。然后將故障模式分布點(diǎn)投影到矩陣對(duì)角線上，投影點(diǎn)到原點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，表明該故障模式的危害度越大，越需要關(guān)注該故障，需采取相應(yīng)整治措施的優(yōu)先級(jí)更大。

圖3 高壓牽引系統(tǒng)危害度矩陣

從高壓牽引系統(tǒng)危害度矩陣可以看出，故障模式1、2、3、7危害度較高，分別對(duì)應(yīng)受電弓嚴(yán)重故障、受電弓自動(dòng)降下、真空主斷路器漏風(fēng)、油位過(guò)低報(bào)警故障。當(dāng)發(fā)生上述故障時(shí)，輕則導(dǎo)致列車部分牽引丟失，重則影響高壓正常受流，導(dǎo)致列車無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。因此，運(yùn)用部門(mén)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述故障并采取整治措施。

針對(duì)上述故障，運(yùn)用中分別采取了更換故障受電弓閥板、更換碳滑板、換用新型主斷減壓閥和主變壓器加壓排氣的整治措施，保證了CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

故障模式4網(wǎng)壓中斷故障概率等級(jí)為A級(jí)，故障概率較高，雖然嚴(yán)重度等級(jí)較低為V類，但其危害度仍較高。針對(duì)該故障，已納入動(dòng)車組源頭質(zhì)量整治項(xiàng)目“CR400AF型動(dòng)車組網(wǎng)壓中斷問(wèn)題牽引變流器軟件升級(jí)”中，整治后發(fā)生該故障的次數(shù)大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)CR400AF型動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)運(yùn)用檢修故障數(shù)據(jù)，基于FMECA方法，綜合分析了高壓牽引系統(tǒng)18種常見(jiàn)故障模式，從故障模式概率等級(jí)和嚴(yán)重度等級(jí)兩個(gè)維度對(duì)其危害度進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)危害度矩陣得出危害度較高的故障模式，制定相應(yīng)的整治措施，保證了高壓牽引系統(tǒng)可靠性。