基于GO法地鐵車輛客室車門可靠性評價*

董軍哲 楊建偉 黃 強

(1.太原科技大學機械電子工程學院，030024，太原;2.北京建筑工程學院機電與汽車工程學院，100044，北京;3.中國鐵道科學研究院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生)

地鐵列車運營線路站距短，客室車門開啟關閉頻繁，極易導致車門的門控電氣元件和機械零部件發生損壞，造成正線運營列車的客室車門頻繁產生故障［1］。根據國內外統計，在軌道交通車輛系統中，車門系統的故障占車輛系統總故障的30%以上，對列車運行的安全性構成了嚴重的威脅，亟待解決［2］。為了有效降低客室車門的故障，確保列車的正常運營，本文提出應用GO(Goal Oriented)法進行地鐵車輛客室車門的可靠性分析。

車門系統可靠性狀態可用相關的可靠性特征描述。目前，常用的可靠性分析方法主要包括可靠性框圖法、故障樹法和故障模式及后果分析法等。這類方法依賴專家知識推演，不易建模，缺乏模塊化、結構化分析模型，不適合于車門系統這類高維修性系統［3－4］。地鐵車輛客室車門系統屬于可修系統，本文應用GO法對車門系統進行可靠性評估，建立了GO模型，并結合GO程序，考慮共有信號的修正，可方便快捷地對地鐵車輛客室車門系統的可用度、失效率等可靠性特征量進行精確的定量與定性分析。可靠性分析結果對提高現有系統的可靠性具有重要意義，并為實現系統故障診斷提供了理論依據。

1 地鐵車輛車門系統

1.1 齒帶傳動式車門系統簡介

車門的傳動方式主要有齒帶傳動和螺桿傳動兩種。目前，北京地鐵國產化新造車，以及北京城鐵13號線、天津輕軌濱海線等使用的車輛均采用了齒帶傳動的門系統。齒帶傳動具有傳動準確、平衡、無滑差又節能、承載能力高、壽命長、傳動噪聲低、帶齒受力均勻合理、具有最小膨脹系數和最大可靠性等特點［5］。因此，齒帶傳動更適應未來市場的需要，是軌道車輛自動門系統傳動方式的發展趨勢。

齒帶傳動式客室車門結構如圖1所示，主要由一個電機裝置、一個懸掛裝置、安裝支架和門控單元等設備組成［6］。

電機裝置:由外部電源1給步進電機2供電，產生驅動力矩;聯軸節3將驅動力矩傳遞給行星減速器4;減速器輸出軸通過軸承5，將驅動力矩傳遞到解鎖滑輪6，同時通過墊片7和彈性擋圈8將驅動力矩傳遞到左傳動滑輪9。

懸掛裝置:左、右兩扇門頁19、20分別通過齒帶夾板12、14與齒帶11兩側相連，齒帶兩端有傳動滑輪9和10，使得齒帶形成一個閉環;通過驅動滑輪的驅動，使齒帶11繞著齒帶滑輪做旋轉運動，同時帶動兩扇門頁在上下導軌15、21內做相反方向的運動，達到兩扇門頁同步運動的狀態。

圖1 齒帶傳動式客室車門結構圖

1.2 車門控制系統

地鐵列車客室車門主要有開門、關門、警示燈/蜂鳴器、障礙物探測(關門防夾、開門時障礙物探測)、車門切除、主隔離、緊急解鎖等功能［7］。上述功能的實現，與車門控制系統中的車門鎖閉行程開關(S1)、車門關閉行程開關(S2)、緊急解鎖開關(S3)以及車門電源切除開關(S4)等四個行程開關有密切關系。車門控制原理如圖2所示。

圖2 車門控制系統原理圖

2 車門系統的GO法模型

2.1 車門系統故障分析

客室車門故障可以分為機械故障和電器故障。電器故障主要表現為EDCU(電子門控單元)、電源、車門制動器、車門電機、門外部指示燈、繼電器、TIMS(列車綜合管理系統)等引起的開門、關門問題;機械故障主要是車門尺寸變形或車門尺寸調整不良等引起的車門限位開關故障、機械零件丟失、磨損、螺絲松動等。

2.2 車門開啟邏輯原理

零速列車有效時(列車速度≤3 km/h)會激活EDCU內部的安全繼電器，激活后的安全繼電器使鎖閉裝置的電磁線圈得電，從而對解鎖滑輪解鎖。零速列車線失電時，開啟的車門將立即關閉。車門的開啟與關閉由零速、開門和關門列車線的電平決定。列車靠站停穩后，在得到ATP(列車自動防護)給出的信號后，開門按鈕內的指示燈亮起，按下該按鈕，開門列車線得電，向 EDCU發送開門信號。EDCU接收到信號后，在電機驅動下，門翼向開門方向移動，直到橡膠止檔與門框接觸，車門完全打開。車門開啟邏輯原理如圖3所示。

2.3 車門系統GO法模型的建立

車門系統中電源、零速信號、ATP信號和車室門按鈕等是系統的輸入單元，用類型5操作符模擬;電機、聯軸器、軸承、齒帶等機械傳動單元用類型1操作符模擬;電源切除開關S4和車門EDCU，用類型6操作符模擬。本文研究目前地鐵車輛客車車門開啟過程，對其工作原理邏輯圖進行變換，得到GO法圖示化模型(見圖4)。圖中短橫線左側的數字代表操作符的類型，右側數字為系統單元對應的編號。車門系統模型中的單元可靠性參數如表1所示。表中數據來源于某地鐵列車運營歷史數據統計及經驗值。

圖3 車門開啟邏輯原理框圖

3 系統可靠性分析

3.1 可修系統的可靠性特征量

可修系統是處于正常工作狀態和停工維修狀態的交替之中的系統，系統發生故障和完成維修都有隨機性。假定地鐵客車車門系統中元件和子系統都是服從指數分布的可修系統，則系統的可靠性特征量如下［8］:

(1)故障率λ;

(2)維修率μ;

圖4 車門系統GO法模型

表1 車門系統模型中的單元及特征數據

3.2 系統GO法模型邏輯簡化運算步驟

穩態分析的可修系統只是兩狀態系統。操作符輸入信號、操作符本身和操作符輸出信號的正常狀態概率、故障狀態概率、故障率、維修率分別記為［PS(1)，PS(2)，λS，μS］、［PC(1)，PC(2)，λC，μC］、［PR(1)，PR(2)，λR，μR］。車門可修系統 GO 法的定量分析應用參考文獻［9］。在圖4中，操作符1～10的類型都是串聯邏輯的，因此可以把操作符1～10作為一個整體模塊MOD處理，并且是完全串聯的模塊。在完全串聯的模塊中，失效率的計算為簡單的加法運算，維修率的運算也可以局部求和計算得到。該子模塊的計算公式為:

車門系統GO法模型中存在信號共有的情況。在計算輸出特征量時，信號19使用了操作符15和18的輸出值，操作符15和18信號中包含了操作符10的輸出信號，從而操作符10的輸出特征值被重復計算，導致計算結果錯誤。因此，必須修正共有信號帶來的計算偏差。

操作符10～15與操作符16～18都是串聯邏輯，即對操作符10的輸出信號的成功概率所做的運算是乘法。因此，根據完全串聯模塊計算方法得:

操作符19～30和操作符31～33也是完全串聯的模塊。其故障率和維修率為:

3.3 車門系統可靠性計算

通過式(1)～(16)的計算，得到車門系統可靠性數據如表2所示。

表2 系統可靠性分析結果

4 結語

(1)分析了齒帶傳動式地鐵車輛客室車門系統的優點及工作原理，提出應用GO法進行地鐵車輛客室車門系統可靠性分析。

(2)提出有共有信號時操作符的維修率和失效率的處理方法，導出可修系統維修率和失效率的精確的計算公式，使GO法的計算更為精確，應用更為簡捷。

(3)本方法已應用于地鐵車輛客室車門系統的可靠性分析，結果表明，在可修系統的可靠性分析中，GO法是一種簡捷方便、行之有效的方法。

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