基于FTA的地鐵車門故障診斷研究*

夏 軍，邢宗義，王曉浩

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

基于FTA的地鐵車門故障診斷研究*

夏 軍，邢宗義，王曉浩

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

車門系統是地鐵列車的關鍵子系統，應用故障樹分析FTA方法對地鐵車門系統進行故障診斷研究有助于縮短車門檢修時間和提高車門工作可靠性。在分析地鐵車門系統結構和工作原理的基礎之上，選取車門無法自動開門故障作為頂事件建立故障樹，采用下行法求最小割集并進行定性與定量的綜合分析，從而得出了EDCU、關閉行程開關、螺母組件、絲桿和中間解鎖組件對車門無法自動開門故障的影響較大的診斷結果，為地鐵車門系統的故障診斷提供輔助參考決策。

故障樹；最小割集；故障診斷

0 引言

車門系統是乘客上下地鐵列車的通道，車門的故障將會直接影響到乘客的人身安全和地鐵公司的公眾形象。據統計，車門系統的故障占車輛系統總故障的30%左右，對地鐵運行的安全性構成了嚴重的威脅[1]。因此，對車門系統進行故障診斷研究以縮短檢修時間和提高車門可靠性顯得尤為重要。

中外學者對于產品的故障診斷已經做了諸多研究。張小波等[2]利用動態故障樹FTA (Fault Tree Analysis, FTA) 方法對全自動液壓機進行診斷得出了液壓機故障的關鍵故障模式；吳欠欠等[3]利用FTA方法對船舶柴油機進行故障診斷，找出了引起柴油機曲軸溫度異常的薄弱環節；時旭[4]應用決策樹-粗糙集的方法對地鐵車門進行故障診斷研究，合理地確定了車門故障的診斷規則。

本文將FTA方法應用于地鐵車門系統的故障診斷研究，選取地鐵車門無法自動開門故障作為頂事件建立故障樹，通過定性和定量分析得出導致此車門故障的薄弱環節，從而為車門系統故障診斷提供輔助決策。

1 地鐵車門結構及原理

車門主要由承載導向裝置、基礎部件、電氣控制與驅動鎖閉裝置等子系統組成，其中承載導向裝置主要由長短導柱、上下導軌和攜門架等組成，基礎部件包括膠條、指示燈和門葉等，電氣控制裝置主要由EDCU、行程開關和車門控制按鈕等組成，驅動鎖閉裝置包括電機、絲桿螺母和帶輪等。

在列車正常運行無零速信號過程中，EDCU中的安全繼電器不會得電，保證鎖閉裝置不會解鎖。當列車進站停車但在沒有開門信號的情況下，安全繼電器仍不得電，鎖閉裝置同樣不解鎖，車門不會打開。而當列車停穩且產生開門信號后，安全繼電器輸出信號使車門鎖閉裝置解鎖，車門在電機驅動下打開[5]。地鐵車門的控制原理和工作原理框圖分別如下圖1和2所示。

圖1 地鐵車門控制原理圖

圖2 地鐵車門工作原理圖

EDCU在接收到開門信號和零速信號后，控制驅動電機動作，電機通過帶輪帶動絲桿螺母副，引起攜門架、長導柱、掛架、下滾輪導向部件的動作，并最終使得門葉在導向系統的引導下向外做擺出運動。在達到完全擺出狀態后，導向系統控制門葉的直線平移，使門葉平行于車輛側面運動。在達到完全擺出狀態后，導向系統控制門葉的直線平移，使門葉平行于車輛側面運動。在平移過程中，攜門架使門葉沿著長導柱自由滑動，直到門葉達到完全打開狀態[6]。

2 FTA方法的基本理論

FTA方法是一種將系統故障形成的原因由總體至部分按樹枝狀逐級細化的圖形演繹方法，它把系統最不希望發生的故障作為頂事件，通過對導致頂事件的各種因素進行分析，畫出故障樹，再根據故障征兆找出引起頂事件的底層因素，通過層層分析，確定故障原因，判斷故障發生的概率，找出導致系統故障的薄弱環節[7]。

2.1 FTA定性分析

FTA定性分析的目的主要是研究故障樹中所有導致頂事件的最小割集。最小割集是導致故障樹頂事件發生的數目不可再少的底事件的集合。它可以幫助發現系統可靠性的薄弱環節，從而改進設計并可用于指導故障診斷[8]。

最小割集常用的計算方法為下行法。它是根據故障樹的實際結構，從頂事件開始，逐漸向下查尋，找出最小割集。其思路是：只就上、下相鄰兩級來看,與門增加割集的階數(割集所含底事件數目)，不增加割集個數；或門只增加割集個數, 不增加割集階數。在從頂事件下行的過程中，依次將邏輯門的輸出事件置換成輸入事件，遇到“與”門就將其輸入事件排在同一行，遇到“或”門就將其輸入事件各自排成一行，這樣直到全部換成底事件為止，即可求得全部割集。再應用集合運算規則將全部割集加以簡化、吸收，便可以得到全部最小割集[9]。

2.2 FTA定量分析

FTA定量分析的主要任務是對底事件進行重要度分析, 協助定性分析共同找出系統中最薄弱的環節。在定量分析中為確定各個最小割集或底事件概率變化對頂事件概率變化的影響程度，常用概率重要度來衡量最小割集或底事件的重要性，可由下式計算[10]：

式中，Ixi為第i個底事件的概率重要度，g(P)為系統不可靠度，P(xi)為第i個底事件發生的概率。

3 實例分析

為了保證乘客的出行安全和地鐵公司形象，在對車門系統進行可靠性設計時，須保證地鐵列車到站時車門能夠自動打開，現選取地鐵車門無法自動開門故障為頂事件利用FTA進行故障診斷分析，所構建的故障樹如下圖3～圖6所示。

圖3 地鐵車門自動開門故障樹

圖4 地鐵車門自動開門故障樹

圖5 地鐵車門自動開門故障樹

圖6 地鐵車門自動開門故障樹

由故障樹可以得知以地鐵車門無法自動開門故障為頂事件建立的故障樹模型有30個底事件，并利用下行法得知30個底事件皆為一階最小割集。故障樹中各個字母代表的底事件含義及故障概率如下表1所示。利用概率重要度對故障樹的30個最小割集進行定量分析得到最小割集的重要度排序如下表2所示。

表1 故障樹底事件及概率

表2 底事件概率重要度排序

由此得知，當地鐵發生無法自動開門故障時，應按照表2中的排序依次進行故障診斷，首先檢查EDCU、關閉行程開關、螺母組件、絲桿、中間解鎖組件是否發生故障，并重點進行可靠性設計改進和在日常維修中重點關注；其次應對鎖閉行程開關、緊急解鎖行程開關、EDCU插頭松動、壓輪間隙和端部解鎖裝置等部件進行仔細檢查，并應結合實際維修情況給予相應的改進措施。

4 結束語

本文通過分析地鐵車門工作原理，構建了地鐵車門無法自動開門故障的故障樹，并通過定性和定量分析得出了EDCU、關閉行程開關、螺母組件、絲桿和中間解鎖組件等5個部件對車門自動開門功能有較大的影響，進行故障診斷時應得到維修部門的重點關注。此結果與現場檢修工程師經驗保持一致，將為地鐵車門的故障診斷與改進設計提供技術支持。

[1] 周栩民. 城市軌道交通的發展趨勢及其動因分析[J]. 城市軌道交通研究, 2001(2):1-4.

[2] 張小波, 陸遠, 胡瑩, 等. 基于動態故障樹分析法的全自動液壓機故障分析[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2013(3): 74-76.

[3] 吳欠欠, 王直, 董賀. 故障樹分析法在船舶柴油機故障診斷中的應用研究[J]. 機械設計與制造, 2009(1): 77-78.

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

[5] 李亞東. 南京地鐵車輛門控器功能及常見故障探索[J]. 現代城市軌道交通, 2009(4):40-42.

[6] 劉愛明. 軌道車輛門系統可靠性設計技術的研究與應用[D]. 南京：南京理工大學, 2008.

[7] 閆存福, 劉朝華. 故障樹分析法在球磨機傳動齒輪中的應用[J]. 機械傳動, 2011,35(3):60-63.

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

[9] 陳循, 陶俊勇, 張春華, 等. 機電系統可靠性工程[M]. 北京: 科學出版社,2010.

[10] 朱文予. 機械概率設計與模糊設計[M]. 北京：高等教育出版社, 2001.

(編輯 趙蓉)

Fault Diagnosis Research for Metro Door Based on FTA

XIA Jun, XING Zong-yi, WANG Xiao-hao

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

Door system is a key subsystem of metro train, so the FTA method is applied to carry out the fault diagnosis research for reducing door maintenance time and improving door reliability. On the basis of analyzing the structure and working principle of metro door system, the disabled open fault of door system is selected as a top event to establish the fault tree. The minimum cut set is calculated by the Fussell-Vesely method, then the qualitative and quantitative analysis of FTA are carried out, so , so it can be concluded that EDCU , limit switch, nut component , screw and middle unlocking component have a great damage on door disabled open fault. The obtained results can be used for fault diagnosis of the metro door system.

fault tree; minimum cut set; fault diagnosis

1001-2265(2014)04-0076-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.020

2013-07-19

國家863課題(2011AA110501)；國家科技支撐計劃項目(2011BAG01B05)

夏軍(1988—)，男，山東濰坊人，南京理工大學碩士研究生，從事可靠性與交通控制研究， (E-mail)xiajun19880604@126.com。

TH165+.3 ;TG65

A