基于FTA與CA的地鐵車輛塞拉門系統可靠性研究

龔興華，張逸遷，張少東，王伯銘

（1 南車浦鎮城軌車輛有限責任公司，江蘇南京210031；2 南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001；3 西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

地鐵與輕軌

基于FTA與CA的地鐵車輛塞拉門系統可靠性研究

龔興華1，張逸遷2，張少東3，王伯銘3

（1 南車浦鎮城軌車輛有限責任公司，江蘇南京210031；2 南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001；3 西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

從國內目前常見的地鐵車輛塞拉門系統的特點出發，結合其結構特點與常見故障模式，提出“FTA故障樹分析法—CA危害性分析法”相結合的可靠性分析思路。并針對某地鐵車輛所采用的塞拉門系統作基于此方法的可靠性分析，最后得出地鐵車輛塞拉門系統的各主要故障模式的危害度矩陣圖，從而為塞拉門系統的檢修與維護提供一定的參考。

地鐵車輛；塞拉門系統；可靠性；故障樹分析；危害性分析

世界各個國家所擁有的地鐵雖然型號不盡相同，而且地鐵車輛車門型號和種類也各有特色，但是根據城軌交通的特點，所有的地鐵車輛車門按照驅動形式分類通常可以分為：氣動式車門（依靠驅動氣缸來驅動車門運動）或電動式車門（依靠直流或者交流電機來驅動車門運動）。若按照車門運動軌跡或安裝特點來分類又可以分為：藏嵌入式移門、外掛式移門、塞拉門、外擺式車門4種［1］。由于塞拉門有著隔熱隔音性能好、開關門速度快、運行抖動小、不影響車體外觀流線型等諸多優點，所以大多數地鐵車輛都采用塞拉門結構。本文中所要分析的車門系統就屬于電動式塞拉門結構。

塞拉門最開始只在高速列車上有著非常廣泛的應用，例如：德國ICE列車、日本新干線列車、法國TGV列車的車門都使用了塞拉門結構。經過幾十年的發展，塞拉門的結構和品種也逐漸形成了自己特有的系列，用以滿足不同車輛的要求。總的來說，相比于內藏門和外掛門，塞拉門有著高開合度、開閉機構簡單可靠、密閉性強等特點。這也使得塞拉門成為地鐵車輛設備制造商和供應商的良好選擇。

盡管如此，塞拉門系統卻受到自身結構復雜，安裝困難，開關門動作繁復的缺陷，所以其可靠性問題一直飽受詬病。本文將采用故障樹分析（簡稱：FTA）與危害性分析（簡稱：CA）相結合的分析方法針對地鐵車輛塞拉門系統進行綜合可靠性分析。

1　地鐵塞拉門系統故障樹分析（FTA）

1.1地鐵車輛塞拉門系統簡介

塞拉門系統是集驅動電機、連桿機構、傳感器等零部件為一體的復雜機構。并且，從可靠性框圖結構上來看，塞拉門系統是一個典型的串聯結構，這也是導致其可靠性較低的主要原因。圖1介紹了塞拉門系統的功能原理。

從圖1可以看出，車門執行開關門動作的時候，首先由司機操作并且發出指令控制門控器使驅動電機運轉，由于驅動電機連接著傳動機構，所以最終在承載導向機構的輔助作用下，電機的扭矩被轉化為左右門扇的左右平動，從而實現開關門動作。司機室側門與客室車門結構大致相同，唯一的區別是司機室側門采用的是手動塞拉門，所以這里不再就此贅述。

1.2地鐵車輛塞拉門系統的故障樹建立

根據車輛檢修段所反映的塞拉門系統故障模式和歷史記錄，將塞拉門系統的頂事件確定為塞拉門系統開關門故障，并且結合故障模式的上下級的相互關系，逐步分析出該型號塞拉門系統的各個底事件故障模式［2］。需要說明的是，本文只是通過故障樹分析確定出塞拉門系統的各級故障模式，而對于底事件的定量分析，則在后文中的危害性分析過程中完成。根據對塞拉門故障數據和故障模式的總結和分析，得出如圖2的塞拉門系統開關門的故障樹圖。

圖1　某地鐵車輛塞拉門系統功能原理圖

圖2　塞拉門系統開關門故障樹

從圖2可以看出，由頂事件可以分解出6個第二層事件，分別用G1至G6來表示，并且用“或門”將它們與頂事件相互連接起來。接著，由G1中間事件可以分解出A5至A7的3個底事件，并且使用“或門”將它們與G1連接起來。由此類推，既可得到由21個底事件所組成的塞拉門系統開關門故障樹了，在此，用A1至A21來表示著21個底事件。在圖2中所涉及到的故障編碼以及故障模式發生的概率被列在了表1中。

從表1可以看出，地鐵車輛塞拉門系統故障主要由機械承載結構故障、車門安裝工藝不合格、驅動電機套件故障、鎖閉裝置故障、車門基礎部件故障和車門控制信號故障等6大部分所組成。在后文中將以故障樹分析結果為基礎，對各底事件故障模式的危害性進行分析。

2　地鐵車輛塞拉門系統故障模式危害性分析（CA）

危害性分析理論源于故障模式影響及危害性分析（簡稱：FMECA），FMECA是一種重要的可靠性和維修性分析方法。危害性分析是按照故障的嚴重程度并結合該故障發生概率、故障模式比率、故障影響概率、工作時間等綜合因素全面客觀評價各個故障的分析過程。通常，進行危害性分析的方法分為定量分析法和定性分析法兩種。若產品故障數據比較缺乏，則通常采用定性分析法來評價該故障模式；若故障數據可靠，則采用定量分析法來評價該故障模式。本文的塞拉門系統可靠性算例由于獲得了基于現場調研和產品故障報告等較為完整的綜合故障數據，故采用危害性定量分析的方法，以得到更精確的分析結果。

表1　塞拉門系統故障樹編碼信息

本文所采用的危害性定量分析方法主要包括危害度計算和危害度矩陣作圖兩部分。根據FMECA計算規則，將危害性定量分析過程中所需要確定的參數總結于表2中。

結合地鐵車輛塞拉門系統的實際情況，將故障影響概率等級βj的定義列在表3中。

表3　故障影響概率等級

需要說明的是，在使用如表2中的Cr的時候涉及到工作時間變量t。本著產品的導向安全設計準則，作如下規定：塞拉門系統的所有零部件一旦出現故障，則判定塞拉門系統故障，立即停止工作。通過這樣的假設可以得到一個重要信息：塞拉門系統的所有零部件的工作時t相同。由于時間相同，在文中未討論t的具體數值，而將這個參數直接保留在了危害度計算的結果中，如表4所示。

塞拉門系統開關門故障樹的底事件CA定量分析表中詳細地列出了影響塞拉門開關門故障的常見故障模式和該故障模式的故障率、重要度等信息。在獲得了幾項重要指標過后，就可以對塞拉門系統進行危害度矩陣的定量分析。根據危害性定量分析的步驟，作出塞拉門系統的故障模式危害度矩陣圖，如圖3所示。

表4　塞拉門系統C A定量分析表

圖3即為塞拉門故障危害度矩陣圖，該圖清晰的表示了各個底事件故障的危害性關系。危害度矩陣圖的作圖過程可概括為：依據危害度及嚴重度等級確定出故障模式在危害度矩陣圖中的位置，并用故障模式代號標注位置點，最后將故障模式所對應的點向對角線做垂線，得到垂線與對角線的交點。由危害度矩陣圖的原理可知，0到各個交點的距離長短表示了該故障模式的危害性的大小。因此，按照塞拉門危害度矩陣圖的結果，可以得到各故障模式危害性大小排序，用故障模式代號可表示為：1103＞1207＞1205＞1309＞1412＞1618＞1308＞1619＞1621＞1620＞1617＞1102＞1413＞1104＞1414＞1411＞1310＞1206＞1101＞1515＞1516

3　結 論

由以上基于FTA與CA的可靠性分析，可以得出幾個地鐵車輛塞拉門系統的重要結論：

（1）在塞拉門開關門故障中，根據這些故障的發生概率，結合它們的危害性定量分析結果，可以發現，在塞拉門故障中危害性最嚴重的是：平衡壓輪與門扇凹槽干涉、上滑道類故障和驅動電機類故障。而且這些故障模式的危害性遠遠超過了其他故障模式的危害性。

圖3　塞拉門系統故障模式危害度矩陣圖

（2）繼危害性最高的3種故障模式之后，可以根據后面的危害性排序得知，在塞拉門系統中車門控制系統故障的危害性也較高。具體到零部件上即為：EDCU類故障。

（3）在整個塞拉門故障分析中，危害度較低的故障類型有滑道及導軌類變形故障、門框條松動和上下滑道內有異物故障。由于，上述幾類故障模式的危害性較低，所以在故障處理時可以放在靠后的位置。

圖4　塞拉門零部件建議檢修順序

根據這種方法，將建議的塞拉門重要部件建議檢修重點進行歸納和整理，結果如圖4所示。使用故障樹分析和危害性分析相結合的方法，以現場故障數據為基礎，對某地鐵車輛塞拉門系統進行了實例分析，得出了如圖4的塞拉門系統零部件檢修和維護順序。為了提高地鐵車輛塞拉門系統在運用過程中的可靠性，地鐵運營公司需要加強對文中所提到的薄弱環節進行改進。

［1］ 鄢桂珍，宋正飛.鐵路客車用自動塞拉門［J］.鐵道車輛，2000，（3）：34-36.

［2］ 夏 軍，郭 翔，邢宗義.地鐵車門系統故障模式可靠性分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2014，（3）：49-52.

［3］ 胡今強，梁 洪.廣州地鐵車門故障分析及改進［J］.鐵道車輛，2000，（9）：38-39.

［4］ 劉 萍，程曉卿，秦 勇，張媛，邢宗義.基于模糊故障樹的塞拉門系統可靠性分析［J］.中南大學學報（自然科學版），2013，（S1）：310-314.

［5］ 梁先登，劉英舜，毛一軒.地鐵設備維修策略優選方法及實證［J］.城市軌道交通研究，2010，（5）：64-68.

［6］ 王冬雷.廣州地鐵4號線車輛塞拉門系統的特點及常見故障分析［J］.電力機車與城軌車輛，2006，（6）：44-46.

Reliability Analysis of the Subway Vehicle Sliding Plug Door Based on the FTA and CA

GONG Xinghua1，ZHANG Yiqian2，ZHANG Shaodong3，WANG Boming3
1 CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031 Jiangsu，China；2 CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China；3 School of Mechanical Engineering of South west Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This essay is derived from the structural characteristics and the common failure modes of the sliding plug door of the subway vehicle. A fresh method for reliability analysis，which is based on＂FTA--CA＂calculation is proposed.Besides，according to the features of a certain subway vehicle，a reliability analysis outcome along with the matrix figure of CA which indicates the most crucial failure modes of sliding plug door will be obtained.The conclusion of this analysis is able to provide reference to the maintenance of the subway vehicle sliding plug door.

sub way vehicle sliding plug door；reliability；fault tree analysis；criticality analysis

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.18

1008-7842（2015）04-0079-05

1—）男，工程師（

2015-03-30）