FMECA在地鐵車輛車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用研究

邱星慧　王大平　張彥華　師誠(chéng)

摘 要：以中車株機(jī)公司設(shè)計(jì)制造的上海某型地鐵車輛車門系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能分析，再利用FMECA方法得到車門系統(tǒng)的危害矩陣，進(jìn)而得出車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;FMECA;車門系統(tǒng);危害矩陣

地鐵車輛車門系統(tǒng)能否正常工作，將直接影響列車的運(yùn)營(yíng)調(diào)度和乘客安全。有效地識(shí)別車門系統(tǒng)的故障模式，確定其部件的故障等級(jí)，從而有針對(duì)性地開展設(shè)計(jì)優(yōu)化，將可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的故障模式進(jìn)行有效控制，對(duì)列車的可靠性提高工作十分必要。本文基于FMECA（故障模式影響及危害性分析）方法對(duì)地鐵車輛車門系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，得出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，從而減少車門系統(tǒng)故障對(duì)運(yùn)營(yíng)及乘客安全的影響。

1 車門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能分析

1.1 車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與工作原理

上海某型地鐵車輛客室側(cè)門采用雙扇電動(dòng)內(nèi)藏門。內(nèi)藏門主要由門扇、緊急出口裝置、緊急入口裝置、電子門控單元（EDCU）、指示燈、外門檻、內(nèi)門檻、輔助支撐、密封毛刷和承載運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等子部件構(gòu)成，其工作原理示意圖如圖1所示。每節(jié)車通過獨(dú)立的冗余車門子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)直接與列車中央控制單元相連，在車門上方設(shè)置一體化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過安裝座安裝在車體上，左鉸鏈螺母與左門扇相連，右鉸鏈螺母與右門扇相連，門扇的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿來實(shí)現(xiàn)，從而門扇可以通過左、右鉸鏈螺母來實(shí)現(xiàn)車門系統(tǒng)的開關(guān)門動(dòng)作。

圖1 車門系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 車門系統(tǒng)的功能

車門系統(tǒng)具有的功能主要包括開關(guān)門功能、障礙物探測(cè)功能、車門緊急解鎖功能、車門旁路功能等?？褪臆囬T的開關(guān)通過門控器來控制，通過判斷零速信號(hào)、門允許信號(hào)、開門信號(hào)、關(guān)門信號(hào)來實(shí)現(xiàn)車門的開閉功能。障礙物探測(cè)功能是車門關(guān)閉時(shí)，遇到障礙物再次打開的功能，這是一種防夾保護(hù)機(jī)制。車門緊急解鎖功能是指緊急情況下可以手動(dòng)操作打開車門，但必須是在零速信號(hào)有效時(shí)才能打開。車門旁路功能是指當(dāng)車門限位開關(guān)故障或車門故障時(shí)造成車門安全互鎖回路或者車門關(guān)好互鎖回路中斷，列車無法牽引時(shí)，可以通過司機(jī)室的車門監(jiān)控旁路開關(guān)，允許列車牽引的功能。

2 車門系統(tǒng)FMECA分析

2.1 對(duì)運(yùn)營(yíng)的故障影響等級(jí)劃分

故障影響等級(jí)是指出現(xiàn)的故障對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的影響程度排序，通過對(duì)運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)分析可將故障影響等級(jí)進(jìn)行分類。上海某型地鐵車輛的故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響等級(jí)可分為6類，如表1所示。

不影響運(yùn)營(yíng)的故障

根據(jù)表1故障等級(jí)界定和車門系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)功能分析結(jié)果，可以將每一種導(dǎo)致車門系統(tǒng)出現(xiàn)故障的故障模式進(jìn)行故障等級(jí)劃分，現(xiàn)對(duì)上海某型地鐵車輛的車門系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障等級(jí)劃分如表2所示。

2.2 部件模式危害度與部件危害度的計(jì)算

部件模式危害度是部件的其中一種故障模式帶來的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。部件危害度是部件每個(gè)部件模式危害度的總和，代表這個(gè)部件的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。用Ci表示部件模式危害度，Cj表示部件危害度，則有如下計(jì)算公式[1]：

Ci=λαβt（1）

Cj=∑ni=1Ci（2）

式中，λ為對(duì)應(yīng)故障模式的部件故障率，α為該故障模式發(fā)生的頻數(shù)，β為該故障模式的影響概率，當(dāng)該故障模式肯定發(fā)生時(shí)，取值β=1;當(dāng)該故障模式可能發(fā)生時(shí)，取值β=0.5;當(dāng)該故障模式不可能發(fā)生時(shí)，取值β=0，t為車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)間，n為部件的故障模式數(shù)。

2.3 故障模式危害度的確定及FMECA分析

根據(jù)部件模式危害度和部件危害度的計(jì)算方法，結(jié)合上海某型地鐵車輛的故障數(shù)據(jù)，得出車門系統(tǒng)的FMECA表如表3所示。[3]

表3中部件為L(zhǎng)RU在線可更換單元，故障模式與故障模式庫(kù)中的描述一致，并列出部件的故障原因，根據(jù)故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響等級(jí)對(duì)故障模式進(jìn)行等級(jí)劃分，單元故障率和故障模式頻數(shù)由運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)獲得，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)故障影響概率進(jìn)行取值，最后利用部件故障模式危害度和部件危害度計(jì)算公式得出相應(yīng)的危害度。

根據(jù)車門系統(tǒng)FMECA表中計(jì)算獲得的危害度結(jié)果可見車門系統(tǒng)的故障主要集中在II、III兩個(gè)等級(jí)中，對(duì)列車的運(yùn)營(yíng)影響主要表現(xiàn)為清客和降級(jí)服務(wù)。

2.4 危害度矩陣及結(jié)果分析

如圖2所示為根據(jù)車門系統(tǒng)FMECA表繪制的危害矩陣圖，橫軸為故障等級(jí)，相應(yīng)的數(shù)字對(duì)應(yīng)等級(jí)，離坐標(biāo)原點(diǎn)距離越遠(yuǎn)的故障等級(jí)數(shù)越低?？v軸為部件模式危害度Ci取值。將每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到坐標(biāo)軸后，繪制矩陣圖的對(duì)角線，過每個(gè)點(diǎn)到對(duì)角線作垂線，垂足離原點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，表示部件危害程度越大。[2]從圖中可以看出，車門系統(tǒng)故障等級(jí)危害程度比較大的都集中在II、III兩個(gè)等級(jí)。

除了顯示危害等級(jí)的集中程度以外，還可以對(duì)每一種故障模式的危害度進(jìn)行排序并匯總。由車門系統(tǒng)危害矩陣圖可以得到車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為EDCU、限位開關(guān)組件和鉸鏈螺母組件等。

圖2 車門系統(tǒng)危害矩陣

EDCU的危害度最高，其故障模式表現(xiàn)為電源模塊故障和電路故障。限位開關(guān)組件的危害程度其次，故障模式表現(xiàn)為短路、斷路及無法觸發(fā)。鉸鏈螺母組件的II級(jí)故障斷裂，表現(xiàn)為拖鏈接頭、滾動(dòng)銷和螺母板斷裂的危害度為181.25;III級(jí)故障鎖閉不良，扭簧斷裂的危害度為362.5。

3 車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

針對(duì)以上車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及危害度≥45的六種故障模式，現(xiàn)提出以下設(shè)計(jì)優(yōu)化措施：

a.針對(duì)門控器EDCU電源模塊故障和電路故障，應(yīng)采用成熟的電源電路、DSP電路和MVB+CAN通訊電路設(shè)計(jì)，采用成熟的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，并且驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)采用過流/過壓保護(hù);除此之外，還應(yīng)采用光耦隔離，增加EMC濾波電路。采用以上措施減少EDCU電源模塊和電路的故障。

b.針對(duì)關(guān)到位、鎖到位、緊急解鎖與門切除等限位開關(guān)的故障問題，采取的優(yōu)化措施有：采用具有軌道交通業(yè)績(jī)的開關(guān);關(guān)注關(guān)到位和鎖到位開關(guān)、輔助鎖到位開關(guān)與邏輯關(guān)系判斷門是否到位;關(guān)到位開關(guān)和鎖到位開關(guān)與邏輯關(guān)系判斷安全回路是否閉合;采用100萬次壽命試驗(yàn)驗(yàn)證限位開關(guān)的可靠性。

c.針對(duì)鉸鏈螺母組件的斷裂和鎖閉不良問題，采取的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施有利用壽命試驗(yàn)驗(yàn)證;設(shè)計(jì)時(shí)滾動(dòng)銷采用高強(qiáng)度軸承鋼;設(shè)計(jì)校驗(yàn)滾動(dòng)銷強(qiáng)度;鎖閉裝置需要的電控系統(tǒng)監(jiān)控，并實(shí)施保護(hù);利用沖擊振動(dòng)驗(yàn)證鎖閉性能;電控系統(tǒng)精確控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，不允許電機(jī)反轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用FMECA可靠性分析方法，對(duì)上海某型地鐵車輛的車門系統(tǒng)進(jìn)行故障模式與影響的定性分析與故障模式危害度及部件危害度的定量分析，得到車門系統(tǒng)的危害度矩陣，進(jìn)而分析得到車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)每一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，提出設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。下一步的研究方向應(yīng)引入部件的壽命分布，獲得系統(tǒng)部件的動(dòng)態(tài)故障率函數(shù)，更加精確的描述產(chǎn)品的可靠性。

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基金項(xiàng)目：中車株洲電力機(jī)車有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目——昆明5號(hào)線地鐵車輛研制（2019KJ16）