FMECA在地鐵車輛重要系統設計優化中的應用研究

張彥華 邱星慧 王大平

摘?要：FMECA（失效模式、影響與危害性分析）在地鐵車輛上用于分析潛在失效模式，分析對象主要為由于系統缺陷而引起系統功能間的潛在故障模式，或由于設計缺陷產生的故障模式，確定每種故障模式對產品及其車輛系統的影響，并尋求設計優化措施。本文以制動系統為研究對象，介紹FMECA在地鐵車輛重要系統中的分析方法。

關鍵詞：地鐵車輛;FMECA;制動系統;危害矩陣

FEMCA用于有效地識別地鐵車輛系統的故障模式，確定其部件的故障等級，從而有針對性地開展設計優化，將可能導致危險的故障模式進行有效控制，對列車的可靠性提高工作十分必要。FMECA分析覆蓋了地鐵車輛所有的系統及其子部件，其中制動系統是其中的重要分析對象，下文以制動系統為例分析FEMCA分析，得出該系統的薄弱環節，提出對應的設計優化措施，從而減少制動系統故障對行車及乘客安全的影響。

1 制動系統的結構組成

通常地鐵車輛制動系統的組成包括風源系統、制動控制設備、基礎制動設備、微機控制輪對防滑設備、空氣懸掛設備和輪緣潤滑裝置等，其中風源系統又由空氣壓縮機等重要設備構成。

2 車輛子系統FMECA分析

2.1 對運營的故障影響等級劃分

故障影響等級是指出現的故障對列車運營的影響程度排序，通過對運營故障數據分析可將故障影響等級進行分類。地鐵車輛的故障對運營的影響等級可分為6類，如表1所示。

根據表1故障等級界定和制動系統部件的結構功能分析結果，可以將每一種導致制動系統出現故障的故障模式進行故障等級劃分，現以風源系統部分部件為例，介紹通過故障數據進行故障等級劃分的方法，如表2所示。

2.2 部件模式危害度與部件危害度的計算

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部件模式危害度的總和，代表這個部件的危害程度，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，則有如下計算公式[1]：

式中，λ為對應故障模式的部件故障率，α為該故障模式發生的頻數，β為該故障模式的影響概率，當該故障模式肯定發生時，取值β=1;當該故障模式可能發生時，取值β=0.5;當該故障模式不可能發生時，取值β=0，t為車輛運營時間，n為部件的故障模式數。

2.3 故障模式危害度的確定及FMECA分析

根據部件模式危害度和部件危害度的計算方法，結合上海某地鐵車輛的故障數據，得出制動系統部分部件的FMECA如表3所示[3]。

表3中部件為制動系統部分設備的最小可更換單元，故障模式與故障模式庫中的描述一致，并列出部件的故障原因，根據故障對運營的影響等級對故障模式進行等級劃分，單元故障率和故障模式頻數由運營數據獲得，根據工程經驗對故障影響概率進行取值，最后利用部件故障模式危害度和部件危害度計算公式得出相應的危害度。根據表3計算獲得的危害度結果，可見故障集中在III、VI兩個等級中，對列車的運營影響主要表現為降級服務和不影響運營的故障。

2.4 危害度矩陣及結果分析

如右圖所示為根據風源系統FMECA表繪制的危害矩陣圖，橫軸為故障等級，相應的數字對應等級，離坐標原點距離越遠的故障等級數越低。縱軸為部件模式危害度Ci取值。將每個點對應到坐標軸后，繪制矩陣圖的對角線，過每個點到對角線作垂線，垂足離原點的距離越遠，表示部件危害程度越大[2]。從圖中可以看出，制動系統故障等級危害程度比較大的都集中在III、VI兩個等級。

除了顯示危害等級的集中程度以外，還可以對每一種故障模式的危害度進行排序并匯總。由制動系統危害矩陣圖可以得到風源系統的薄弱環節為網關閥、擴展閥、空壓機組。

擴展閥的危害度最高為366，其次為網關閥的危害度2175，這兩個部件的故障模式為失效，且都為III級故障。空壓機組的危害程度排第三，故障模式表現為管路破損、漏油、打風量小和壓力故障，其故障原因為管路的老化，結構受損，進風口堵塞以及安全閥發生故障。

2.5 設計優化措施

針對以上風源系統的薄弱環節，現提出以下設計優化措施：

（1）針對擴展閥的故障，采用的危害減輕程序是故障擴展閥對應的轉向架空氣制動處于緩解狀態，車輛限速運行，保證緊急制動的距離。另外，可通過客室截斷塞門切除故障轉向架空氣制動。

（2）針對網關閥的失效，采用的危害減輕程序是故障網關閥對應的轉向架空氣制動處于緩解狀態，車輛限速運行，保證緊急制動的距離。同樣地，可以通過客室截斷塞門切除故障轉向架空氣制動。

（3）針對空壓機組的管路破損、泄漏和打風量小的故障模式，采用的設計保護措施是由壓縮機組供風，壓力故障的問題采用的設計保護措施是壓縮機組通過壓縮機管理來關閉，并備用安全閥。

3 結語

使用FMECA分析方法對車輛隱患進行分析，可以有效地發現系統潛在故障模式與影響，能夠有效排查單點故障，嚴格按照分析方法開展工作，能夠定量各潛在風險的發生概率與危害度，為合理評估各危害產生的影響提供量化數據，同時，通過合理的分析，能夠尋找到相關優化措施，從而有效提高車輛可靠性，增強安全性。

參考文獻：

[1]鐘璇.可靠性分析在廣州地鐵車輛維保中的應用研究[J].鐵道機車車輛，2017（6）：112-114.

[2]董錫明.機車車輛運用可靠性工程[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3]譚鴻愿，王伯銘，黃挺.基于FMECA的地鐵車輛轉向架檢修計劃優化研究[J].城市軌道交通研究，2017（1）：96-100.