基于FMECA的CR400AF型動車組高壓牽引系統可靠性分析

周新力

(中國鐵路廣州局集團有限公司廣州動車段 廣東 廣州 511483)

0 引言

“復興號”中國標準動車組是我國自主研發設計的高速動車組，代表著世界高鐵技術的領先水平。本文運用故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effect And Criticality Analysis,以下簡稱FMECA)技術，通過提取動車段配屬的CR400AF型動車組運用檢修中的故障統計數據，對高壓牽引系統發生概率高、危害度大的故障模式進行研究分析，并采取相應整治措施，以保證高壓牽引系統安全可靠性。

1 FMECA簡介

FMECA是一種常用的系統可靠性分析方法,包括故障模式及影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)。通過分析系統所有可能發生的故障模式對其造成的影響，并結合每一個故障模式發生的頻次，從而歸納得到其嚴重和危害程度，并按照故障模式的危害程度大小進行分級，對危害程度較大的薄弱環節采取相應的預防改進措施[1]。

FMECA通常采用的分析方法有兩種：硬件法和功能法。對于復雜的系統，往往采用硬件法和功能法相結合的組合法[2]。硬件法是一種將系統零部件按照功能層次結構，對所有可能發生的故障模式進行分析的方法，并根據硬件系統功能的不同，對每個故障模式進行評價。因本文研究對象為CR400AF型動車組高壓牽引系統，其基本功能較為明確，故采用硬件法。

故障模式危害度評價可采用定性分析和定量分析。當沒有具體故障率數據時，往往采用定性分析，通過計算某一故障模式發生的概率(該故障模式占全部故障模式發生總數的百分比)來確定。本文采用定性分析來評價FMECA所確定的故障模式。

2 高壓牽引系統功能框圖及故障模式統計

2.1 高壓牽引系統功能框圖

在FMECA分析中，往往需要描述分析對象的組成及各組成部分之間的相互聯系。為更加直觀地描述系統各分析對象的工作情況和物理關系，可采用繪制系統功能框圖的方法，表明各分析對象之間的聯系[3]。

按照系統功能原理劃分，CR400AF型動車組高壓牽引系統由主電路設備系統、牽引變壓系統、牽引變流系統和電機傳動系統共四個部分組成。每部分又下分各子系統，各子系統間是樹狀結構關系[4]，如圖1所示。

圖1 CR400AF型動車組高壓牽引系統功能框圖

CR400AF型動車組高壓牽引系統基本工作原理為：通過設置在TC03、TP06車的受電弓從接觸網受流AC 25 kV/50 Hz交流電，經牽引變壓器變壓、牽引變流器整流逆變等環節后，轉換為可變頻變壓的交流電輸入到牽引電機，完成牽引傳動工作；同時輔助變流器從牽引變流器中間直流環節取電，將直流電轉換為三相交流電，并經輔助變壓器、充電機等設備轉換后輸出AC 380 V及DC 110 V等電壓供車內輔助供電設備使用。

CR400AF型動車組高壓牽引系統構架如圖2所示。

2.2 故障模式統計

統計某動車段自2019年1月至2019年9月期間，上線運營的CR400AF型動車組高壓牽引系統運用檢修故障數據，得出其18種常見故障模式，其中高壓受流、變壓器冷卻單元子系統、變流器冷卻單元子系統發生故障次數較多，累計故障率分別占到43.84%、25.39%、12.31%，是高壓牽引系統的主要故障。

3 高壓牽引系統FMECA分析

3.1 故障模式概率等級劃分

采用定性分析法，根據故障模式發生的概率來進行故障模式的危害度評價，并按照一定的規定劃分成不同概率等級。根據EN 50126標準和實際經驗綜合考慮高速鐵路行業特點[5]，故障模式概率等級劃分如表1所示。

表1 故障模式概率等級定義

3.2 故障模式嚴重度等級劃分

通過定性分析得到所有故障模式的發生概率，并進行了等級層次劃分，但并沒有體現出故障模式的嚴重程度，即有的故障模式發生的概率較低，但其危害程度卻可能較高，如真空主斷路器減壓閥漏風故障，故障統計期間僅發生1次，但該故障直接導致啟用熱備動車組，影響到動車組正點開行，其故障危害度較高。因此進行FMECA分析時，需要進行故障模式嚴重度等級劃分，用來評估故障模式可能造成的危害程度。根據現場運用經驗，對CR400AF型動車組故障模式嚴重度等級劃分如表2所示。

表2 故障模式嚴重度等級定義

3.3 危害性分析表格

對統計得出的CR400AF型動車組高壓牽引系統18種常見故障模式，從故障原因、故障影響、發生概率等級、嚴重度等級及處置措施進行分析，得出CR400AF型動車組高壓牽引系統危害性分析表格，如表3所示。

表3 CR400AF型動車組高壓牽引系統危害性分析表格

3.4 危害度矩陣

危害度矩陣能夠直觀地比較每個故障模式的危害程度。根據前文得到的CR400AF型動車組高壓牽引系統危害性分析表格，將每一個故障模式的嚴重度等級、概率等級分別對應填入到危害度矩陣的橫坐標和縱坐標中，得到故障模式分布點，如圖3所示。然后將故障模式分布點投影到矩陣對角線上，投影點到原點的距離越遠，表明該故障模式的危害度越大，越需要關注該故障，需采取相應整治措施的優先級更大。

圖3 高壓牽引系統危害度矩陣

從高壓牽引系統危害度矩陣可以看出，故障模式1、2、3、7危害度較高，分別對應受電弓嚴重故障、受電弓自動降下、真空主斷路器漏風、油位過低報警故障。當發生上述故障時，輕則導致列車部分牽引丟失，重則影響高壓正常受流，導致列車無法繼續運行。因此，運用部門應重點關注上述故障并采取整治措施。

針對上述故障，運用中分別采取了更換故障受電弓閥板、更換碳滑板、換用新型主斷減壓閥和主變壓器加壓排氣的整治措施，保證了CR400AF型動車組高壓牽引系統的安全可靠運行。

故障模式4網壓中斷故障概率等級為A級，故障概率較高，雖然嚴重度等級較低為V類，但其危害度仍較高。針對該故障，已納入動車組源頭質量整治項目“CR400AF型動車組網壓中斷問題牽引變流器軟件升級”中，整治后發生該故障的次數大大降低。

4 結束語

根據CR400AF型動車組高壓牽引系統運用檢修故障數據，基于FMECA方法，綜合分析了高壓牽引系統18種常見故障模式，從故障模式概率等級和嚴重度等級兩個維度對其危害度進行評價。通過危害度矩陣得出危害度較高的故障模式，制定相應的整治措施，保證了高壓牽引系統可靠性。