基于FTA的地铁车门故障诊断研究*

夏 军，邢宗义，王晓浩

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

基于FTA的地铁车门故障诊断研究*

夏 军，邢宗义，王晓浩

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

车门系统是地铁列车的关键子系统，应用故障树分析FTA方法对地铁车门系统进行故障诊断研究有助于缩短车门检修时间和提高车门工作可靠性。在分析地铁车门系统结构和工作原理的基础之上，选取车门无法自动开门故障作为顶事件建立故障树，采用下行法求最小割集并进行定性与定量的综合分析，从而得出了EDCU、关闭行程开关、螺母组件、丝杆和中间解锁组件对车门无法自动开门故障的影响较大的诊断结果，为地铁车门系统的故障诊断提供辅助参考决策。

故障树；最小割集；故障诊断

0 引言

车门系统是乘客上下地铁列车的通道，车门的故障将会直接影响到乘客的人身安全和地铁公司的公众形象。据统计，车门系统的故障占车辆系统总故障的30%左右，对地铁运行的安全性构成了严重的威胁[1]。因此，对车门系统进行故障诊断研究以缩短检修时间和提高车门可靠性显得尤为重要。

中外学者对于产品的故障诊断已经做了诸多研究。张小波等[2]利用动态故障树FTA (Fault Tree Analysis, FTA) 方法对全自动液压机进行诊断得出了液压机故障的关键故障模式；吴欠欠等[3]利用FTA方法对船舶柴油机进行故障诊断，找出了引起柴油机曲轴温度异常的薄弱环节；时旭[4]应用决策树-粗糙集的方法对地铁车门进行故障诊断研究，合理地确定了车门故障的诊断规则。

本文将FTA方法应用于地铁车门系统的故障诊断研究，选取地铁车门无法自动开门故障作为顶事件建立故障树，通过定性和定量分析得出导致此车门故障的薄弱环节，从而为车门系统故障诊断提供辅助决策。

1 地铁车门结构及原理

车门主要由承载导向装置、基础部件、电气控制与驱动锁闭装置等子系统组成，其中承载导向装置主要由长短导柱、上下导轨和携门架等组成，基础部件包括胶条、指示灯和门叶等，电气控制装置主要由EDCU、行程开关和车门控制按钮等组成，驱动锁闭装置包括电机、丝杆螺母和带轮等。

在列车正常运行无零速信号过程中，EDCU中的安全继电器不会得电，保证锁闭装置不会解锁。当列车进站停车但在没有开门信号的情况下，安全继电器仍不得电，锁闭装置同样不解锁，车门不会打开。而当列车停稳且产生开门信号后，安全继电器输出信号使车门锁闭装置解锁，车门在电机驱动下打开[5]。地铁车门的控制原理和工作原理框图分别如下图1和2所示。

图1 地铁车门控制原理图

图2 地铁车门工作原理图

EDCU在接收到开门信号和零速信号后，控制驱动电机动作，电机通过带轮带动丝杆螺母副，引起携门架、长导柱、挂架、下滚轮导向部件的动作，并最终使得门叶在导向系统的引导下向外做摆出运动。在达到完全摆出状态后，导向系统控制门叶的直线平移，使门叶平行于车辆侧面运动。在达到完全摆出状态后，导向系统控制门叶的直线平移，使门叶平行于车辆侧面运动。在平移过程中，携门架使门叶沿着长导柱自由滑动，直到门叶达到完全打开状态[6]。

2 FTA方法的基本理论

FTA方法是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的图形演绎方法，它把系统最不希望发生的故障作为顶事件，通过对导致顶事件的各种因素进行分析，画出故障树，再根据故障征兆找出引起顶事件的底层因素，通过层层分析，确定故障原因，判断故障发生的概率，找出导致系统故障的薄弱环节[7]。

2.1 FTA定性分析

FTA定性分析的目的主要是研究故障树中所有导致顶事件的最小割集。最小割集是导致故障树顶事件发生的数目不可再少的底事件的集合。它可以帮助发现系统可靠性的薄弱环节，从而改进设计并可用于指导故障诊断[8]。

最小割集常用的计算方法为下行法。它是根据故障树的实际结构，从顶事件开始，逐渐向下查寻，找出最小割集。其思路是：只就上、下相邻两级来看,与门增加割集的阶数(割集所含底事件数目)，不增加割集个数；或门只增加割集个数, 不增加割集阶数。在从顶事件下行的过程中，依次将逻辑门的输出事件置换成输入事件，遇到“与”门就将其输入事件排在同一行，遇到“或”门就将其输入事件各自排成一行，这样直到全部换成底事件为止，即可求得全部割集。再应用集合运算规则将全部割集加以简化、吸收，便可以得到全部最小割集[9]。

2.2 FTA定量分析

FTA定量分析的主要任务是对底事件进行重要度分析, 协助定性分析共同找出系统中最薄弱的环节。在定量分析中为确定各个最小割集或底事件概率变化对顶事件概率变化的影响程度，常用概率重要度来衡量最小割集或底事件的重要性，可由下式计算[10]：

式中，Ixi为第i个底事件的概率重要度，g(P)为系统不可靠度，P(xi)为第i个底事件发生的概率。

3 实例分析

为了保证乘客的出行安全和地铁公司形象，在对车门系统进行可靠性设计时，须保证地铁列车到站时车门能够自动打开，现选取地铁车门无法自动开门故障为顶事件利用FTA进行故障诊断分析，所构建的故障树如下图3～图6所示。

图3 地铁车门自动开门故障树

图4 地铁车门自动开门故障树

图5 地铁车门自动开门故障树

图6 地铁车门自动开门故障树

由故障树可以得知以地铁车门无法自动开门故障为顶事件建立的故障树模型有30个底事件，并利用下行法得知30个底事件皆为一阶最小割集。故障树中各个字母代表的底事件含义及故障概率如下表1所示。利用概率重要度对故障树的30个最小割集进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 故障树底事件及概率

表2 底事件概率重要度排序

由此得知，当地铁发生无法自动开门故障时，应按照表2中的排序依次进行故障诊断，首先检查EDCU、关闭行程开关、螺母组件、丝杆、中间解锁组件是否发生故障，并重点进行可靠性设计改进和在日常维修中重点关注；其次应对锁闭行程开关、紧急解锁行程开关、EDCU插头松动、压轮间隙和端部解锁装置等部件进行仔细检查，并应结合实际维修情况给予相应的改进措施。

4 结束语

本文通过分析地铁车门工作原理，构建了地铁车门无法自动开门故障的故障树，并通过定性和定量分析得出了EDCU、关闭行程开关、螺母组件、丝杆和中间解锁组件等5个部件对车门自动开门功能有较大的影响，进行故障诊断时应得到维修部门的重点关注。此结果与现场检修工程师经验保持一致，将为地铁车门的故障诊断与改进设计提供技术支持。

[1] 周栩民. 城市轨道交通的发展趋势及其动因分析[J]. 城市轨道交通研究, 2001(2):1-4.

[2] 张小波, 陆远, 胡莹, 等. 基于动态故障树分析法的全自动液压机故障分析[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2013(3): 74-76.

[3] 吴欠欠, 王直, 董贺. 故障树分析法在船舶柴油机故障诊断中的应用研究[J]. 机械设计与制造, 2009(1): 77-78.

[4] 时旭. 地铁车门系统故障诊断与维修决策的方法研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2009.

[5] 李亚东. 南京地铁车辆门控器功能及常见故障探索[J]. 现代城市轨道交通, 2009(4):40-42.

[6] 刘爱明. 轨道车辆门系统可靠性设计技术的研究与应用[D]. 南京：南京理工大学, 2008.

[7] 闫存福, 刘朝华. 故障树分析法在球磨机传动齿轮中的应用[J]. 机械传动, 2011,35(3):60-63.

[8] 全达, 孙秀芳, 王缅, 等. 基于故障树分析法的识别单元可靠性分析[J]. 现代制造工程, 2012(4): 122-125.

[9] 陈循, 陶俊勇, 张春华, 等. 机电系统可靠性工程[M]. 北京: 科学出版社,2010.

[10] 朱文予. 机械概率设计与模糊设计[M]. 北京：高等教育出版社, 2001.

(编辑 赵蓉)

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

国家863课题(2011AA110501)；国家科技支撑计划项目(2011BAG01B05)

夏军(1988—)，男，山东潍坊人，南京理工大学硕士研究生，从事可靠性与交通控制研究， (E-mail)xiajun19880604@126.com。

TH165+.3 ;TG65

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