基于故障树分析的塞拉门系统可靠性分析

卫纬，张红元，张雯，金琦，邢宗义，任金宝

(1.国家知识产权局专利审查协作北京中心机械部车辆工程一室，北京100190；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094；3.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)

0 引言

轨道交通车辆是城市轨道交通系统中最关键、最复杂的系统之一，涉及机械、电气、控制、材料等多领域。在城轨车辆系统中，客室车门系统占有重要的位置。根据国内外统计，在轨道交通车辆系统中，客室车门系统的故障数占车辆系统总故障率的比重高达30%［1］。统计数据表明，客室车门系统严重威胁了客车运行的安全性。因此，对城轨车辆客室车门系统进行可靠性分析以及应用研究，对于保证城轨车辆运行安全具有十分重要的意义和实用价值。

为了有效地降低客室车门的故障，确保列车的正常运营，本文在对地铁车辆进行故障模式分析的基础上，结合故障历史数据建立车门的故障树，通过定性分析底事件故障，确定最小割集。采用定量分析的方法进行系统顶事件可靠性计算，从而分析系统故障发生概率。

1 故障树的基本概念

故障树分析，就是通过建立以确定的系统故障事件为顶事件，按照由总体至部分、由顶事件到底事件的故障树，以直接造成故障事件的可能因素为枝干，以不能分解的零部件的故障模式为枝叶，直观展示故障的传播［2，3］。

1.1 故障树定性分析

故障树的定性分析，最主要的作用是找出导致顶事件发生的故障模式及其集合{Ei}，即求出故障树的所有最小割集。最小割集可以帮助判别潜在的故障，判定系统可靠性最薄弱的环节，为指导故障诊断、改进维修方案提供决策。常用的求最小割集的方法有两种:下行法和上行法。这两种方法都是通过严格的演绎法求得系统故障模式，能发现系统的潜在故障，避免遗漏。

1.2 故障树定量分析

故障树的定量分析主要有两部分:1)根据系统各底事件的发生概率求出系统的发生概率。2)求出各底事件或最小割集的关键重要度，根据关键重要度的大小排序可找出最佳排故次序，确定薄弱环节。

在计算顶事件发生概率时，通常由于复杂故障树的最小割集数目较大，采取近似的方法计算顶事件的概率。常用方法有:

1)由容斥定理部分项近似法。设系统有N个最小割集，分别为E1，E2，…，En。则使用容斥定理计算得到系统失效的顶事件的概率P( T)为:

在计算中，采用前两项的平均，则系统故障发生概率为:

其中

2)独立近似法。除了相斥事件和的公式最为简单外，独立事件和的公式也比容斥定理计算量小得多，根据经验，割集发生概率＜0.1时，采用独立近似得到的计算结果往往能满足要求。

在计算单元的关键重要度时，定义关键重要度为系统故障概率变化率和导致该变化率的单元故障概率变化率的比值。单元关键重要度可以同时反映该单元的单元概率重要度的影响，和该单元故障率改进的难易程度，因此是最重要的重要度指标，其计算公式如下:

式中，Icr(j)为第j个单元的关键重要度；Qs为系统故障发生概率。

2 塞拉门系统的故障树建立

2.1 塞拉门系统简介及故障模式分析

城市轨道车辆自动塞拉门系统由门扇、机构和控制系统组成；门扇包括门板、玻璃、胶条和其他零件等；机构包括驱动装置、传动装置、承载导向装置、锁闭装置、操作开关等；控制系统包括电子门控器(EDCU)、执行器件、检测器件等。每扇客室车门均有开启和关闭、障碍物检测、紧急开门及退出服务等功能［4，5］。车门系统原理图如图1所示。

图1 车门系统原理示意图

车门执行开关门动作时，门控器发出开关门指令控制电机驱动，电机通过锁闭装置与传动装置连接，门扇在承载导向等机构辅助作用下完成相应的开关门动作。内外部操作开关供乘客或司机在紧急情况下手动解锁开门。

车门系统的功能就是方便乘客通行，为避免不可预知的危险发生，车门系统控制机制被设计趋向关门操作或保持关门状态，这样可以最大限度地保障乘客安全。车门系统若不能良好地完成开关门等功能，则认为车门系统出现故障。结合客室车门故障历史和故障模式分析，本文针对车门故障进行详细、系统的分析，总结主要有以下车门故障现象:

1)车门开门动作故障，是指列车进站时司机按下开门按钮出现车门不能打开或者车门打开延时；

2)车门关门故障，是指司机按下关门按钮时出现车门不能关闭、车门关闭延时等；

3)车门自动开关门故障，是指车门在列车运行时自动打开车门，车门在开启时自动关门；

4)车门指示灯故障，是指开门时黄灯异常闪亮或者不亮，关门时指示黄灯常亮，车门切除红灯常亮等故障；

5)车门开关门异响故障；

6)操作装置故障，指解锁复位难、不能紧急解锁等内外操作装置故障和车门切除功能故障。

对车门系统进行分析得到，车门故障模式一般包括机械故障和控制故障两部分。机械故障一般包括机械形位变化(位置失调)引起的故障、机械零部件损坏引起的故障和质量退化引起的故障。控制系统故障主要包括电子元件功能退化引起的故障，如EDCU故障、车门行程开关故障等。

2.2 塞拉门系统故障树建立

根据塞拉门故障模式分析建立车门故障树模型，图2为塞拉门系统故障树模型，图3为塞拉门系统故障树模型子节点。由故障树可知，直接引起列车车门系统未能正常工作的主要原因有5个中间事件；直接和间接引起这5个中间事件的共有10个中间事件和38个基本事件，表1所示为车门系统故障树的事件列表。

3 车门系统的可靠性分析

3.1 定性分析

采用上行法计算车门系统故障树的最小割集，得到车门系统故障树的布尔表达式如式(5)所示。

因此车门系统故障得到38个最小割集，可知车门系统故障的最小割集均为一阶割集，形成如此多的一阶割集，主要是因为该车门系统的各功能单元没有冗余单元，并且在系统工作流程中这些功能单元都是必不可少的。对这样的系统结构，要保证系统可靠性达到一定的高水平，必须严格保证单元可靠性，在设计和制造过程必须采用相应措施，对最小割集对应的相关零部件的设计、研制、装配等过程更应该严格要求、严格把关。

图2 塞拉门故障树

图3 塞拉门系统故障树子节点

表1 车门系统故障树事件表

续表1

3.2 定量分析

根据现有资料、经验和广州地铁运营线近几年积累的故障记录，统计得到城轨车辆车门系统的各底事件的失效概率λi，在列车实际运行中，每列车平均每天运行时间为12h，列车回库后即进行日检，保证第二天的运行质量。因此在计算系统部件发生概率时，取各元件的工作时间t为12h。由统计时所得的底事件的故障率，计算可得各基本事件的发生概率为F( i)=1-exp(-λit)［6］，则底事件故障发生概率如表2所示。

表2 塞拉门系统故障树底事件的发生概率p(xi)和关键重要度

采用式(2)，计算得到车门系统故障树顶事件的发生概率Fs和系统可靠度Rs分别为:

故知城轨车辆车门系统的故障发生概率为0.038 8，车门系统的可靠度为0.961 2。计算结果表明车门系统的可靠性保持在较高水平，这与广州地铁运行的情况相符。

根据式(5)计算得到车门故障树最小割集的关键重要度如表2。根据重要度的分析，可得出EDCU内部模块故障(x6)、螺母副故障(x33)、锁闭开关S1故障(x8)、关门到位开关S4故障(x9)的概率重要度和关键重要度均比其他组件要高，为影响车门系统可靠性的关键部件，加强对这些部件的维护和管理，可以提高车门系统的可靠性。

4 结论

研究城轨车辆塞拉门系统的可靠性，首先分析塞拉门系统故障模式，然后建立塞拉门系统故障树模型，最后采用故障树定性定量分析方法，计算得到塞拉门系统整体的可靠度指标——故障率和初始事件的关键重要度指标。

车门系统故障树分析结果表明影响车门的主要部件有EDCU、螺母副故障、行程开关、丝杆故障等。在分析车门系统故障时发现，影响车门运行性能的因素除了系统部件性能因素，还包括外部环境因素、人为因素等，如司机误操作、乘客擅自启用紧急设备等。通过将故障多发的薄弱环节反馈给技改人员，可以制定更加合理的改进方案，比如针对薄弱环节，可设计冗余结构，针对人为因素，可加强乘客的相关知识的教育，最终改善车门运行性能，提升地铁公司服务水平。

［1］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.

［2］全达，孙秀芳，王缅.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):122-125，93.

［3］苏国强，李小宁，滕燕.气动点焊伺服焊枪实验平台及故障模式研究［J］.机械制造与自动化，2012(02):37-40，61.

［4］陈超.城市轨道车辆自动塞拉门系统研究［D］.南京:南京理工大学，2003(12).

［5］刘钧.上海轨道交通5号线车门系统的FMECA分析和应用研究［J］.地下工程与隧道，2010(4):39-42.

［6］姚玉成.液压系统可靠性(第一版)［M］.北京:机械工业出版社，2011.