受电弓故障模式分析与维护策略

王炜俊，洪 跃

受电弓故障模式分析与维护策略

王炜俊，洪 跃

受电弓作为城市轨道交通车辆的一个重要组成部件，是车辆供电系统的源头和重要环节，它从架空接触网上获取电能，并传递给车辆牵引逆变器和辅助逆变器，它的性能直接影响列车运行的可靠性。文章基于可靠性理论，对某型号受电弓进行FEMCA分析，并针对危害度最大的故障模式，提出改进措施，为今后制定维修策略提供依据。

受电弓；故障模式；维护策略

一、概 述

近年来，由于受电弓故障导致地铁车辆大面积延误的事件时有发生，可见受电弓在城市轨道交通车辆中扮演着十分重要的角色，它发生的故障可能会严重威胁车辆的运行可靠性［1］。因而十分有必要通过FMECA［2-3］分析方法，对受电弓故障进行详细分析，判断其获取主要故障模式，分析各故障部件危害度及成因，为今后维修策略的制定提供建议。

受电弓主要由底架、下部框架、上部框架、弓头、升弓装置、落弓气缸、休息位置传感器组成。图1为受电弓结构图。

图1 受电弓结构图

本文选取受电弓主要部件，结合近五年故障数据统计，运用故障模式影响及危害性分析的分析方法，研究故障危害性矩阵图，找出各种对受电弓危害严重的单点故障，制定维修策略。

二、故障模式影响及危害度分析的基本原理

FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Anal ysis）是故障模式、影响及危害性分析的简称，它由三个方面的内容组成：故障模式分析FMA、故障影响分析FEA和危害性分析CA。故障模式分析FMA和故障影响分析FEA构成了故障模式及影响分析FMEA，FMECA是在FMEA的基础上，结合CA，深入分析危害性影响的发生概率和等级。通过逐一分析各子系统和元件不同故障对系统工作的影响，FMECA可以全面识别薄弱环节和关键项目，为评价和改进系统设计的可靠性提供基本信息。故障模式分析FMA是罗列元件、子系统出现的故障状态或故障表现形式。

故障影响分析FEA是定义元件或子系统故障对产品造成的影响，也就是要根据部件故障的严重程度划分为不同的等级，不同的故障模式所造成的影响是不同的，因而对系统造成的最终影响也要差别的对待。

危害性分析CA由故障影响的严重性和发生的概率共同确定，一般分为定性分析法和定量分析法两种。由于具备具体的产品故障数据，故本文采用定量分析法来计算故障危 害度。定量分析法是根据工作时间 t、 故障率、故障模式比率、故障影响概率来计算产品的危害度Cr。

工作时间通常以工作小时或循环次数或运行公里数表示之。本文是以工作小时进行计算，单位为h。本文选取的统计样本为统计某地铁在2010～2014年这5年间受电弓运行的总时间，每天按运行20个小时来计算

故障模式影响概率β是指产品在某种故障模式条件下，丧失产品功能的条件概率。β值的确定是代表分析人员对产品故障模式、原因和影响等掌握的程度。通常β值的确定是按经验进行定量估计。有两种β值可供选择，见表1：

表1 故障影响概率β的推荐值

故障模式的危害度［4］Cmj 是产品危害度的一部分。产品在工作时间t 内，以第j 个故障模式发生的某严酷度等级下的危害度Cmj。

三、受电弓实例分析

根据上述介绍的故障模式分析方法FMA对受电弓进行故障模式分析，考虑到篇幅原因，选择了发生故障数较高的几种故障模式。

表2 受电弓故障模式统计表

通过数据统计可以看出碳滑板磨耗超标、分流导线断股、碳滑板磨耗不均匀、休息位置指示器降弓故障或线电压继电器故障、绝缘软管漏气、对角拉杆裂纹占到了所有受电弓故障71.35%，是受电弓的主要故障，需要重点检查。

根据故障模式分析方法FEA对受电弓进行故障影响分析，考虑到篇幅原因，选择了发生故障数较高的几种故障模式进行故障影响分析。

表3 受电弓故障影响分析表

在FMA和FEA分析中，虽然表1、表2根据故障模式发生次数进行排序，但是未体现故障模式的严酷度。例如有些故障可能发生频次很低，但是结果可能是致命的，因而需要在此基础上，结合严酷度进行全面地分析。故障模式对产品影响的严重程度称为严酷度，一般分为四类：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，受电弓严酷度等级评判表［5］如表4所示：

根据危害度计算的介绍，结合表4，通过计算得到受电弓危害度分析表，考虑到篇幅，罗列各严酷度等级下危害度较高的几项如表5所示。

通过上述故障模式危害度分析，得出了影响受电弓运行安全危害度最大的三种故障模式：18（碳棒磨耗超标）；47（分流导线断股）；50（降弓位置故障或线电压继电器故障）；这三种故障严重威胁了受电弓的运行安全性，应该首先采取改进措施。

为了综合考虑危害度和严酷度两个因素，确定故障模式改进措施的优先级，需要绘制危害度矩阵［6］，其中横坐标为故障模式严酷度等级，纵坐标为危害度。从而得到不同故障模式在矩阵图中的分布点，从坐标原点引出矩阵图对角线即危害度增长性方向，过故障模式的分布点作危害性增长方向的垂线，垂线的模值越大，危害度就越大，最终得到危害度矩阵如图2所示：

表4 受电弓严酷度等级评判表

表5 危害度分析表

图2 危害度矩阵

根据危害度矩阵图，影响受电弓安全运行的情况（依次递减）为：41、50、42、2、4、5、1、7、18、45、48、20、15、49、26、37、23、17、8、3、9、43、14、44、6、13。其中危害度最大的故障模式（按严酷度分类划分）是：Ⅱ类中的41（绝缘软管漏气，将导致无法正常升弓）、Ⅲ类中的18（碳棒磨耗超标，将导致弓网拉弧）。因此应该制定有针对性的维修决策来降低这些故障模式的故障率，提高受电弓可靠性。

四、受电弓维修的建议

通过对受电弓FMECA分析，得到了故障模式及危害度矩阵，就危害度矩阵图中分析的各故障模式影响的轻重程度，对影响轻重程度排序前几位的故障模式提出对应维修建议。由于篇幅原因，选取严重的几个进行分析。

（一）故障模式代码41（绝缘软管漏气将造成受电弓无法升起）维修建议：将使用过的软管送第三方检测评估工作状态和密封性能，若有必要提前批量更换。

（二）故障模式代码50（继电器接触不良，将造成受电弓无法升起）维修建议：评估继电器动作次数，对已接近理论动作次数的继电器提早进行更换；每年一次检查继电器触点和线圈电阻，更换超标的继电器。

（三）故障模式代码42（节流阀漏气，将造成受电弓无法升起）维修建议：将使用过的节流阀送第三方检测评估工作状态和密封性能。

（四）故障模式代码18（碳棒磨耗超标，将造成弓网拉弧）维修建议：根据万公里磨耗厚度，估算剩余使用寿命，在磨耗超标前提前更换。

安装在线检测设备，列车出入库时能实时监测碳棒厚度，裂纹等各项指标，提前预警；每年增加一次对受电弓弓头平衡调整的操作要求。

（五）47（分流导线断股，将造成部件受损）维修建议：将发生断股的分流导线送第三方评测分析原因；对分流导线材料进一步研究，是否可以通过镀锡等方式增加使用寿命。

（六）故障模式代码50（落弓位置故障，将引起受电弓状态与实际不匹配）维修建议：月检中增加对落弓位置指示器线路检查；月检中增加对落弓位置指示器感应距离尺寸检查；月检中增加清洁落弓位置指示器及高压绝缘板。

［1］GB/T3187.可靠性维修性术语.

［2］周海京，遇今.故障模式、影响及危害性分析与故障树分析［M］.北京：航空工业出版社，2003.

［3］王少萍.工程可靠性［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1997.

［4］董锡明.机车车辆运用可靠性工程［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［5］石君友，纪超.扩展FMECA方法应用研究［J］.测控技术，2011，（5）.

［6］赵云生，刘凤刚.FMECA工程技术在铁道车辆零部件设计中的应用［J］.铁道车辆，2009，（2）.

王炜俊，上海大学机电工程与自动化学院，申通庞巴迪（上海）轨道交通维修有限公司，上海，201615；洪跃，申通庞巴迪（上海）轨道交通维修有限公司，上海，201615

U269.6

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1007-7723（2015）05-0027-0004