基于GO法地铁车辆客室车门可靠性评价*

2013-03-17董军哲杨建伟

城市轨道交通研究 2013年4期

董军哲杨建伟黄强

(1.太原科技大学机械电子工程学院，030024，太原;2.北京建筑工程学院机电与汽车工程学院，100044，北京;3.中国铁道科学研究院，100044，北京∥第一作者，硕士研究生)

地铁列车运营线路站距短，客室车门开启关闭频繁，极易导致车门的门控电气元件和机械零部件发生损坏，造成正线运营列车的客室车门频繁产生故障［1］。根据国内外统计，在轨道交通车辆系统中，车门系统的故障占车辆系统总故障的30%以上，对列车运行的安全性构成了严重的威胁，亟待解决［2］。为了有效降低客室车门的故障，确保列车的正常运营，本文提出应用GO(Goal Oriented)法进行地铁车辆客室车门的可靠性分析。

车门系统可靠性状态可用相关的可靠性特征描述。目前，常用的可靠性分析方法主要包括可靠性框图法、故障树法和故障模式及后果分析法等。这类方法依赖专家知识推演，不易建模，缺乏模块化、结构化分析模型，不适合于车门系统这类高维修性系统［3－4］。地铁车辆客室车门系统属于可修系统，本文应用GO法对车门系统进行可靠性评估，建立了GO模型，并结合GO程序，考虑共有信号的修正，可方便快捷地对地铁车辆客室车门系统的可用度、失效率等可靠性特征量进行精确的定量与定性分析。可靠性分析结果对提高现有系统的可靠性具有重要意义，并为实现系统故障诊断提供了理论依据。

1 地铁车辆车门系统

1.1 齿带传动式车门系统简介

车门的传动方式主要有齿带传动和螺杆传动两种。目前，北京地铁国产化新造车，以及北京城铁13号线、天津轻轨滨海线等使用的车辆均采用了齿带传动的门系统。齿带传动具有传动准确、平衡、无滑差又节能、承载能力高、寿命长、传动噪声低、带齿受力均匀合理、具有最小膨胀系数和最大可靠性等特点［5］。因此，齿带传动更适应未来市场的需要，是轨道车辆自动门系统传动方式的发展趋势。

齿带传动式客室车门结构如图1所示，主要由一个电机装置、一个悬挂装置、安装支架和门控单元等设备组成［6］。

电机装置:由外部电源1给步进电机2供电，产生驱动力矩;联轴节3将驱动力矩传递给行星减速器4;减速器输出轴通过轴承5，将驱动力矩传递到解锁滑轮6，同时通过垫片7和弹性挡圈8将驱动力矩传递到左传动滑轮9。

悬挂装置:左、右两扇门页19、20分别通过齿带夹板12、14与齿带11两侧相连，齿带两端有传动滑轮9和10，使得齿带形成一个闭环;通过驱动滑轮的驱动，使齿带11绕着齿带滑轮做旋转运动，同时带动两扇门页在上下导轨15、21内做相反方向的运动，达到两扇门页同步运动的状态。

图1 齿带传动式客室车门结构图

1.2 车门控制系统

地铁列车客室车门主要有开门、关门、警示灯/蜂鸣器、障碍物探测(关门防夹、开门时障碍物探测)、车门切除、主隔离、紧急解锁等功能［7］。上述功能的实现，与车门控制系统中的车门锁闭行程开关(S1)、车门关闭行程开关(S2)、紧急解锁开关(S3)以及车门电源切除开关(S4)等四个行程开关有密切关系。车门控制原理如图2所示。

图2 车门控制系统原理图

2 车门系统的GO法模型

2.1 车门系统故障分析

客室车门故障可以分为机械故障和电器故障。电器故障主要表现为EDCU(电子门控单元)、电源、车门制动器、车门电机、门外部指示灯、继电器、TIMS(列车综合管理系统)等引起的开门、关门问题;机械故障主要是车门尺寸变形或车门尺寸调整不良等引起的车门限位开关故障、机械零件丢失、磨损、螺丝松动等。

2.2 车门开启逻辑原理

零速列车有效时(列车速度≤3 km/h)会激活EDCU内部的安全继电器，激活后的安全继电器使锁闭装置的电磁线圈得电，从而对解锁滑轮解锁。零速列车线失电时，开启的车门将立即关闭。车门的开启与关闭由零速、开门和关门列车线的电平决定。列车靠站停稳后，在得到ATP(列车自动防护)给出的信号后，开门按钮内的指示灯亮起，按下该按钮，开门列车线得电，向 EDCU发送开门信号。EDCU接收到信号后，在电机驱动下，门翼向开门方向移动，直到橡胶止档与门框接触，车门完全打开。车门开启逻辑原理如图3所示。

2.3 车门系统GO法模型的建立

车门系统中电源、零速信号、ATP信号和车室门按钮等是系统的输入单元，用类型5操作符模拟;电机、联轴器、轴承、齿带等机械传动单元用类型1操作符模拟;电源切除开关S4和车门EDCU，用类型6操作符模拟。本文研究目前地铁车辆客车车门开启过程，对其工作原理逻辑图进行变换，得到GO法图示化模型(见图4)。图中短横线左侧的数字代表操作符的类型，右侧数字为系统单元对应的编号。车门系统模型中的单元可靠性参数如表1所示。表中数据来源于某地铁列车运营历史数据统计及经验值。

图3 车门开启逻辑原理框图

3 系统可靠性分析

3.1 可修系统的可靠性特征量

可修系统是处于正常工作状态和停工维修状态的交替之中的系统，系统发生故障和完成维修都有随机性。假定地铁客车车门系统中元件和子系统都是服从指数分布的可修系统，则系统的可靠性特征量如下［8］:

(1)故障率λ;

(2)维修率μ;

图4 车门系统GO法模型

表1 车门系统模型中的单元及特征数据

3.2 系统GO法模型逻辑简化运算步骤

稳态分析的可修系统只是两状态系统。操作符输入信号、操作符本身和操作符输出信号的正常状态概率、故障状态概率、故障率、维修率分别记为［PS(1)，PS(2)，λS，μS］、［PC(1)，PC(2)，λC，μC］、［PR(1)，PR(2)，λR，μR］。车门可修系统 GO 法的定量分析应用参考文献［9］。在图4中，操作符1～10的类型都是串联逻辑的，因此可以把操作符1～10作为一个整体模块MOD处理，并且是完全串联的模块。在完全串联的模块中，失效率的计算为简单的加法运算，维修率的运算也可以局部求和计算得到。该子模块的计算公式为: