地铁列车牵引力失效的可靠性分析

周爱萍 薛俊伟

（中国南车集团南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师）

地铁列车牵引力失效的可靠性分析

周爱萍 薛俊伟

（中国南车集团南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师）

运用功能性故障模式、影响及危害性分析法（FMECA）对地铁列车运行过程中牵引与电制动子系统出现的故障模式进行详细的分析。在全面研究南京地铁3号线牵引与电制动子系统控制原理的基础上，对功能性FMECA分析得出的最严重的故障模式——全部动车切除，进行了可靠性框图（RBD）分析。通过定性定量分析，得出系统中的关键元器件，为列车牵引与电制动子系统的设计、制造以及维护提供指导，确保列车满足可靠性要求。

地铁；牵引；电制动；可靠性；可靠性框图

First-author'saddressCSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

地铁列车牵引力失效等故障直接影响城市市民正常的生活和城市的有序运转，更重要的是影响到轨道交通运营质量和安全效益［1］。为了有效地降低列车发生故障的概率，确保列车正常运营和乘客的安全，本文对南京地铁3号线牵引与电制动子系统（DYN）进行详细分析和研究，对系统的可靠性进行评估和分析。

1 列车正常运行时牵引动力分析

1.1 正常运行时的设备功能描述

南京地铁3号线列车是由2个可动单元车组构成的“四动两拖”型编组方式。其DYN的主要目的是将受电弓收集到的直流高压转换成可变频变幅的三相电压，用以牵引或制动牵引电机。

受电弓连接在高压直流电路上，电力通过网侧高压系统分配到列车上不同的电力系统。列车动车底架安装一台高压箱，将牵引系统连接到直流供电的电网上，内部主要设备有高速断路器、辅助熔断器、线路电抗器以及接地开关等。

牵引系统的主要任务是将输入的电能最终转换成车辆的轮周牵引力，具有过压、过流、接地故障和过热保护的功能。其主要设备有牵引逆变模块、制动电阻、牵引电机等。高压箱输出的电能供给牵引逆变器（MCM），MCM将直流电压转化成变压变频三相电压的同时向4台并联的异步牵引电机供电，以驱动牵引电机。

当切换到制动模式时，电能方向反转且牵引电机作为发电机运作。此时机械能转换成电能。通常此电能被送回电网驱动其他列车或者消耗在制动电阻中。

1.2 正常运行时牵引控制原理分析

牵引指令实现的条件如下：有牵引指令发出，通过牵引授权控制电路以及牵引设备执行牵引指令。牵引控制回路的指令是由重要元器件组成的硬线控制传输来实现的。在列车自动驾驶（ATO）模式下，ATO模式继电器（AMR）常开触点闭合；符合牵引条件之后，列车自动控制（ATC）触发ATO牵引指令继电器（AMTDR），发出牵引指令信号；牵引指令信号发出后，经过牵引授权控制电路传输到牵引设备执行牵引指令。牵引授权电路如图1所示。

图1 牵引授权电路

正常驾驶模式下，牵引授权导通需要列车自动防护故障隔离开关（ATPFS）触点（7，8）闭合，以及司机室激活继电器（COR3）、所有停放制动缓解继电器（APBRR）和紧急制动继电器（EBR）等电子元器件的触点闭合，另外需要车载控制单元（OBCU）模块发出牵引允许指令。此OBCU模块的功能主要是让ATC系统检测是否满足牵引释放条件，例如车门关闭并锁好、紧急制动未施加等；当条件满足后，该模块发出正确牵引释放指令。其中OBCU属于ATC内部模块，后续分析中不予考虑。以上条件满足后，牵引授权电路导通，激活牵引列车线。牵引信号发送到牵引逆变器，牵引设备执行牵引指令，驱动牵引电机运转。

2 牵引与电制动子系统可靠性分析

可靠性分析方法主要分为解析法和模拟法2大类。其中，解析法主要包括可靠性框图（RBD）法、故障模式、影响和危害性分析（FMECA）法、故障树分析（FTA）法等［2-3］。这些方法主要是根据系统的结构和设备之间的逻辑关系建立系统的可靠性模型，通过递推或迭代等方法求解，对系统可靠性进行定量分析。

本文主要运用FMECA和RBD对牵引与电制动子系统进行可靠性评估。

2.1 FMECA

FMECA是可靠性分析的重要方法，是开展维修性、安全性、测试性、保障性分析的基础［5］，有硬件法和功能法2种基本方法。其中，功能性FMECA是最基本的列车级可靠性分析工具，主要是对各个子系统的功能进行分析。在项目执行初期，整车的详细设计尚未开始，产品的部件清单以及原理图等还未形成，只能根据产品的复杂程度，针对不同的级别（从设备级至系统级），分析研究其在发生故障的情况下可能产生的影响，区分出潜在的会导致运营故障的故障模式，并针对这些故障模式采取避免或补偿措施。

根据南京地铁3号线车辆采购合同以及南京地铁实际运营经验得出，牵引与电制动子系统的故障模式有以下3种：1个动车切除，2个动车切除，以及全部动车切除。对上述分析的故障模式进行功能性FMECA，以确定列车存在的运营故障模式，分析导致故障发生的原因，以及每个故障对牵引与电制动子系统和整个列车系统的影响程度；然后将这些故障记入可靠性分配及预测的范围，得出这些故障模式的故障率。具体分析见表1。

2.2 RBD分析方法

RBD分析是利用互相连接的方框来显示系统的失效逻辑，分析系统中每一个部件的失效率对系统的影响，以帮助评估系统的整体可靠性，是某一系统部件之间功能关系的表示［4］。它特别指出为了使系统在正常状态下运行而必须成功工作的那些部件。

针对表1中FMECA识别出的每种运营故障模式，通过RBD等可靠性分析工具进行定性定量分析。本文将以最严重的一种故障模式为例，即表1中的DYN-003（全部动车切除），介绍如何利用RBD分析法进行可靠性定性和定量分析，得出影响运营的元器件，并预测出相关故障率的可靠性分析过程。

在RBD建模时，南京地铁3号线列车有关的其它承包商的故障机理分析及故障数据不在本文分析范围内。因此，对于供应商和其它承包商负责分析的零部件，本文中作单一模块处理，将直接引用其可靠性参数；另外，RBD软件在进行定量计算时，按每天运营时间19 h计算任务可靠性。

2.3 RBD定性分析

利用专业RBD软件绘制出“全部动车切除”的可靠性框图，见图2～5。

表1 功能性FMECA

图2 全部动车切除框图

图3 司控器控制失效框图

图4 列车牵引授权指令失效框图

图5 牵引控制动力分配失效框图

通过RBD框图分析该顶事件可见，该故障模式主要是由4个主要的故障模块串联构成。由于南京3号线列车是由2个可动单元车组构成的“四动两拖”型编组方式，所以在全部动车切除故障模式中，每个功能模块实现并联功能。下面针对每个故障模块进行详细分析。

首先，牵引指令发出故障信息，即司控器控制部分故障，具体参见图3。司控器电源控制电路继电器以及几个ATO控制继电器（ATO模式继电器（AMR）、ATO牵引指令继电器（AMTDR）、ATO释放继电器（ATOMR）等），在控制回路中都是单点串联，是关键的元器件。其次，在ATO模式下，图2所示的牵引授权电路无法正常导通，具体分析参见图4。从图4中得出，司机室激活继电器（COR3）以及紧急制动继电器（EBR）是关键元器件。第三，是牵引动力分配失效，主要包括4个动车中所有牵引动力设备功能丧失。图5主要考虑牵引设备的控制用电部分。该部分由牵引设备保护电路用的断路器组成，例如牵引逆变器控制电源断路器（MCMCB）、牵引风机断路器（PAFCB）等。由于GJB 299C—2006中预测出的断路器故障率较高［6］，另外控制着牵引设备的控制用电，所以仍需要重点关注。牵引动力分配的牵引设备，包括牵引逆变器、牵引电机等故障分析由供应商单独分析。

2.4 RBD定量分析

定量计算中用到的供应商设备的故障由供应商提供，部分故障率参数为实际运营中故障数据统计分析得到，其余元器件故障率根据GJB 299C—2006预测所得［6］。

通过RBD分析软件计算得出，四分之一的动车切除（DYN-001）的故障率为2.7×10-5/h；二分之一的动车切除（DYN-002）的故障率为5.6× 10-6/h；全部动车切除（DYN-003）的故障率为1.4×10-10/h。故障率合计为3.3×10-5/h，满足项目执行初期对牵引系统的可靠性指标分配值。

2.5 可靠性分析结论

针对上述定性定量分析中得出的安全关键件（EBR、AMR、AMTDR等），在设计阶段元器件选型时，应优先选用故障率低、可靠性高、经过实际运营验证的电子元器件，并制定合适的元器件参数。在生产制造阶段，应确保接线以及安装正确，并进行必要的检查和测试，确保功能正确实现。在运营维护阶段，应按照预防性维护计划周期，定期检查，定期更换。

3 结语

针对列车牵引与电制动子系统在运营过程中易出现的故障现象，本文运用功能性FMECA方法对故障原因、影响及相关措施进行了详细的分析，并针对最严重的故障模式——全部动车切除，运用可靠性框图分析法，进行有效的定性和定量分析，得出该系统的关键元器件，为列车牵引与电制动系统的设计中元器件选型、制造以及运营维护阶段的工作提供依据。

［1］ 郑吉.地铁牵引供电系统可靠性分析［D］.成都：西南交通大学，2009.

［2］ EN 50126—1999 Railway Applications：the Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）［S］.

［3］ 胡海涛，高朝晖.基于FTA和FMEA法的地铁牵引供电系统可靠性评估［J］.铁道学报，2012（10）：48.

［4］ 朱爱凤，薛淑胜.城市轨道交通车辆可靠性分配及预测［J］.城市轨道交通研究，2013（2）：12.

［5］ GJB/Z 1391—2006故障模式、影响及危害性分析指南［S］.

［6］ GJB/Z 299C—2006电子设备可靠性预计手册［S］.

［7］ 顾文娟，薛淑胜.运用功能的故障、影响、危害性分析以及故障树综合分析列车安全性［J］.城市轨道交通研究，2012（6）：84.

Analysis of Subway Train Reliability after Traction Power Failure

Zhou Aiping，Xue Junwei

By using the method of functional failure mode，effects and criticality analysis（FMECA），the failuremodes occurred in the traction and electrical brake subsystem in subway train operation are analyzed in detail.Based on a comprehensive study of the control principle of traction and electrical brake subsystem on Nanjing metro Line3，the most serious failure mode-excision of all moter cars-derived from the funtional FMECA is analyzed by using the reliability block diagram（RBD）.Besides，through qualitative and quantitative analysis，the key components are obtained，which provide the guidance for the design，manufacture and maintenance of the traction and electrical brake subsystem，to ensure that the reliability requirements for train be satisfied.

metro；tractive force；electrical brake；reliability；reliability block diagram

U 260.13+8；U 298.1

2013-03-08）