基于模糊FMECA的地铁车门可靠性分析

夏军，任金宝，季海燕

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

基于模糊FMECA的地铁车门可靠性分析

夏军，任金宝，季海燕

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

利用传统的FMECA方法对地铁车门进行可靠性分析，会因为评价因素多且故障描述语言及评判指标的不确定性和模糊性，难以得出精确有效的分析结果。利用模糊综合评判方法对传统FMECA方法进行改进，形成模糊FMECA方法。将模糊FMECA方法应用于地铁车门系统三个部件的可靠性分析中，根据危害度评判结果得出车门部件各故障模式的危害等级排序，从而找出车门系统的可靠性改进和维修的重点。分析结果与实际情况吻合，验证了该方法的有效性，说明模糊FMECA方法对提高车门系统可靠性有重要价值。

车门系统；可靠性；模糊综合评判；FMECA

0 引言

随着地下轨道交通的大力发展，地铁列车在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。地铁车门系统作为乘客上下地铁列车的通道，其可靠性关系到乘客的人身安全能否得到保障和地铁列车能否正常安全运营。FMECA方法是一种常用的系统可靠性分析的方法，采用表格的形式统计分析出系统各个零部件的故障模式、故障原因、故障影响、严重度以及补偿措施等信息，然后根据现场故障数据进行危害性分析，进而求得系统各零部件的关键故障模式或薄弱环节。

但是，传统的FMECA是界限分明的确定性方法，“非此即彼”、“非好即坏”，忽略了实际存在的中间态不确定性以及语言描述的模糊性、影响因素的复杂性等问题，对各部件进行定量分析时存在一定难度，需要有经验的工作技术人员将模糊指标定量化。文中将模糊综合评判的方法融入到传统的FMECA方法中形成模糊FMECA方法[1]，用定量方法处理定性问题，将各部件的故障模式的危害性清楚表示出来，使传统的FMECA方法变得更加科学化，并将其应用到地铁车门系统的可靠性分析中。

1 模糊FMECA方法基本原理

模糊FMECA主要应用模糊关系的特性，从多因素角度对被评估事物隶属等级状况进行综合评估，从而对传统FMECA方法进行改进形成的更科学化的方法。模糊FMECA的基本流程图如图1所示：

图1 模糊FMECA基本流程图

模糊FMECA方法的基本步骤[2-3]如下：

1) 建立因素集

因素集是影响评估对象的各因素集合，不同元素代表不同影响因素。因素集通常用U表示，如故障模式k评估分析的因素集可以表示为：

(1)

2) 建立评价集

评价集是由对评价对象可能做出的评价结果所组成的集合，通常用V表示，即

V={V1,V2,…,Vj…Vm}

(2)

式中：Vj表示评价等级的第j个等级，m为评价分级数。

3) 建立模糊评价矩阵

(3)

将第k个故障模式的各因素评价集写成故障模式k模糊因素水平评价矩阵为：

(4)

4) 确定各影响因素权重集

权重集是为了反映各影响因素的重要程度而赋予的相应权数所组成的集合。权重确定的恰当与否，直接影响综合评判结果。通常运用层次分析法求权重集，具体步骤如下[6]：

(5)

在文中采用最常用的方根法求各影响因素权重。方根法的基本过程是将判断矩阵A的各行向量进行几何平均，然后归一化，得到排序权重向量。计算步骤如下：

a) 计算判断矩阵A各行元素乘积的n次方根：

(6)

b) 对向量M归一化：

(7)

c) 计算判断矩阵A的最大特征值：

(8)

式中:(AW)i为AW的第i个分量。

计算出判断矩阵的最大特征根λmax及其所对应的特征向量之后，再进行一致性检验，计算一致性比率Rc：

Rc=IC/IR

(9)

式(9)中，指数IC为一致性指标，IC=(λmax-n)/(n-1)，IR表示判断矩阵的平均随机一致性指标，通过查找文献得知，当n=3时，IR=0.58；n=4时，IR=0.90；n=5时，IR=1.12。

当Rc<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当修正。

5) 1级模糊综合评估

将故障模式k的因素权重集改写为向量形式。则:

(10)

式中：Bk为故障模式k的模糊综合评价向量。

6) 综合危害等级的确定

为了更直观地看出结果，通过加权平均法对Bk进行处理，得到一个简单数值C来表示评价结果，即：

C=B·VT

(11)

7) 多级模糊综合评价

实际的复杂系统由多级子系统构成，进行多级模糊综合评价时，首先对底层子系统各故障模式分别进行l级模糊综合评价[7-8]，得到其模糊综合评价向量和综合危害等级分，然后将子系统的各故障模式作为2级模糊综合评价的影响因素，即:

U={故障模式1，故障模式2，…，故障模式k}因素水平集V不变，再用层次分析法求出各影响因素的权重集，利用模糊综合评价法对系统进行综合评价。采用此方法可以得到2级模糊综合评价，再依此类推，便可以得到系统的多级模糊评价。

3 地铁车门的模糊FMECA分析

通过对国内某地铁二号线车门系统故障数据的统计分析，可以得知门控器EDCU、车门关闭行程开关和螺母组件是车门系统中故障率最高的三个部件，现以此三个部件为例，利用模糊FMECA方法对其进行可靠性分析。

EDCU、车门关闭行程开关和螺母组件的FMEA分析结果如表2所示。

在FMEA分析的基础上，对故障模式分别进行模糊综合评价，其步骤如下：

1) 建立因素集

在对车辆塞拉门系统进行故障危害性评价时采用因素集[9]：

U={故障概率，严重度，检测难易程度，维修难易程度}

2) 建立评价集

3) 建立故障模式的模糊评价矩阵

应用同样的方法可以确定故障模式2-10的模糊评价矩阵分别为：

；；

表3 因素水平等级划分表

4) 确定各故障模式的因素权重集

经过十位专家的评定，故障模式1各个影响因素的判断矩阵及权重如表4所示。

表4 故障模式1的各影响因素权重

计算可得Rc=0.0438<0.1，说明判断矩阵的一致性可以接受。因此，可以确定故障模式1的因素集对应的权重向量为：W1=[0.564,0.263,0.055,0.018]。

其余各故障模式的影响因素均采用与故障模式1相同的权重向量，即：

5) 各故障模式的1级模糊综合评价

故障模式1的一级模糊综合评价向量为：

应用同样的方法可以求出其余故障模式2-10的一级模糊综合评价向量分别为：

6) 综合危害等级的确定

故障模式1的综合危害度等级为C1=B1VT=2.106。

应用同样的方法可以计算出其余各故障模式的综合危害等级分别为C2=3.233，C3=2.426，C4=1.886，C5=2.154，C6=2.364，C7=1.187，C8=1.388，C9=1.79，C10=1.994。

7) 2级模糊综合评价

根据综合危害度大小，可知地铁车门系统故障率最高的三个部件中，危害度最大的是门控器EDCU，其次是关闭行程开关S1，螺母组件最小。

门控器EDCU中，危害度最大的故障模式是功能失效，其次是插头松动。关闭行程开关中，危害度最大的故障模式是破损，其次是功能失效，危害度最小的是间隙异常。螺母组件中，故障模式危害度从大到小排列为：破损、功能失效、松动、安装角度失调、润滑不良。因此门控器EDCU需要重点关注，是可靠性改进的重点，而门控器EDCU子系统中的功能失效问题更是重中之重。经某地铁现场调研分析发现，这一评判结果与事实相符。

利用同样方法可以计算车门系统其他组成部件的故障综合危害等级，并进行危害度优先排序，从中找出危害性最大的部件，对其提出相应的可靠性改进措施，为提高车门系统的可靠性提供有价值的参考。

4 结语

提出了基于模糊综合评判的模糊FMECA方法，能有效解决传统FMECA中的难以处理的模糊性和不确定性问题，将定性评价指标定量化，使可靠性分析结果更科学、准确、合理。利用模糊FMECA方法对车门系统故障率最高的三大组成部件的可靠性进行分析，得出门控器EDCU、车门关闭行程开关和螺母组件的各故障模式和此三部件的综合危害等级的排序。经地铁公司现场调查分析，此评判结果与实际情况相符合。根据此结果有针对性的进行可靠性改进，有利于提高车门系统的可靠性水平，并为将模糊FMECA方法推广到整个列车系统提供了一定的借鉴意义。

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[3] 戴城国, 王晓红, 张新, 等. 基于模糊综合评判的电液伺服阀FMECA[J]. 北京航空航天大学学报, 2011,37(12): 1575-1578.

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Reliability Analysis of Metro Door System Based on Fuzzy FMECA

XIA jun, REN Jin-bao, JI Hai-yan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The traditional FMECA is used to analyze the reliability of metro door system,Due to many fuzzy and uncertain evaluation indexes, it is difficult to obtain an accurate and effective result. This paper uses the fuzzy comprehensive evaluation to improve the traditional FMECA which is formed into a fuzzy FMECA. Then, the fuzzy FMECA method is applied in the reliability analysis of the door’s three components. According to the criticality, all failure modes are ranked and the emphases of reliability improvement and maintenance are found. The analysis result shows that the fuzzy FMECA method is helpful to the improvement of metro door reliability.

door system; reliability; fuzzy comprehensive evaluation; FMECA

国家自然科学基金资助项目(1074151)；国家科技支撑计划项目(T1DB300020，T1DB200010)；铁道部科技研究计划项目(2010X008)

夏军(1988-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，从事城市轨道交通车辆的可靠性分析。

U231+.92；TP273+.4

B

1671-5276(2014)02-0184-04

2013-02-12