基于FTA与CA的地铁车辆塞拉门系统可靠性研究

龚兴华，张逸迁，张少东，王伯铭

（1 南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏南京210031；2 南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001；3 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

地铁与轻轨

基于FTA与CA的地铁车辆塞拉门系统可靠性研究

龚兴华1，张逸迁2，张少东3，王伯铭3

（1 南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏南京210031；2 南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001；3 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

从国内目前常见的地铁车辆塞拉门系统的特点出发，结合其结构特点与常见故障模式，提出“FTA故障树分析法—CA危害性分析法”相结合的可靠性分析思路。并针对某地铁车辆所采用的塞拉门系统作基于此方法的可靠性分析，最后得出地铁车辆塞拉门系统的各主要故障模式的危害度矩阵图，从而为塞拉门系统的检修与维护提供一定的参考。

地铁车辆；塞拉门系统；可靠性；故障树分析；危害性分析

世界各个国家所拥有的地铁虽然型号不尽相同，而且地铁车辆车门型号和种类也各有特色，但是根据城轨交通的特点，所有的地铁车辆车门按照驱动形式分类通常可以分为：气动式车门（依靠驱动气缸来驱动车门运动）或电动式车门（依靠直流或者交流电机来驱动车门运动）。若按照车门运动轨迹或安装特点来分类又可以分为：藏嵌入式移门、外挂式移门、塞拉门、外摆式车门4种［1］。由于塞拉门有着隔热隔音性能好、开关门速度快、运行抖动小、不影响车体外观流线型等诸多优点，所以大多数地铁车辆都采用塞拉门结构。本文中所要分析的车门系统就属于电动式塞拉门结构。

塞拉门最开始只在高速列车上有着非常广泛的应用，例如：德国ICE列车、日本新干线列车、法国TGV列车的车门都使用了塞拉门结构。经过几十年的发展，塞拉门的结构和品种也逐渐形成了自己特有的系列，用以满足不同车辆的要求。总的来说，相比于内藏门和外挂门，塞拉门有着高开合度、开闭机构简单可靠、密闭性强等特点。这也使得塞拉门成为地铁车辆设备制造商和供应商的良好选择。

尽管如此，塞拉门系统却受到自身结构复杂，安装困难，开关门动作繁复的缺陷，所以其可靠性问题一直饱受诟病。本文将采用故障树分析（简称：FTA）与危害性分析（简称：CA）相结合的分析方法针对地铁车辆塞拉门系统进行综合可靠性分析。

1　地铁塞拉门系统故障树分析（FTA）

1.1地铁车辆塞拉门系统简介

塞拉门系统是集驱动电机、连杆机构、传感器等零部件为一体的复杂机构。并且，从可靠性框图结构上来看，塞拉门系统是一个典型的串联结构，这也是导致其可靠性较低的主要原因。图1介绍了塞拉门系统的功能原理。

从图1可以看出，车门执行开关门动作的时候，首先由司机操作并且发出指令控制门控器使驱动电机运转，由于驱动电机连接着传动机构，所以最终在承载导向机构的辅助作用下，电机的扭矩被转化为左右门扇的左右平动，从而实现开关门动作。司机室侧门与客室车门结构大致相同，唯一的区别是司机室侧门采用的是手动塞拉门，所以这里不再就此赘述。

1.2地铁车辆塞拉门系统的故障树建立

根据车辆检修段所反映的塞拉门系统故障模式和历史记录，将塞拉门系统的顶事件确定为塞拉门系统开关门故障，并且结合故障模式的上下级的相互关系，逐步分析出该型号塞拉门系统的各个底事件故障模式［2］。需要说明的是，本文只是通过故障树分析确定出塞拉门系统的各级故障模式，而对于底事件的定量分析，则在后文中的危害性分析过程中完成。根据对塞拉门故障数据和故障模式的总结和分析，得出如图2的塞拉门系统开关门的故障树图。

图1　某地铁车辆塞拉门系统功能原理图

图2　塞拉门系统开关门故障树

从图2可以看出，由顶事件可以分解出6个第二层事件，分别用G1至G6来表示，并且用“或门”将它们与顶事件相互连接起来。接着，由G1中间事件可以分解出A5至A7的3个底事件，并且使用“或门”将它们与G1连接起来。由此类推，既可得到由21个底事件所组成的塞拉门系统开关门故障树了，在此，用A1至A21来表示着21个底事件。在图2中所涉及到的故障编码以及故障模式发生的概率被列在了表1中。

从表1可以看出，地铁车辆塞拉门系统故障主要由机械承载结构故障、车门安装工艺不合格、驱动电机套件故障、锁闭装置故障、车门基础部件故障和车门控制信号故障等6大部分所组成。在后文中将以故障树分析结果为基础，对各底事件故障模式的危害性进行分析。

2　地铁车辆塞拉门系统故障模式危害性分析（CA）

危害性分析理论源于故障模式影响及危害性分析（简称：FMECA），FMECA是一种重要的可靠性和维修性分析方法。危害性分析是按照故障的严重程度并结合该故障发生概率、故障模式比率、故障影响概率、工作时间等综合因素全面客观评价各个故障的分析过程。通常，进行危害性分析的方法分为定量分析法和定性分析法两种。若产品故障数据比较缺乏，则通常采用定性分析法来评价该故障模式；若故障数据可靠，则采用定量分析法来评价该故障模式。本文的塞拉门系统可靠性算例由于获得了基于现场调研和产品故障报告等较为完整的综合故障数据，故采用危害性定量分析的方法，以得到更精确的分析结果。

表1　塞拉门系统故障树编码信息

本文所采用的危害性定量分析方法主要包括危害度计算和危害度矩阵作图两部分。根据FMECA计算规则，将危害性定量分析过程中所需要确定的参数总结于表2中。

结合地铁车辆塞拉门系统的实际情况，将故障影响概率等级βj的定义列在表3中。

表3　故障影响概率等级

需要说明的是，在使用如表2中的Cr的时候涉及到工作时间变量t。本着产品的导向安全设计准则，作如下规定：塞拉门系统的所有零部件一旦出现故障，则判定塞拉门系统故障，立即停止工作。通过这样的假设可以得到一个重要信息：塞拉门系统的所有零部件的工作时t相同。由于时间相同，在文中未讨论t的具体数值，而将这个参数直接保留在了危害度计算的结果中，如表4所示。

塞拉门系统开关门故障树的底事件CA定量分析表中详细地列出了影响塞拉门开关门故障的常见故障模式和该故障模式的故障率、重要度等信息。在获得了几项重要指标过后，就可以对塞拉门系统进行危害度矩阵的定量分析。根据危害性定量分析的步骤，作出塞拉门系统的故障模式危害度矩阵图，如图3所示。

表4　塞拉门系统C A定量分析表

图3即为塞拉门故障危害度矩阵图，该图清晰的表示了各个底事件故障的危害性关系。危害度矩阵图的作图过程可概括为：依据危害度及严重度等级确定出故障模式在危害度矩阵图中的位置，并用故障模式代号标注位置点，最后将故障模式所对应的点向对角线做垂线，得到垂线与对角线的交点。由危害度矩阵图的原理可知，0到各个交点的距离长短表示了该故障模式的危害性的大小。因此，按照塞拉门危害度矩阵图的结果，可以得到各故障模式危害性大小排序，用故障模式代号可表示为：1103＞1207＞1205＞1309＞1412＞1618＞1308＞1619＞1621＞1620＞1617＞1102＞1413＞1104＞1414＞1411＞1310＞1206＞1101＞1515＞1516

3　结 论

由以上基于FTA与CA的可靠性分析，可以得出几个地铁车辆塞拉门系统的重要结论：

（1）在塞拉门开关门故障中，根据这些故障的发生概率，结合它们的危害性定量分析结果，可以发现，在塞拉门故障中危害性最严重的是：平衡压轮与门扇凹槽干涉、上滑道类故障和驱动电机类故障。而且这些故障模式的危害性远远超过了其他故障模式的危害性。

图3　塞拉门系统故障模式危害度矩阵图

（2）继危害性最高的3种故障模式之后，可以根据后面的危害性排序得知，在塞拉门系统中车门控制系统故障的危害性也较高。具体到零部件上即为：EDCU类故障。

（3）在整个塞拉门故障分析中，危害度较低的故障类型有滑道及导轨类变形故障、门框条松动和上下滑道内有异物故障。由于，上述几类故障模式的危害性较低，所以在故障处理时可以放在靠后的位置。

图4　塞拉门零部件建议检修顺序

根据这种方法，将建议的塞拉门重要部件建议检修重点进行归纳和整理，结果如图4所示。使用故障树分析和危害性分析相结合的方法，以现场故障数据为基础，对某地铁车辆塞拉门系统进行了实例分析，得出了如图4的塞拉门系统零部件检修和维护顺序。为了提高地铁车辆塞拉门系统在运用过程中的可靠性，地铁运营公司需要加强对文中所提到的薄弱环节进行改进。

［1］ 鄢桂珍，宋正飞.铁路客车用自动塞拉门［J］.铁道车辆，2000，（3）：34-36.

［2］ 夏 军，郭 翔，邢宗义.地铁车门系统故障模式可靠性分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2014，（3）：49-52.

［3］ 胡今强，梁 洪.广州地铁车门故障分析及改进［J］.铁道车辆，2000，（9）：38-39.

［4］ 刘 萍，程晓卿，秦 勇，张媛，邢宗义.基于模糊故障树的塞拉门系统可靠性分析［J］.中南大学学报（自然科学版），2013，（S1）：310-314.

［5］ 梁先登，刘英舜，毛一轩.地铁设备维修策略优选方法及实证［J］.城市轨道交通研究，2010，（5）：64-68.

［6］ 王冬雷.广州地铁4号线车辆塞拉门系统的特点及常见故障分析［J］.电力机车与城轨车辆，2006，（6）：44-46.

Reliability Analysis of the Subway Vehicle Sliding Plug Door Based on the FTA and CA

GONG Xinghua1，ZHANG Yiqian2，ZHANG Shaodong3，WANG Boming3
1 CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031 Jiangsu，China；2 CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China；3 School of Mechanical Engineering of South west Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This essay is derived from the structural characteristics and the common failure modes of the sliding plug door of the subway vehicle. A fresh method for reliability analysis，which is based on＂FTA--CA＂calculation is proposed.Besides，according to the features of a certain subway vehicle，a reliability analysis outcome along with the matrix figure of CA which indicates the most crucial failure modes of sliding plug door will be obtained.The conclusion of this analysis is able to provide reference to the maintenance of the subway vehicle sliding plug door.

sub way vehicle sliding plug door；reliability；fault tree analysis；criticality analysis

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.18

1008-7842（2015）04-0079-05

1—）男，工程师（

2015-03-30）