地铁车门系统失效故障树仿真分析

郭云健，段晓霞，谈立成，田雪艳，张爱华(中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035)*

地铁车门系统失效故障树仿真分析

郭云健，段晓霞，谈立成，田雪艳，张爱华
(中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035)*

利用FTA技术，建立地铁车门系统失效故障树模型，根据故障树基本事件(底事件)对应的故障率以及分布规律，运用蒙特卡洛( Monte Carlo)法对地铁车门系统可靠性进行模拟计算，得出了地铁车门系统失效概率模型，同时将仿真结果与理论计算结果进行了对比分析.结果表明:仿真结果与理论计算比较吻合，计算方便、可靠、快捷，提高车门系统的可靠性，为日常维护提供了依据，同时此方法适用于部件服从任意分布类型，体现了其处理复杂系统可靠性问题的优越性.

车门系统;故障树;蒙特卡洛;可靠性

0 引言

客室车门系统作为地铁车辆系统中关键的系统之一，其结构组成比较复杂，涉及机械、电气等多个方面.通过对国内外地铁列车运营数据统计分析后，发现客室车门系统的故障发生率占车辆系统总故障率的比例可达30%［1］，如此之高的故障率，已严重威胁到车辆运营，影响了地铁列车运行的可靠性、安全性.为此，对客室车门系统开展可靠性分析，进而保证列车运行安全、可靠是十分必要的.

传统的可靠性分析方法只是根据所分析故障系统的故障树模型进行定性以及定量分析，所得计算结果只是所分析系统某一时刻的可靠度，因而此方法在分析系统失效规律变化上存在着很大的局限性，无法直观性的显示出系统故障的整体变化趋势，鉴于以上不足，本文将采用在故障树分析的基础上，运用蒙特卡洛模拟的方法对地铁车门系统失效进行可靠性仿真，得出客室车门系统失效变化趋势，计算出车门系统的各项可靠性指标(如MTBF、失效率等)，对分析系统可靠性提供了数据支撑.

1 故障树分析( FTA)

故障树分析( FTA)是依据系统可能发生的事故或已经发生的事故结果，去寻找与该故障发生有关的原因、条件和规律等，同时可以辨别出系统中可能导致该故障发生的危险源.故障树分析( FTA)既可以进行定性分析又可以进行定量分析.

1.1定性分析

定性分析是故障树分析的基本任务，其作用是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出导致故障发生的所有最小割集，进而对最小割集进行分析，帮助设计、分析人员发现潜在的故障，找出设计中的薄弱环节，据此制定相应的改进措施.

1.2定量分析

定量分析主要包含两方面内容:①利用输入系统中各组成单元(底事件)的失效概率求出系统的失效概率;②求解出各组成单元(底事件)的重要度，最后可依据重要度的分析结果，排序出最佳的故障诊断和修理顺序，同时也可作为首先改善相对不大可靠的单元的数据.

2 可靠性仿真

2.1 建立仿真模型［2］

假设所分析系统由n个基本事件组成，用s代表系统，则有:

其中，每个基本事件所对应的失效分布函数为:

所分析系统的故障树结构函数用φ［X( t)］表示，系统状态可表示为:

令

用φ( t)表示所分析系统顶事件在t时刻的状态变量，则有:

且φ( t) =φ［Xi( t)］，从中可以看出φ( t)的变化由Xi( t)决定.

2.2蒙特卡洛仿真过程

与传统数值解法比较起来，蒙特卡洛法完全无需知道参数的分布类型及概率参数等内容，因而可以用于正态分布、对数正态分布、指数分布、威布尔分布等任何一种分布解决问题.利用蒙特卡洛法分析，其可靠度精度相对较高，方法比较简单，快捷.随着计算机技术的飞速发展，随机问题可以在计算机仿真上可以得到较为完善的模拟和解答［3］.具体仿真实现过程如下:

( 1)利用蒙特卡洛法对客室车门失效故障树的所有底事件的寿命进行随机抽样计算，得出每个底事件失效时间的随机样本t1，t2，…，tn( n = 1，2，3，…，38) ;

( 2)将得到的所有失效时间按照由小到大的顺序进行排列tf1，tf2，…，tfk，…，tfn，进而判断出基本事件的状态xi( s)，得出系统发生失效的运行时间tk;

( 3)反复进行步骤( 1)与步骤( 2)计算，直到φ( t) =1为止，此时系统P处于失效状态;

( 4)设定系统仿真的总次数N，系统最大仿真工作时间为tmax，将( 0，tmax］分成m个区间，用Δm表示在时间间隔［tr－1，tr］内系统的失效数，即:

( 5)可靠性指标计算.

( a)计算客室车门系统可靠度

( b)计算客室车门系统失效率

( c)计算客室车门系统MTBF值

3 车门组成及功能原理

客室车门系统主要由以下几部分组成:

①顶部机构(包括驱动传动和承载导向装置) 1个;②扇门板(带下滑道) 2个;③平衡轮装置2个;④滚轮摆臂装置2个;⑤内外紧急解锁装置;⑥隔离锁开关组件1个;⑦顶部机构与车体的连接件1套;⑧安装在车体上的密封型材(上、下、左和右) 1套等［4］.具体组成结构如图1.

图1 车门组成示意图

车门系统的功能如下:

( 1)通过司机室发出的集控信号实现开/关门功能;

( 2)紧急解锁功能.利用钥匙操作安装在门罩板上的内紧急解锁或车体外部紧急解锁，进而从车内或车外打开车门;

( 3)防挤压功能;

( 4)隔离锁功能.客室车门遇到故障时，利用隔离锁将故障门隔离，被隔离的门将不受集控和紧急解锁控制［4］.

客室车门的运动由电机驱动.电机通过锁闭装置与丝杆螺母副连接;丝杆上的螺母通过铰链与携门架相连.门扇与携门架相连.由电机驱动丝杆螺母，丝杆螺母通过铰链带动携门架运动，携门架在长导柱上运动.长导柱连接在3个挂架上.3个挂架在短导柱上运动，同短导柱安装在承载支架上.携门架和挂架内安装有直线轴承，以确保机构运动平稳.

为了保证门扇的平移和摆动的轨迹，由导向滚轮和上下导轨组成的系统完成.车门系统失效故障树仿真分析

3.1车门系统失效故障树模型建立

根据客室车门系统工作时，各部件之间的逻辑关系建立如图2所示的故障树模型，在建树过程中作如下假设:①不考虑外界干扰的影响;②各部件只有正常和故障两种状态，车门系统失效故障树模型见图2所示，文中的模型和数据来源于文献［5］.

图2 车门系统失效故障树模型

各底事件失效率如表1所示.

表1 基本事件(底事件)失效率

3.2仿真分析

假设地铁“客室车门系统失效”故障的所有底事件都服从指数分布，根据蒙特卡洛仿真原理以及“车门系统失效”故障树模型编制仿真程序，通过调整仿真次数N来观察相应的计算结果，设置初始仿真参数如下:系统仿真工作时间TMax为2 000 h;时间间隔Δt为1 000;仿真次数N为10 000.

当调整仿真次数为10 000时，顶事件发生率为0.038 9，并随着仿真次数的增加，顶事件发生率未发生变化，说明其仿真结果在仿真次数为10 000时已经开始趋于稳定，此时的MTBF = 302.6 h.顶事件发生率以及车门系统的MTBF值计算结果如表2所示.

表2 不同仿真次数下的仿真计算结果

依据MTBF =302.6 h，得出“车门系统失效”故障率λ=0.003 305.

图3 车门系统失效可靠度函数

从图3可以看出，随着仿真工作时间的增长，车门系统的可靠度逐渐降低，当给出车门系统相应的可靠度要求时，可以从图中得出车门系统相应的维修时间点，进而为提高车门系统的可靠性提供一定帮助.

3.3结果对比

由上述仿真计算结果可知，当系统仿真次数N为10 000次时，仿真计算结果趋于稳定，此时车门系统MTBF =302.600 8 h，依据公式

式中: F( i)为顶事件发生率;λi为故障率.

计算后得出:顶事件“车门系统失效”的发生率为0.038 88，由文献［5］可知，顶事件发生率理论计算结果为0.038 8，进而可得仿真计算与理论计算两者的误差为:

4 结论

通过上述分析后得出，利用蒙特卡洛法( Monte Carlo)很好的实现了对地铁车门系统故障树仿真分析计算，仿真结果与理论计算结果相吻合，计算方法方便、可靠、快捷，得出了车门系统失效率模型以及相应的可靠度参数(失效率、MTBF 等)，直观的显示出车门系统失效可靠度变化趋势，此外因此方法适用于部件服从任意分布类型，体现了其处理复杂系统可靠性问题的优越性.

［1］时旭.地铁车门系统故障诊断与维修决策的方法研究［D］.北京:北京交通大学，2009.

［2］高阳，周宇.基于蒙特卡罗的圆盘剪故障树仿真研究［J］.现代制造，2014( 2) : 9-12.

［3］郭云健，李强，曾照辉.基于蒙特卡洛数值模拟的圆弧齿轮接触疲劳可靠性分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2009( 10) : 30-33.

［4］张爱华，赵凤启，付志亮，等.基于FMEA的地铁车辆客室塞拉门系统的可靠性分析［J］.轨道交通装备与技术，2013( 6) : 21-22.

［5］卫纬，张红元，张雯，等.基于故障树分析的塞拉门系统可靠性分析［J］.机械制造及自动化，2014( 4) : 182-186.

(

)

Method of Fault Tree Simulation Analysis for Subway Door System Failure

GUO Yunjian，DUAN Xiaoxia，TAN Licheng，TIAN Xueyan，ZHANG Aihua
( P＆T Research Center，CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063035，China)

Subway door system fault tree model was established based on FTA technology.According to basic event of fault tree ( bottom event) corresponding to the failure rate and distribution，Monte Carlo method is used for the subway door system reliability simulation calculation to obtain the subway door system failure probability model，and the simulation results is compared with the theoretical calculation result analysis.Results show that the simulation results are coincide with the theoretical calculation，and it is convenient，reliable and fast with an improved reliability of the door system.This method is applicable to the parts subject to arbitrary distribution types，embodying the superiority of dealing with complex system reliability problems.

door system; fault tree; monte carlo; reliability

A

1673-9590( 2016) 01-0044-05

2015-05-17

郭云健( 1982－)，男，工程师，硕士，主要从事轨道车辆RAMS设计分析的研究

E-mail: gyj2002330@126.com.