地铁车辆车门维修工作重要及关键零部件的确定方法研究

薛海峰, 黄 挺, 尹洪权, 李启磊

(南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司， 江苏南京 210000)



地铁车辆车门维修工作重要及关键零部件的确定方法研究

薛海峰, 黄 挺, 尹洪权, 李启磊

(南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司， 江苏南京 210000)

车门系统是地铁车辆的关键系统，为了确定车门维修工作中的重要零部件和关键零部件，提出了一种基于FMECA(故障模式影响及危害性分析)和ABC分类原则的零部件分类方法。该方法首先通过FMECA计算各零部件严酷度和危害度，然后以严酷度、产品危害度、采购价格为评价指标，利用层次分析法确定各指标的权重，最后利用综合评分法建立了基于ABC分类原则的零部件分类模型，并以某地铁车辆客室车门系统为例进行了实例分析，通过分析发现该方法能够较为准确的确定车门维修工作中的重要及关键零部件，符合现场检修工作的实际要求。

地铁车辆; 车门系统; 零部件分类; ABC分类法; 层次分析法

维修工作中的重要及关键零部件指涉及车辆的运行安全、运营任务、故障率较高且故障后果严重的零部件。车门系统属于地铁车辆较为关键的系统，在实际运用与维修的过程中，车门故障的发生较为频繁、对地铁运营影响也较大，这对车门系统的维修工作提出了较高要求。为了使车门的维修工作更有重点、有针对性地开展，根据车门系统各零部件在维修工作中的重要程度进行分类，以确定车门维修工作中的重要零部件和关键零部件以提高维修工作的合理性和效率是十分必要的。

目前，确定系统的重要及关键零部件的方法较多。许多工程应用以GJB 1378A-2007《装备以可靠性为中心的维修分析》[1]提出的确定原则作为参考依据，但该标准未对重要件和关键件的判断准则和程序进行细致地规范，易导致在分类界定上过于冒进或保守而使分类分析失去了应有的作用。除了主观上的逻辑判断法，较常见的分类法还有ABC分类法、VED分类法以及XYZ分类法等[2]。其中，VED分类法和XYZ分类法属于单因素分析法，ABC分类法(Activity Based Classification)也称巴雷托(帕累托)分析法，该方法依据事物在经济或技术方面的重要特征进行分类，能够有效地区分出重点事物和一般事物，进而有区别地明确管理方式[3]。与单因素方法相比，ABC分类法属于多因素分析法，更加全面合理。因此，提出了一种基于ABC分类原则的地铁车辆重要及关键检修件的确定方法，该方法首先对地铁车辆车门系统零部件进行FMECA(故障模式影响及危害性分析)，在此基础上，确立了分类的定量指标并运用层次分析法(AHP)确定了指标权重，通过综合评分法定量地对车辆零部件进行评分，最终依据ABC分类原则最终确定地铁车辆车门维修工作中的重要件及关键件。

1 基于FMECA和ABC分类法的零部件分类方法

1.1 零部件分类的思路

本文提出的确定地铁车辆车门系统重要及关键维修件的方法的分析流程如图1所示。从图1中可以看出，方法的实施包括两部分：一是根据车门故障记录、维修保养手册、检修工艺文件以及相关的标准，对地铁车辆车门系统零部件进行FMECA分析；二是依据分析结果，综合考虑安全性、可靠性和经济性等方面的因素，构建评分指标，并利用层次分析法确定指标权重，最后利用综合评分法，基于ABC分类法对车门零部件进行评分和分类。

图1 车门零部件分类的思路和方法

1.2 故障模式影响及危害性分析(FMECA)

FMECA是一种重要的可靠性分析技术。在车辆的运用与维修阶段，依据故障数据和检修技术资料对零部件进行FMECA，能够明确车门在使用过程中可能或实际发生的故障模式、故障原因、故障后果、故障率、危害性等，可以为维修决策等提供依据。FMECA包括FMEA(故障模式及影响分析)和CA(危害性分析)两部分，其中CA危害性分析的方法有定性和定量两种。为了得到定量的评价指标，需要对地铁车辆车门系统进行FMECA定量分析和计算，FMECA分析的过程包括如图2。

图2 FMECA分析流程

1.3 零部件分类模型的建立

文中提出的零部件ABC分类模型的主要实施步骤如图3所示。

(1) 确定分类对象

由于车门系统结构较为复杂，零部件数量庞大，为了便于分析，选取可维修或更换的最低层次的零部件，即FMEA分析中的最低约定层次零部件作为分类对象。

(2)分类影响因素分析

文中零部件的分类是为了区分各零部件在车门维修任务中的重要性，以确定车门维修工作的重点。因此，从维修重要性的角度出发，参考现有的产品分类程序，对影响车门零部件分类的因素以及评价项目进行整理和总结，如表1所示。

图3 零部件ABC分类模型的主要步骤

考虑因素评价项目评价指标安全性故障的安全性后果乘客有无伤亡、伤亡人数、受伤情况任务性故障的任务性后果是否救援、是否清客、晚点时长可靠性发生故障的概率故障率、失效后果概率、故障发生概率经济性故障的经济损失零部件价格、间接经济损失等

①故障后果——运营安全与任务

不同零部件失效可能造成的后果的严重程度各不相同，在以可靠性为中心的维修分析中，将分析零部件故障对车辆运行安全、运输任务完成以及其他设备的影响作为首要工作任务。因此，零部件故障后果若比较严重就将被列为重点检修对象。

②发生故障的概率——可靠性

零部件发生故障的概率能够反映零部件的可靠性，可将故障概率较高的零部件应该在维修工作中将被列为重点检修对象。

③零部件采购价格——经济性

经济性是维修工作过程中必须考虑的因素，通常情况下价值昂贵的零部件备件成本高，备件数量少，故障所导致的直接经济损失较大。可将采购价格列为影响零部件在维修工作中重要程度的重要因素。

经过分类影响因素的分析，确定出了“故障后果、故障发生的概率、零部件价格”3个评价项目。

(3) 确定评价项目及权重分配

为了确定3个评价项目的权重值，采用AHP法进行计算，基本思路为：将影响系统的各个因素进行整理，划分为相互关联的多个层次，然后对比各个因素的影响大小，用数学方法计算出层次之间的权重关系，进而进行排序并计算出所有因素的相对于总目标的权重值，并据此进行决策[5]。权重确定的基本过程为：

①构建评判因素集U

评价因素集合可抽象为：U={u1,u2,u3}，u1,u2,u3分别对应故障后果、故障发生的概率、零部件价格。

②确定判定结果V

文中车门零部件的分类策略是，按照在维修工作中的重要程度，对零部件进行分类。因此，维修工作中的重要程度即为判定目标或判定结果。

③确定评判项目之间的判断矩阵R

构建判断矩阵的目的是，衡量评价项目u1～u3相互之间的重要程度，可用表rij示项目ui相对于uj的重要程度。

(1)

由于评判项目和判定结果之间的关系较为复杂，不容易直观地表达，需要运用模糊理论对两者之间的相对重要度进行评价和估算。可确定评价项目的对比取值[6]如表2所示。

表2 评价项目的对比取值依据

按照rij的取值依据，由两位现场技术专家，对3个评价项目的相对重要度进行评判，可确定出与两位现场技术专家的评判结论相对应的两个判断矩阵R1与R2的表达形式 ，

(2)

④确定评价项目的权重分配

step1：对矩阵R=(rij)n×n每一个元素按列进行向量归一化：

(3)

step2：对归一化之后的元素Wij按行求和：

(4)

step3：将 进行归一化计算：

(5)

(6)

即两种评判方案中3个评价项目的权重分配情况如表3所示。

表3 两种评判方案的权重分配情况

⑤对权重分配的合理性验证

为了验证上述权重值分配的合理性，需要进行一致性检验。一致性检验的过程如下：

(7)

然后，计算一致性检验指标C·I：

(8)

表4 一致性指数 的取值标准

最后，由一致性检验指标C·I和一致性指数R·I(按照表4取值)，计算得到随机一致性指标：

(9)

当随机一致性指标C·R<0.1时，即可认为判断矩阵R能够满足一致性要求，不满足则需要重新调整。经过一致性检验，发现两种方案的判断矩阵R1、R2都满足要求，如表5所示。因此，两种权重分配方案都是较为合理的。

表5 一致性指标的计算结果

在此基础上，将同一评价项目在两种权重分配方案中所对应的权重值进行平均，得到故障后果、故障发生的概率、零部件价格3个评价项目的权重值分别为0.73,0.19,0.08。至此，即可利用AHP确定了3个评价项目的权重值。

(4)确定评价指标及取值标准

对于前面确定的“故障后果、故障发生的概率、零部件价格”3个评价项目，分别选择“严酷度、产品危害度、采购价格”作为评价指标。

① 严酷度 Severity

严酷度也称故障后果严重度或故障等级，是评价故障后果严重程度的指标。参考文献[4]中的严酷度等级(ESR)评分准则，本文对城市轨道车辆零部件制定了如表6所示的严酷度评分标准。

② 产品危害度 Item Criticality Number

产品危害度(Item Criticality Number)与危害性(Criticality)不同，它反映的是零部件在某一严酷度等级和某一阶段发生故障的频率，因此产品危害度是可以反映出零部件故障发生频率水平的。对故障模式发生概率等级(OPR)[4]的评分准则，本文对城市轨道车辆零部件制定了如表6所示的产品危害度的评分标准。其中，为了便于使用，将零部件产品危害度占车门系统总危害度的比重代替产品危害度来使用，并用C来表示，C可按式(10)计算：

(10)

式中Ci为第i中零部件的危害度占车门系统总危害度的比重，无量纲；

Cri为第i种零部件的危害度，无量纲；

n为车门系统零部件的种类总数。

③ 采购价格 Price

零部件的采购价格，即地铁或轻轨公司向零部件供货商进行备件采购时所需支付的单价，能够反映出零部件的昂贵程度。参考文献[3]中设备管理的价格分类评分准则，本文对城市轨道车辆零部件制定了如表6所示的采购价格评分标准。

(5) 确定评分分类依据及标准

对(4)中所述的严酷度、产品危害度以及采购价格这3个指标的分类评分标准进行汇总，本文制定了城市轨道车辆零部件的综合评分标准(即表6)。

在故障模式及影响分析的基础上，依据零部件评分标准可完成对零部件各项指标的评分。然后，根据式(11)计算出零部件的总得分，由得分高低即可确定零部件的分类。

(11)

式中，S为零部件严酷度指标的评分，无量纲；

C为零部件产品危害度指标的评分，无量纲；

P为零部件采购价格指标的评分，无量纲；

ωs为严酷度指标的权重，本文取ωs=0.73，无量纲；

ωc为产品危害度指标的权重，本文取ωc=0.19，无量纲；

ωp为价格指标的权重，本文取ωp=0.08，无量纲。

通常情况下，对产品进行ABC分类时，A类总分最高，约占总数的5%～10%；B类总分次之，约占总数的20%～30%；C类总分最低，约占总数的60%～75%[3，7]。由零部件的综合评分结构，定义城市轨道车辆零部件的分类描述如下：

A类零部件：为关键维修零部件，故障后果非常严重，故障发生的概率很高，如果发生故障可能会对乘客的人身安全和车辆的正常运行造成很大的影响；

B类零部件：为重点维修零部件，故障后果比较严重，故障发生的概率比较高，如果发生故障可能造成乘客轻伤或列车轻微延误；

表6 城市轨道车辆零部件综合评分标准

C类零部件：为普通维修零部件，故障后果轻微，故障发生的概率不高，如果发生故障可能造成列车轻微晚点或非计划性维修。

2 实例应用

本文以某地铁4号线二期车辆的客室车门系统为研究对象，以全部28列车在近3年的故障数据为基础进行分析。通过实施FMECA，得到车门零部件的故障后果严酷度、产品危害度、采购价格等信息，并据此对车门系统的零部件进行评分。可得到零部件的评分表，如表7所示。

表7 车门系统零部件的综合评分表

为了便于直观地了解车门零部件的得分情况，画出了零部件的得分直方图，如图4所示。通过直方图可以很清楚看出，行程开关和EDCU的得分最高，而携门架橡胶缓冲头、玻璃门和车门开关指示灯的综合得分最低。得分的高低能够直接反应零部件在车门检修工作中的重要程度。

由表7零部件的评分结果和ABC分类法的零部件分配比例，对车门系统的零部件进行分类，得到的分类结果如表8所示。

3 结 论

针对地铁车辆车门的检修工作，提出了一种基于FMECA和ABC分类法的零部件分类方法。根据零部件在维修工作中的重要性，从故障后果、可靠性、经济性等方面出发，建立了基于ABC分类法、层次分析法和综合评分法的零部件分类模型。

根据该方法对某地铁4号线二期车辆车门系统的零部件进行分类，将行程开关和电子门控器等确定为关键维修零部件；将驱动电机、丝杆螺母等7个零部件确定为重点维修零部件；将携门架坦克链、传动丝杆等19个零部件列为一般维修零部件。该实例分类结果比较符合现场的检修工作实际，得到了现场检修技术人员的认可，对于现场检修工作具有一定的参考价值。

[1] GJB 1378A-2007. 装备以可靠性为中心的维修分析[S].

[2] 王海峻. 南京地铁车辆维修资源优化配置研究[D].南京：南京理工大学,2011.

[3] 李葆文. 现代设备资产管理[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4] GJB/Z 1391-2006 故障模式影响及危害性分析指南[S].

[5] 兰继斌,徐 扬,霍良安,刘家忠. 模糊层次分析法权重研究[J]. 系统工程理论与实践,2006,(9):107-112.

[6] 叶 珍.基于AHP的模糊综合评价方法研究及应用[D].广州:华南理工大学,2010.

[7] 胡啟军,尹 迪,罗 兵. 基于ABC分类的备件多阶段多类别分类法[J]. 物流技术,2009,(11):246-248.Method Research on Determining the Important and Key Components in Metro Door Maintenance

XUEHaifeng,HUANGTing,YINHongquan,LIQilei

(1 Nanjing CRRC Puzhen Rail Transport Co., Nanjing 210000 Jiangsu, China)

Door system is the key system of metro vehicles. In order to determine the important parts and key components in door maintenance work, a kind of part classification method is proposed in this paper based on FMECA and ABC taxonomy.Using this method, firstly we do FMECA and calculate severtity and criticality number of the door parts; then severity, criticality number, the purchase price is chosen as the evaluation indexes, which weights are set by AHP; finally a classification model based on ABC classification principle and the comprehensive scoring system to classify components is built in this model. Futher more a metro vehicle door system is analyzed as an example case in this paper. We find out that the method is more accuracy in determining the important and key components during the door maintenance, which will make the door maintenance job has a great rationality.

metro car; doors system; parts classification: FMECA; ABC classification

��)男，高级工程师(

2016-05-16)

1008-7842 (2016) 05-0115-06

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.27