基于可靠性框图的轨道客车司机操作台可靠性分析

2018-12-26张邦成隋元昆步倩影邵昱博刘丹阳

长春工业大学学报 2018年6期

张邦成，隋元昆，步倩影，邵昱博，刘丹阳，李波，夏雨

(1.长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012；2.长春工业大学汽车工程研究院，吉林长春 130012；3.长春市轨道交通集团有限公司, 吉林长春 130012；4.研奥电气股份有限公司, 吉林长春 130012)

0 引言

随着我国经济的发展，轨道客车由于用地省、运能大、节能环保、运行时间稳定等优势，社会地位不断提高，逐渐成为城市公共交通系统的主流[1]。司机操作台是轨道客车的控制中心，控制整车的运行状态,其可靠性直接影响机车行驶安全性，一旦发生故障，轻则延误车次，重则导致灾难性的后果，威胁乘客的人身安全。因此，对轨道客车司机操作台的可靠性进行分析具有重要意义。

目前，在司机操作台可靠性研究领域大多为对其某一部分系统分析，如显示屏故障原因研究[2]、司机控制器维护方案分析[3-4]、继电器故障研究[5]等。对司机操作台进行整体的可靠性分析有利于司机操作台的结构设计及维修，有利于指导工作人员进行技术改进。

另一方面，现有司机操作台研究成果多为通过定性分析方法得到，而定量分析可以让定性更为精确。在考虑整体可靠性的同时加入定量分析方法，会使得研究结论更加真实可信[6]。为此，文中主要对司机操作台整体可靠性进行定性分析及定量研究。

目前，国内外关于司机操作台可靠性研究的成果较少，但已经有众多学者对可靠性问题进行了深层次研究。文献[7]采用有向图方法分析了系统可靠性的增长模型；文献[8-9]基于最小路集法研究了复杂设备的可靠性分析方式；文献[10]基于分级组合可靠性建模方式分析了设备动态及静态特性。现有研究中多为通过经验知识获取可靠性计算参数，缺乏确信来源，而可靠性框图分析方法具有较强的实用性[11-12]，其计算过程可根据《电子设备可靠性预计手册》获得[13]，因此分析结果更加可靠。故文中基于可靠性框图技术对司机操作台进行可靠性分析。

1 可靠性框图

可靠性框图是一种静态的抽象模型，需先假设研究对象内部原件相互独立，故障互不干涉，是可靠性研究的重要方法[14]，常见的可靠性框图分为串联及并联两种逻辑系统。

1)若某一个单元的失效率是λi，则串联系统的总体可靠性失效率为:

(1)

系统的平均无故障工作时间为:

(2)

若某一个单元的可靠度是Ri，那么系统的总体可靠性为:

(3)

2)若每单元的失效率为λ，则并联系统的可靠性总体失效率为:

(4)

若某一个单元的可靠度是Ri，那么设备总体可靠性为:

(5)

2 司机操作台可靠性框图模型

2.1 轨道客车司机操作台

轨道客车司机操作台主要组成部件有司机控制器、按钮板和仪器仪表等。司机操作台外观形式多种多样，但其主要部件、线束布局、操作功能基本一致。因此,文中以国内某型号地铁司机操作台为例进行可靠性研究，国内某型号地铁司机操作台如图1所示。

图1 国内某型号地铁司机操作台

2.2 司机操作台可靠性框图

司机操作台内集成了大量的元器件，且线束连接复杂，为了更加清楚地体现其逻辑关系，将司机操作台划分为两个等级(Ⅰ级和Ⅱ级)。首先根据元器件的不同种类，将司机操作台划分成三个Ⅰ级模块，分别是司机控制器、仪器仪表和按钮板。每个Ⅰ级模块中含有众多子集，文中将每个子集归类为Ⅱ级。12个微动开关和电位器构成了司机控制器；语音控制单元、电源变换器、速度表、双针压力表及显示屏构成了仪器仪表模块；按钮板根据他们实现功能的不同可细分为6个模块。

司机操作台的可靠性框图如图2所示。

图2 司机操作台可靠性框图

司机操作台内部还会设有一些虚接的按钮，只有当工作中的按钮失效后才会被接线使用，因此从严格意义上来说司机操作台没有热备用元器件。根据可靠性框图法，可以将司机操作台定义为串联系统。

3 轨道客车司机操作台可靠性计算

基于司机操作台实际接线图纸，并参照《电子设备可靠性预计手册》得出每一个元器件的可靠性，其中元件的负载类型、接线个数、操作频次以及工作环境等都会不同程度地影响其可靠性数值，通过计算得到精确的可靠性计算结果。

3.1 按钮板可靠性

按照按钮元件所实现的功能，可以将同一类别的按钮元件的输入及输出端集成在一个连接器中。依据连接器的数量，可以将按钮板划分为6个模块，命名为按钮板1～6。基于按钮的接线图，采用Proteus软件绘制按钮板1的电路图如图3所示。

从图3可以看出，按钮板接线图的逻辑关系比较复杂，运用可靠性框图法则能快速理清每个元件在系统中的作用。元件的接头个数同样是一个不可或缺的关键特征，它可以通过可靠性计算公式中的接点个数来体现[13]。按钮板1的可靠性框图如图4所示。

按钮板主要包含两类元件：开关类和连接器类。

开关类器件工作失效率预计模型[13]：

λP=(λb1+λb2)πEπOπLπCYC(6)

式中:λP----工作失效率，10-6/h；

λb1----开关驱动机构的基本失效率；

λb2----开关有源接点的基本失效率；

πE----环境系数；

πO----质量系数；

πL----触点负载系数；

πCYC----开关速率系数。

前照灯开关的参数选择：其类型为旋转式，λb1=0.04×10-6/h；有源接点数为2，λb2=0.06×10-6/h；环境类型为列车平稳地面移动，πE=6.4；质量系数为B1标准，πO=0.6；司机操作台为感性负载[15-16]，πL=1.02；前照灯开关每日的操作频率可以由文献[17]计算，πCYC=14。所以，前照灯开关预计失效率为：

λP-S1= (λb1+λb2)πEπOπLπCYC=

5.483 520×10-6/h

连接器的失效率预计模型[13]：

λP=λbπEπOπTπP(7)

式中:λP----工作失效率，10-6/h；

λb----基本失效率；

πE----环境系数；

πO----质量系数；

πT----温度系数；

πP----接触件系数。

图3 按钮板1的电路图

图4 按钮板1的可靠性框图

连接器J1的参数选择：连接器的类别为通用功率型，λb=0.001 50×10-6/h；环境类型为列车平稳地面移动，πE=3；连接器为完全按照商用识别图纸采购的产品，πO=2；工作温度在30 ℃以下，πT=0.8；由图3可知实际使用的接触件数为14，πP=2.33。所以，连接器J1的预计失效率为：

λP-J1=λbπEπOπTπP=0.016 776×10-6/h

司机操作台按钮板模块共有12个连接器，25个开关类元件。限于篇幅，文中仅以前照灯开关和连接器J1的建模及计算过程为例，其余元件的可靠性计算结果见表1。

表1 按钮板全部元件可靠性计算结果

续表1

按钮板总体失效率λ1=35.404 121×10-6/h，平均无故障工作时间28 245.299 470 h。

3.2 仪器仪表可靠性

司机操作台的仪器仪表属于高度集成的设备，由于外界运行环境及自身复杂程度的影响，内部元件的可靠性具有相互关联性，使得故障模式复杂多变，所以单纯依靠可靠性手册将仪器拆开成若干零件进行计算，得出的结论可信度不高。因此，文中采用故障严重度等级来估计可靠性。根据文献[18]，将极少发生故障的语音控制、显示屏、电源变换、速度表、双针压力表的故障等级定义为E级，分别占全年总故障次数的0.10%，0.05%，0.10%，0.05%，0.05%。轨道客车每年约发生126次故障，全年工作时间约为6 205 h，得出预计失效率见表2。

表2 仪器仪表可靠性计算结果

仪器仪表的失效率较高，失效率达到λ2=71.071 719×10-6/h，平均无故障工作时间14 070.294 26 h。

3.3 司机控制器可靠性

司机控制器是轨道客车必不可少的元器件，在运行过程中起着举足轻重的作用，司机通过操作司机控制器速度手柄来调整列车速度，12个微动开关做出相应的动作传递电信号[19]。

微动开关的可靠性计算过程见式(6)，开关的类型为微动式，λb1=0.001 5×10-6/h；有源接点数为1，λb2=0.03×10-6/h；环境类型为列车平稳地面移动，πE=6.4；质量系数为B1标准，πO=0.6；负载类型为感性负载[15-16]，πL=1.02；速率系数为πCYC=147.2。得单个微动开关的预计失效率为：

λP-SW1= (λb1+λb2)πEπOπLπCYC=

18.161 418×10-6/h

电位器的失效率预计模型[3]：

λP=λbπEπOπRπTAPS(8)

其中,λP为工作失效率，单位10-6/h；基本失效率λb=0.517 2×10-6/h；环境系数πE=4.0；质量系数πO=4.0；阻值系数πR=1.0；引出端子系数πCYC=1.0。所以电位器的预计失效率为：

λP-RP=λbπEπOπRπTAPS=8.275 2×10-6/h

司机控制器的失效率为：

λ3= 12λP-SW1+λP-RP=

226.212 219×10-6/h

平均无故障工作时间为4 420.627 696 h。

3.4 司机操作台整体可靠性

司机操作台整体可靠性包括按钮板、仪器仪表和司机控制器的可靠性，根据式(1)得到总体失效率为：

λSYS=λ1+λ2+λ3=332.688 059×10-6/h

根据式(2)得到司机操作台平均无故障工作时间：

tMBTF=3 005.818 733 h

串联系统单次测量时间为T时的可靠性为：

RSYS=exp(-λSYS·T)(9)

以每天工作17 h计算，轨道客车的单次测量时间为T=17 h，计算出司机操作台的工作可靠性为：

RSYS=exp(-λSYST)=0.994 360

4 可靠性计算结果分析

由表1按钮板模块可以看出，失效率较高的为开关门按钮和司机室风速调控按钮，失效原因却有所不同，开关门按钮由于其使用频率较高，而司机室风速调控按钮由于其开关类型为旋转式，相对按钮式来讲具有更高的失效率。失效率最高的是前照灯开关，其较高的使用频率又是旋转式开关，因此，建议类型改为更可靠的按钮式开关。

由于仪器仪表模块长期处于工作状态，且内部元件相对复杂，所以故障率高于按钮板模块。

由表1～表3得出,司机控制器的故障率最高。微动开关作为影响司机控制器可靠性的关键元件，由于其自身结构简单，所以可靠性很高，但操作频繁导致故障率较高。目前已经有大量文献提出从微动开关的材料和结构上进行改进，来提升其可靠性。然而，无论怎么改进，元件在较高的使用频率下随着工作时间的增加而逐渐失效是必然的。所以应建立合理的检测机制，定期检查微动开关的退化程度，根据检测结果定制最优替换决策才会更大程度增加其可靠性。

对比司机操作台的3个Ⅰ级模块故障率可以得出：司机控制器>仪器仪表模块>按钮板。总结分析结果得出决定司机操作台可靠性的关键要素依次为：元件的使用频率、仪器的复杂程度、按钮的形式。