基于FMECA的城轨列车转向架的故障预测分析方法

宋年秀 褚易凡 刘茂山 刘亚光2 赵 丽

(1.青岛理工大学 山东 青岛 266000；2.北汽福田汽车厂 湖南 长沙 410000)

引言

近年来城市轨道交通越来越普及化，转向架在城轨列车中起着非常重要的作用，而转向架的潜在故障问题引起了业内关注。国内外针对这一问题的研究有很多种方法，如将故障树法、小波包变换方法[1]等引入到城轨列车中进行故障预测分析。而以上这些研究方法只是针对某一具体故障领域做出的故障判断，并没有对整个城轨列车转向架中的故障模式进行分析，FMECA分析方法是一个反复迭代的技术，是通过对系统的每一个层次结构单元逐层分析，由一个最小的部件逐渐迭代到最大的系统，通过对尽可能出现的所有故障模式进行故障预测，对发生频率高、危害度大的故障模式制定更准确地监测维修方案。所以将FMECA分析方法引入到城轨列车转向架中有着非常重要的意义[2]。

一、转向架系统FMECA分析手段

(一)转向架系统

转向架按车轴的数量分为二轴、三轴和多轴。转向架按照用途分为三种类型：M1型，在市郊道路上运用；MF型，在城市里面运用；MP型，装有空气轮胎。按照牵引力的分类又可以分为动力式转向架和非动力式转向架。

转向架系统主要由制动系统、悬挂系统、轮对系统组成。制动系统是车辆制动的一整套核心系统，研究的踏面闸瓦制动主要由制动缸和杠杆闸片组成，在紧急制动下，利用两者之间的摩擦将动能转化成热能散在大气中。悬挂系统能够降低车辆的整体振动及保证平稳性。具体组成如图1所示。

图1 转向架系统构成图

随着列车运行时间的延长，转向架的各个系统都会受到不同程度的损坏和摩擦，有必然故障也也有偶然突发性故障，如裂缝、裂纹或者磨耗。

(二)FMECA分析方法的两个步骤

FMECA(故障模式、影响及危害性分析)是一种可靠性的分析方法，其目的在于预防故障、控制故障和制定补偿措施。而FMECA分析方法主要分为FMEA和CA两个分析步骤，前者属于对整个系统定性分析，归纳总结出故障模式，后者是在前者的基础上对整个系统量化，属于定量分析。

FMECA分析流程是先对转向架的整个系统进行定义，然后对故障模式进行定性分析和故障影响程度分析，最后进行CA危害性分析，列出危害程度及补偿措施[3],FMECA分析流程图如图2所示。

图2 FMECA分析流程图

在对转向架的各系统定义结束后，对整个系统进行FMECA分析，把整个转向架系统的故障模式用FMECA进行归纳，找出主要失效模式，针对出现的后果进行危害性分析，更好的制定补偿措施和维修周期。FMECA分析层层迭代，分析的不仅是一个构件，而是从多个构件到系统到转向架的故障模式。避免了单一性，直观地看出各层之间的联系。该方法耗时短，简单实用，在广泛的工程界都得动了很好的应用。

二、对城轨列车转向架FMEA分析

为了进行转向架的FMEA分析，首先要先对严酷度等级进行划分，如表1所示。

表1 严酷度等级划分

严酷度等级划分以后，根据转向架各组件不同部位发生故障的可能性，因为有些是不可控的离散型分布概率，所以我们要对这些故障模式进行概率等级划分，以便更直观的看出哪部分是容易发生故障的，是可预见性的，哪些部分是不容易预测的，根据故障发生频度为标准分为5个等级来进行评定，如表2所示。

表2 故障概率等级划分表

调查和整理转向架可能发生的故障模式、故障原因[4-5]和带来的故障影响，结合故障检测方法，对城轨列车转向架进行FMEA定性分析[6]，如表3所示。

表3 转向架故障模式FMEA分析表

从表3中可以看出，对转向架系统进行FMEA定性分析，先找出故障模式是第一步，从构件到系统，单一到整体的故障模式都会在表3直观地看出。然后对此故障原因进行排查，做出主观的故障影响预测。了解到每一个部件对整个系统的带来的影响，找出故障原因，是CA分析的前提。

三、对城轨列车转向架CA分析

对FMEA定性分析后，针对转向架容易出现的故障，根据表1的严酷度等级[7]和表2的故障发生的概率，对转向架的故障部位做一个危害性分析(CA)，列出危害性矩阵，制定进一步的补偿措施和后期监测，如表4所示。

表4 转向架故障模式CA分析表

根据表4，以严酷度为横坐标，故障模式概率等级为纵坐标，做出危害性矩阵图，如图3所示。

图3 转向架故障危害性矩阵图

图3中的数字为CA分析代码，斜线P表示危害程度，越靠近斜线P及在右上方表示危害度越高和更容易发生故障。

从图3危害性矩阵图中可以直观的看出，导致故障发生的因素有15种，其中严酷度Ⅱ类和Ⅲ类的故障类型最多，且从矩阵图中直观地看出，代码7(车轮轮缘出现故障)、代码4(金属悬挂弹簧断裂)、代码9(车轮踏面裂缝)、代码10(齿轮箱轴承内圈故障)是最关键的故障模式类型，而且是发生概率较高和严酷度等级高的类型。针对这三种故障模式要优先提供补偿措施，为之后制定更加详细的维修手段提供依据。

四、结语

利用FMECA分析方法对转向架的故障模式、影响及危害性进行分析，能够直观的确定车轮轮缘故障、金属悬挂弹簧断裂、车轮踏面裂缝、齿轮箱轴承内圈故障是最容易发生且危害度最高的故障，应该进一步针对故障模式采取对应的监测及补偿措施方法。FMECA分析方法可以有效的应用于城轨列车转向架的故障预测分析，为城轨列车转向架在系统中的设计、生产、安装、使用中提供了科学的依据。