基于?FMEA?法的地铁车辆牵引系统 设备运维研究

江现昌 邹庆春

摘 要：地铁车辆牵引系统作为地铁安全、可靠运营的动力源头，其设备可靠性对整个地铁线网安全、准点运行起到至关重要的作用。通过对地铁车辆牵引系统建模，运用潜在失效模式与后果分析（FMEA）法对车辆牵引系统可靠性进行评估，并结合南昌地铁 1 号线牵引系统设计及现阶段运行状态，分析导致牵引系统失效的因素及薄弱环节，为制定适用于地铁 1 号线的牵引系统维修策略提供理论依据，亦为地铁行业运维可靠性、经济性提供经验。

关键词：地铁车辆;牵引系统;FMEA法;失效率;维修策略

中图分类号：U231+94

目前，国内地铁设备维修研究多以可靠性为中心的维修（RCM）为策略，以确定设备预防性维修要求、优化维修制度，其关注的重点在于设备的可靠性。本文以南京地铁1号线车辆牵引系统为研究对象，运用FMEA探究牵引系统所有潜在的失效模式，并分析其可能导致的后果，从而预先采取必要的措施，以提高牵引系统的可靠性和维修的经济性，并在可靠性与经济性之间寻求一种平衡的维修策略;以GB 30012-2013《城市轨道交通运营管理规范》作为故障危害等级的评定参考，以牵引系统实际运营故障发生频次作为理论依据，根据牵引系统的故障模式及其后果进行可靠性评估，从而得出地铁车辆牵引系统科学、合理的维修策略。

1 地铁车辆牵引系统

南昌地铁1号线采用DC 1 500 V架空接触网受电方式，地铁车辆牵引系统则采用由可变电压-可变频率（VVVF）逆变器、异步牵引电动机构成的交流传动系统，通过高性能的交流传动直接转矩控制策略，以热管散热器实现走行风冷，在优先使用电制动的同时还具有反应迅速、可靠的空转/滑行保护功能。牵引系统设备包括熔断器箱、高压电器箱（HV）、线路电抗器（LF）、制动电阻箱（BR）、牵引逆变器箱、牵引电机、司控器、避雷器等。各电器箱均采用箱体式车下悬挂结构，牵引电机采用刚性悬挂方式，通过联轴节与齿轮传动装置连接，传递牵引或电制动力矩，驱动列车前进或使列车制动。牵引系统设备框图如图1所示。

2 可靠性模型

车辆牵引系统设施设备运营指标的年度统计数据需满足GB/T 30012-2013标准的要求，具体如下。

（1）列车服务可靠。全部列车总行车里程与发生5min以上延误次数之比不应低于8万列 · km /次。

（2）列车退出正线运营故障率。列车退出正线运营故障率不应高于0.4次/万列 · km。

（3） 车辆系统故障率。因车辆故障造成2 min以上晚點事件次数应低于4次/万列 · km。

依据GB/T 30012-2013标准可将故障危害划分为救援、退出正线运营（以下简称“清客”）、5 min以上晚点和2 min以上晚点4个不同程度的等级。结合地铁1号线的实际设计，建立牵引系统任务可靠性框图，如图2所示。

图2中，若4条支路损坏，车辆将不能启动，需要救援;若有3条支路损坏，整车只有1节动力单元，则需清客，并造成后续列车晚点5min以上;若有2条支路损坏，将造成后续列车晚点2 min;若有1条支路损坏，则不影响实际运营。

3 故障分析及维修策略

据调研，现行业内对于牵引系统提出的维修方式大致可分为定期报废、定期维修（包含均衡修）、故障修和状态修。基于现行业内的技术能力，暂未实现牵引设备的全部状态修，维修模式则以故障为依据。因此，运营单位需在承受运营风险的前提下开展地铁维修，在保障运营单位承受能力的前提下，实现维修周期的最大化与维修成本的最小化。这也是制定维修策略的最终目标。地铁1号线车辆牵引系统FMEA分析如表1所示。

3.1 故障危害分析

基于地铁车辆牵引系统可靠性模型，对地铁1号线牵引系统不同故障危害等级进行统计分析，统计数据如表2所示。

依据图2和表2，熔断器箱作为地铁车辆牵引系统影响运营的集中设备，其设备无主电路故障是保证未发生5min以上晚点的重要原因之一。

3.2 关键部件失效模式分析

在FMEA法分析的基础上，排除自行恢复、未找到故障点、系统无影响的故障，对地铁1号线车辆牵引系统关键部件失效模式进行统计分析，统计数据如表3所示。

基于FMEA法分析，在部分关键部件定期报废的基础上，并结合表1得出，地铁车辆牵引系统可采取的维修方法为功能检查及外观检查，补救措施则以部件更换为主。由表3对故障模式与实际故障类型分析得出，牵引输入控制部分、牵引逆变模块为地铁车辆牵引系统薄弱环节。

3.3 主要箱体失效分析

基于FMEA法分析，排除自行恢复、未找到故障点、系统无影响的故障，对地铁1号线地铁车辆牵引系统主要部件失效率统计分析，统计数据如表4所示。

依据地铁1号线的实际运营现状，通过对牵引系统主要部件的失效率分析得出，高压电器箱为地铁车辆牵引系统危险程度最高的箱体。

3.4 关键部件可靠寿命评估

同类性设备产品的可靠度R（t ）是时间的一个函数变量，随着时间的延长，该批产品的可靠度会越来越低。对于给定的可靠度r，当产品的可靠度下降到r时的时间为tr，即tr为产品的可靠寿命，用可靠度公式表示为：

R（ tr ）= r                                  （1）

当失效服从指数分布时，可靠寿命tr与失效率λ的关系为：

tr= 2.302 lg（1/ r）/ λ                          （2）

综合牵引系统故障危害统计情况、关键部件失效模式统计、主要箱体实际表现情况，排除气候等外部条件干扰，各关键部件失效服从指数分布，对故障率高的关键部件以可靠性满足0.98时进行可靠寿命评估，具体如表5所示。

为保障地铁车辆牵引系统安全准点可靠运营，通过对失效率偏高的关键部件进行可靠寿命评估，地铁车辆牵引系统可制定1年/次定期檢修（包含均衡修）的维修策略，此外，差分电流传感器、高压箱控制元件等制定5年的定期检修策略。

4 结论及建议

本文基于GB 30012-2013标准建立地铁车辆牵引系统可靠性模型，以此标准中的故障危害等级作为评定依据，根据牵引系统实际运营故障发生频次，利用FMEA法对地铁车辆牵引系统进行可靠性分析，得出如下结论及建议。

（1）牵引输入控制单元、牵引逆变模块是地铁车辆牵引系统的薄弱环节。

（2）通过对主要箱体的失效分析得出，高压电器箱为地铁车辆牵引系统危险程度最高的箱体，在检修维护中需重点检查。

（3）地铁车辆牵引系统中的熔断器箱、高压箱、牵引逆变器箱、制动电阻箱、线路电抗器、牵引电机、司控器除设备外观检查外，还需对失效率偏高的关键部件进行可靠寿命评估。建议地铁车辆牵引系统制定1年/次定期检修（包含均衡修）的维修策略。

（4）FMEA分析法为地铁运营维护提供一种新的维修策略，地铁公司可结合本地财政状况、客流强度、故障影响承受能力等因素综合考量，在充分论证分析的基础上，实现差别化的维护，从而实现在可靠性和经济性上的最优化维护。

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收稿日期 2019-08-16

责任编辑 党选丽

Research on FMEA based operation and maintenance of metro vehicle traction system

Jiang Xianchang， Zou Qingchun

Abstract： As the power source of metro safe and reliable operation， the component reliability of metro vehicle traction system plays an important role in the safe and punctual function of the whole metro network. Through modeling of metro vehicle traction system， using the method of failure mode and effects analysis （FMEA） to evaluate the reliability of vehicle traction system， and based on the design of traction system of Nanchang metro line 1 and the current operation status， analyzing the failure factors and weak links of traction system， in order to develop the traction system suitable for metro line 1. It provides theoretical basis for the maintenance strategy and experience for the reliability and cost effectiveness of metro industry operation and maintenance.

Keywords： metro vehicle， traction system， FMEA method， failure rate， maintenance strategy