基于GO法地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)可靠性評(píng)價(jià)*

董軍哲 楊建偉 黃 強(qiáng)

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，030024，太原;2.北京建筑工程學(xué)院機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，100044，北京;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生)

地鐵列車(chē)運(yùn)營(yíng)線路站距短，客室車(chē)門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉頻繁，極易導(dǎo)致車(chē)門(mén)的門(mén)控電氣元件和機(jī)械零部件發(fā)生損壞，造成正線運(yùn)營(yíng)列車(chē)的客室車(chē)門(mén)頻繁產(chǎn)生故障［1］。根據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)，在軌道交通車(chē)輛系統(tǒng)中，車(chē)門(mén)系統(tǒng)的故障占車(chē)輛系統(tǒng)總故障的30%以上，對(duì)列車(chē)運(yùn)行的安全性構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，亟待解決［2］。為了有效降低客室車(chē)門(mén)的故障，確保列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)，本文提出應(yīng)用GO(Goal Oriented)法進(jìn)行地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)的可靠性分析。

車(chē)門(mén)系統(tǒng)可靠性狀態(tài)可用相關(guān)的可靠性特征描述。目前，常用的可靠性分析方法主要包括可靠性框圖法、故障樹(shù)法和故障模式及后果分析法等。這類(lèi)方法依賴(lài)專(zhuān)家知識(shí)推演，不易建模，缺乏模塊化、結(jié)構(gòu)化分析模型，不適合于車(chē)門(mén)系統(tǒng)這類(lèi)高維修性系統(tǒng)［3－4］。地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)系統(tǒng)屬于可修系統(tǒng)，本文應(yīng)用GO法對(duì)車(chē)門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，建立了GO模型，并結(jié)合GO程序，考慮共有信號(hào)的修正，可方便快捷地對(duì)地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)系統(tǒng)的可用度、失效率等可靠性特征量進(jìn)行精確的定量與定性分析。可靠性分析結(jié)果對(duì)提高現(xiàn)有系統(tǒng)的可靠性具有重要意義，并為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷提供了理論依據(jù)。

1 地鐵車(chē)輛車(chē)門(mén)系統(tǒng)

1.1 齒帶傳動(dòng)式車(chē)門(mén)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

車(chē)門(mén)的傳動(dòng)方式主要有齒帶傳動(dòng)和螺桿傳動(dòng)兩種。目前，北京地鐵國(guó)產(chǎn)化新造車(chē)，以及北京城鐵13號(hào)線、天津輕軌濱海線等使用的車(chē)輛均采用了齒帶傳動(dòng)的門(mén)系統(tǒng)。齒帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、平衡、無(wú)滑差又節(jié)能、承載能力高、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)噪聲低、帶齒受力均勻合理、具有最小膨脹系數(shù)和最大可靠性等特點(diǎn)［5］。因此，齒帶傳動(dòng)更適應(yīng)未來(lái)市場(chǎng)的需要，是軌道車(chē)輛自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)方式的發(fā)展趨勢(shì)。

齒帶傳動(dòng)式客室車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由一個(gè)電機(jī)裝置、一個(gè)懸掛裝置、安裝支架和門(mén)控單元等設(shè)備組成［6］。

電機(jī)裝置:由外部電源1給步進(jìn)電機(jī)2供電，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩;聯(lián)軸節(jié)3將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞給行星減速器4;減速器輸出軸通過(guò)軸承5，將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞到解鎖滑輪6，同時(shí)通過(guò)墊片7和彈性擋圈8將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞到左傳動(dòng)滑輪9。

懸掛裝置:左、右兩扇門(mén)頁(yè)19、20分別通過(guò)齒帶夾板12、14與齒帶11兩側(cè)相連，齒帶兩端有傳動(dòng)滑輪9和10，使得齒帶形成一個(gè)閉環(huán);通過(guò)驅(qū)動(dòng)滑輪的驅(qū)動(dòng)，使齒帶11繞著齒帶滑輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)兩扇門(mén)頁(yè)在上下導(dǎo)軌15、21內(nèi)做相反方向的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到兩扇門(mén)頁(yè)同步運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

圖1 齒帶傳動(dòng)式客室車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)圖

1.2 車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)

地鐵列車(chē)客室車(chē)門(mén)主要有開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)、警示燈/蜂鳴器、障礙物探測(cè)(關(guān)門(mén)防夾、開(kāi)門(mén)時(shí)障礙物探測(cè))、車(chē)門(mén)切除、主隔離、緊急解鎖等功能［7］。上述功能的實(shí)現(xiàn)，與車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)中的車(chē)門(mén)鎖閉行程開(kāi)關(guān)(S1)、車(chē)門(mén)關(guān)閉行程開(kāi)關(guān)(S2)、緊急解鎖開(kāi)關(guān)(S3)以及車(chē)門(mén)電源切除開(kāi)關(guān)(S4)等四個(gè)行程開(kāi)關(guān)有密切關(guān)系。車(chē)門(mén)控制原理如圖2所示。

圖2 車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)原理圖

2 車(chē)門(mén)系統(tǒng)的GO法模型

2.1 車(chē)門(mén)系統(tǒng)故障分析

客室車(chē)門(mén)故障可以分為機(jī)械故障和電器故障。電器故障主要表現(xiàn)為EDCU(電子門(mén)控單元)、電源、車(chē)門(mén)制動(dòng)器、車(chē)門(mén)電機(jī)、門(mén)外部指示燈、繼電器、TIMS(列車(chē)綜合管理系統(tǒng))等引起的開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)問(wèn)題;機(jī)械故障主要是車(chē)門(mén)尺寸變形或車(chē)門(mén)尺寸調(diào)整不良等引起的車(chē)門(mén)限位開(kāi)關(guān)故障、機(jī)械零件丟失、磨損、螺絲松動(dòng)等。

2.2 車(chē)門(mén)開(kāi)啟邏輯原理

零速列車(chē)有效時(shí)(列車(chē)速度≤3 km/h)會(huì)激活EDCU內(nèi)部的安全繼電器，激活后的安全繼電器使鎖閉裝置的電磁線圈得電，從而對(duì)解鎖滑輪解鎖。零速列車(chē)線失電時(shí)，開(kāi)啟的車(chē)門(mén)將立即關(guān)閉。車(chē)門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉由零速、開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)列車(chē)線的電平?jīng)Q定。列車(chē)靠站停穩(wěn)后，在得到ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù))給出的信號(hào)后，開(kāi)門(mén)按鈕內(nèi)的指示燈亮起，按下該按鈕，開(kāi)門(mén)列車(chē)線得電，向 EDCU發(fā)送開(kāi)門(mén)信號(hào)。EDCU接收到信號(hào)后，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，門(mén)翼向開(kāi)門(mén)方向移動(dòng)，直到橡膠止檔與門(mén)框接觸，車(chē)門(mén)完全打開(kāi)。車(chē)門(mén)開(kāi)啟邏輯原理如圖3所示。

2.3 車(chē)門(mén)系統(tǒng)GO法模型的建立

車(chē)門(mén)系統(tǒng)中電源、零速信號(hào)、ATP信號(hào)和車(chē)室門(mén)按鈕等是系統(tǒng)的輸入單元，用類(lèi)型5操作符模擬;電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、齒帶等機(jī)械傳動(dòng)單元用類(lèi)型1操作符模擬;電源切除開(kāi)關(guān)S4和車(chē)門(mén)EDCU，用類(lèi)型6操作符模擬。本文研究目前地鐵車(chē)輛客車(chē)車(chē)門(mén)開(kāi)啟過(guò)程，對(duì)其工作原理邏輯圖進(jìn)行變換，得到GO法圖示化模型(見(jiàn)圖4)。圖中短橫線左側(cè)的數(shù)字代表操作符的類(lèi)型，右側(cè)數(shù)字為系統(tǒng)單元對(duì)應(yīng)的編號(hào)。車(chē)門(mén)系統(tǒng)模型中的單元可靠性參數(shù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)來(lái)源于某地鐵列車(chē)運(yùn)營(yíng)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)值。

圖3 車(chē)門(mén)開(kāi)啟邏輯原理框圖

3 系統(tǒng)可靠性分析

3.1 可修系統(tǒng)的可靠性特征量

可修系統(tǒng)是處于正常工作狀態(tài)和停工維修狀態(tài)的交替之中的系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生故障和完成維修都有隨機(jī)性。假定地鐵客車(chē)車(chē)門(mén)系統(tǒng)中元件和子系統(tǒng)都是服從指數(shù)分布的可修系統(tǒng)，則系統(tǒng)的可靠性特征量如下［8］:

(1)故障率λ;

(2)維修率μ;

圖4 車(chē)門(mén)系統(tǒng)GO法模型

表1 車(chē)門(mén)系統(tǒng)模型中的單元及特征數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)GO法模型邏輯簡(jiǎn)化運(yùn)算步驟

穩(wěn)態(tài)分析的可修系統(tǒng)只是兩狀態(tài)系統(tǒng)。操作符輸入信號(hào)、操作符本身和操作符輸出信號(hào)的正常狀態(tài)概率、故障狀態(tài)概率、故障率、維修率分別記為［PS(1)，PS(2)，λS，μS］、［PC(1)，PC(2)，λC，μC］、［PR(1)，PR(2)，λR，μR］。車(chē)門(mén)可修系統(tǒng) GO 法的定量分析應(yīng)用參考文獻(xiàn)［9］。在圖4中，操作符1～10的類(lèi)型都是串聯(lián)邏輯的，因此可以把操作符1～10作為一個(gè)整體模塊MOD處理，并且是完全串聯(lián)的模塊。在完全串聯(lián)的模塊中，失效率的計(jì)算為簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算，維修率的運(yùn)算也可以局部求和計(jì)算得到。該子模塊的計(jì)算公式為:

車(chē)門(mén)系統(tǒng)GO法模型中存在信號(hào)共有的情況。在計(jì)算輸出特征量時(shí)，信號(hào)19使用了操作符15和18的輸出值，操作符15和18信號(hào)中包含了操作符10的輸出信號(hào)，從而操作符10的輸出特征值被重復(fù)計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。因此，必須修正共有信號(hào)帶來(lái)的計(jì)算偏差。

操作符10～15與操作符16～18都是串聯(lián)邏輯，即對(duì)操作符10的輸出信號(hào)的成功概率所做的運(yùn)算是乘法。因此，根據(jù)完全串聯(lián)模塊計(jì)算方法得:

操作符19～30和操作符31～33也是完全串聯(lián)的模塊。其故障率和維修率為:

3.3 車(chē)門(mén)系統(tǒng)可靠性計(jì)算

通過(guò)式(1)～(16)的計(jì)算，得到車(chē)門(mén)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)分析了齒帶傳動(dòng)式地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及工作原理，提出應(yīng)用GO法進(jìn)行地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)系統(tǒng)可靠性分析。

(2)提出有共有信號(hào)時(shí)操作符的維修率和失效率的處理方法，導(dǎo)出可修系統(tǒng)維修率和失效率的精確的計(jì)算公式，使GO法的計(jì)算更為精確，應(yīng)用更為簡(jiǎn)捷。

(3)本方法已應(yīng)用于地鐵車(chē)輛客室車(chē)門(mén)系統(tǒng)的可靠性分析，結(jié)果表明，在可修系統(tǒng)的可靠性分析中，GO法是一種簡(jiǎn)捷方便、行之有效的方法。

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