地鐵車門系統失效故障樹仿真分析

郭云健，段曉霞，談立成，田雪艷，張愛華(中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035)*

地鐵車門系統失效故障樹仿真分析

郭云健，段曉霞，談立成，田雪艷，張愛華
(中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035)*

利用FTA技術，建立地鐵車門系統失效故障樹模型，根據故障樹基本事件(底事件)對應的故障率以及分布規律，運用蒙特卡洛( Monte Carlo)法對地鐵車門系統可靠性進行模擬計算，得出了地鐵車門系統失效概率模型，同時將仿真結果與理論計算結果進行了對比分析.結果表明:仿真結果與理論計算比較吻合，計算方便、可靠、快捷，提高車門系統的可靠性，為日常維護提供了依據，同時此方法適用于部件服從任意分布類型，體現了其處理復雜系統可靠性問題的優越性.

車門系統;故障樹;蒙特卡洛;可靠性

0 引言

客室車門系統作為地鐵車輛系統中關鍵的系統之一，其結構組成比較復雜，涉及機械、電氣等多個方面.通過對國內外地鐵列車運營數據統計分析后，發現客室車門系統的故障發生率占車輛系統總故障率的比例可達30%［1］，如此之高的故障率，已嚴重威脅到車輛運營，影響了地鐵列車運行的可靠性、安全性.為此，對客室車門系統開展可靠性分析，進而保證列車運行安全、可靠是十分必要的.

傳統的可靠性分析方法只是根據所分析故障系統的故障樹模型進行定性以及定量分析，所得計算結果只是所分析系統某一時刻的可靠度，因而此方法在分析系統失效規律變化上存在著很大的局限性，無法直觀性的顯示出系統故障的整體變化趨勢，鑒于以上不足，本文將采用在故障樹分析的基礎上，運用蒙特卡洛模擬的方法對地鐵車門系統失效進行可靠性仿真，得出客室車門系統失效變化趨勢，計算出車門系統的各項可靠性指標(如MTBF、失效率等)，對分析系統可靠性提供了數據支撐.

1 故障樹分析( FTA)

故障樹分析( FTA)是依據系統可能發生的事故或已經發生的事故結果，去尋找與該故障發生有關的原因、條件和規律等，同時可以辨別出系統中可能導致該故障發生的危險源.故障樹分析( FTA)既可以進行定性分析又可以進行定量分析.

1.1定性分析

定性分析是故障樹分析的基本任務，其作用是找出導致頂事件發生的所有可能的故障模式，即求出導致故障發生的所有最小割集，進而對最小割集進行分析，幫助設計、分析人員發現潛在的故障，找出設計中的薄弱環節，據此制定相應的改進措施.

1.2定量分析

定量分析主要包含兩方面內容:①利用輸入系統中各組成單元(底事件)的失效概率求出系統的失效概率;②求解出各組成單元(底事件)的重要度，最后可依據重要度的分析結果，排序出最佳的故障診斷和修理順序，同時也可作為首先改善相對不大可靠的單元的數據.

2 可靠性仿真

2.1 建立仿真模型［2］

假設所分析系統由n個基本事件組成，用s代表系統，則有:

其中，每個基本事件所對應的失效分布函數為:

所分析系統的故障樹結構函數用φ［X( t)］表示，系統狀態可表示為:

令

用φ( t)表示所分析系統頂事件在t時刻的狀態變量，則有:

且φ( t) =φ［Xi( t)］，從中可以看出φ( t)的變化由Xi( t)決定.

2.2蒙特卡洛仿真過程

與傳統數值解法比較起來，蒙特卡洛法完全無需知道參數的分布類型及概率參數等內容，因而可以用于正態分布、對數正態分布、指數分布、威布爾分布等任何一種分布解決問題.利用蒙特卡洛法分析，其可靠度精度相對較高，方法比較簡單，快捷.隨著計算機技術的飛速發展，隨機問題可以在計算機仿真上可以得到較為完善的模擬和解答［3］.具體仿真實現過程如下:

( 1)利用蒙特卡洛法對客室車門失效故障樹的所有底事件的壽命進行隨機抽樣計算，得出每個底事件失效時間的隨機樣本t1，t2，…，tn( n = 1，2，3，…，38) ;

( 2)將得到的所有失效時間按照由小到大的順序進行排列tf1，tf2，…，tfk，…，tfn，進而判斷出基本事件的狀態xi( s)，得出系統發生失效的運行時間tk;

( 3)反復進行步驟( 1)與步驟( 2)計算，直到φ( t) =1為止，此時系統P處于失效狀態;

( 4)設定系統仿真的總次數N，系統最大仿真工作時間為tmax，將( 0，tmax］分成m個區間，用Δm表示在時間間隔［tr－1，tr］內系統的失效數，即:

( 5)可靠性指標計算.

( a)計算客室車門系統可靠度

( b)計算客室車門系統失效率

( c)計算客室車門系統MTBF值

3 車門組成及功能原理

客室車門系統主要由以下幾部分組成:

①頂部機構(包括驅動傳動和承載導向裝置) 1個;②扇門板(帶下滑道) 2個;③平衡輪裝置2個;④滾輪擺臂裝置2個;⑤內外緊急解鎖裝置;⑥隔離鎖開關組件1個;⑦頂部機構與車體的連接件1套;⑧安裝在車體上的密封型材(上、下、左和右) 1套等［4］.具體組成結構如圖1.

圖1 車門組成示意圖

車門系統的功能如下:

( 1)通過司機室發出的集控信號實現開/關門功能;

( 2)緊急解鎖功能.利用鑰匙操作安裝在門罩板上的內緊急解鎖或車體外部緊急解鎖，進而從車內或車外打開車門;

( 3)防擠壓功能;

( 4)隔離鎖功能.客室車門遇到故障時，利用隔離鎖將故障門隔離，被隔離的門將不受集控和緊急解鎖控制［4］.

客室車門的運動由電機驅動.電機通過鎖閉裝置與絲桿螺母副連接;絲桿上的螺母通過鉸鏈與攜門架相連.門扇與攜門架相連.由電機驅動絲桿螺母，絲桿螺母通過鉸鏈帶動攜門架運動，攜門架在長導柱上運動.長導柱連接在3個掛架上.3個掛架在短導柱上運動，同短導柱安裝在承載支架上.攜門架和掛架內安裝有直線軸承，以確保機構運動平穩.

為了保證門扇的平移和擺動的軌跡，由導向滾輪和上下導軌組成的系統完成.車門系統失效故障樹仿真分析

3.1車門系統失效故障樹模型建立

根據客室車門系統工作時，各部件之間的邏輯關系建立如圖2所示的故障樹模型，在建樹過程中作如下假設:①不考慮外界干擾的影響;②各部件只有正常和故障兩種狀態，車門系統失效故障樹模型見圖2所示，文中的模型和數據來源于文獻［5］.

圖2 車門系統失效故障樹模型

各底事件失效率如表1所示.

表1 基本事件(底事件)失效率

3.2仿真分析

假設地鐵“客室車門系統失效”故障的所有底事件都服從指數分布，根據蒙特卡洛仿真原理以及“車門系統失效”故障樹模型編制仿真程序，通過調整仿真次數N來觀察相應的計算結果，設置初始仿真參數如下:系統仿真工作時間TMax為2 000 h;時間間隔Δt為1 000;仿真次數N為10 000.

當調整仿真次數為10 000時，頂事件發生率為0.038 9，并隨著仿真次數的增加，頂事件發生率未發生變化，說明其仿真結果在仿真次數為10 000時已經開始趨于穩定，此時的MTBF = 302.6 h.頂事件發生率以及車門系統的MTBF值計算結果如表2所示.

表2 不同仿真次數下的仿真計算結果

依據MTBF =302.6 h，得出“車門系統失效”故障率λ=0.003 305.

圖3 車門系統失效可靠度函數

從圖3可以看出，隨著仿真工作時間的增長，車門系統的可靠度逐漸降低，當給出車門系統相應的可靠度要求時，可以從圖中得出車門系統相應的維修時間點，進而為提高車門系統的可靠性提供一定幫助.

3.3結果對比

由上述仿真計算結果可知，當系統仿真次數N為10 000次時，仿真計算結果趨于穩定，此時車門系統MTBF =302.600 8 h，依據公式

式中: F( i)為頂事件發生率;λi為故障率.

計算后得出:頂事件“車門系統失效”的發生率為0.038 88，由文獻［5］可知，頂事件發生率理論計算結果為0.038 8，進而可得仿真計算與理論計算兩者的誤差為:

4 結論

通過上述分析后得出，利用蒙特卡洛法( Monte Carlo)很好的實現了對地鐵車門系統故障樹仿真分析計算，仿真結果與理論計算結果相吻合，計算方法方便、可靠、快捷，得出了車門系統失效率模型以及相應的可靠度參數(失效率、MTBF 等)，直觀的顯示出車門系統失效可靠度變化趨勢，此外因此方法適用于部件服從任意分布類型，體現了其處理復雜系統可靠性問題的優越性.

［1］時旭.地鐵車門系統故障診斷與維修決策的方法研究［D］.北京:北京交通大學，2009.

［2］高陽，周宇.基于蒙特卡羅的圓盤剪故障樹仿真研究［J］.現代制造，2014( 2) : 9-12.

［3］郭云健，李強，曾照輝.基于蒙特卡洛數值模擬的圓弧齒輪接觸疲勞可靠性分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2009( 10) : 30-33.

［4］張愛華，趙鳳啟，付志亮，等.基于FMEA的地鐵車輛客室塞拉門系統的可靠性分析［J］.軌道交通裝備與技術，2013( 6) : 21-22.

［5］衛緯，張紅元，張雯，等.基于故障樹分析的塞拉門系統可靠性分析［J］.機械制造及自動化，2014( 4) : 182-186.

(

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Method of Fault Tree Simulation Analysis for Subway Door System Failure

GUO Yunjian，DUAN Xiaoxia，TAN Licheng，TIAN Xueyan，ZHANG Aihua
( P＆T Research Center，CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063035，China)

Subway door system fault tree model was established based on FTA technology.According to basic event of fault tree ( bottom event) corresponding to the failure rate and distribution，Monte Carlo method is used for the subway door system reliability simulation calculation to obtain the subway door system failure probability model，and the simulation results is compared with the theoretical calculation result analysis.Results show that the simulation results are coincide with the theoretical calculation，and it is convenient，reliable and fast with an improved reliability of the door system.This method is applicable to the parts subject to arbitrary distribution types，embodying the superiority of dealing with complex system reliability problems.

door system; fault tree; monte carlo; reliability

A

1673-9590( 2016) 01-0044-05

2015-05-17

郭云健( 1982－)，男，工程師，碩士，主要從事軌道車輛RAMS設計分析的研究

E-mail: gyj2002330@126.com.