地鐵車輛車門維修工作重要及關鍵零部件的確定方法研究

薛海峰, 黃 挺, 尹洪權, 李啟磊

(南京中車浦鎮城軌車輛有限責任公司， 江蘇南京 210000)

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地鐵車輛車門維修工作重要及關鍵零部件的確定方法研究

薛海峰, 黃 挺, 尹洪權, 李啟磊

(南京中車浦鎮城軌車輛有限責任公司， 江蘇南京 210000)

車門系統是地鐵車輛的關鍵系統，為了確定車門維修工作中的重要零部件和關鍵零部件，提出了一種基于FMECA(故障模式影響及危害性分析)和ABC分類原則的零部件分類方法。該方法首先通過FMECA計算各零部件嚴酷度和危害度，然后以嚴酷度、產品危害度、采購價格為評價指標，利用層次分析法確定各指標的權重，最后利用綜合評分法建立了基于ABC分類原則的零部件分類模型，并以某地鐵車輛客室車門系統為例進行了實例分析，通過分析發現該方法能夠較為準確的確定車門維修工作中的重要及關鍵零部件，符合現場檢修工作的實際要求。

地鐵車輛; 車門系統; 零部件分類; ABC分類法; 層次分析法

維修工作中的重要及關鍵零部件指涉及車輛的運行安全、運營任務、故障率較高且故障后果嚴重的零部件。車門系統屬于地鐵車輛較為關鍵的系統，在實際運用與維修的過程中，車門故障的發生較為頻繁、對地鐵運營影響也較大，這對車門系統的維修工作提出了較高要求。為了使車門的維修工作更有重點、有針對性地開展，根據車門系統各零部件在維修工作中的重要程度進行分類，以確定車門維修工作中的重要零部件和關鍵零部件以提高維修工作的合理性和效率是十分必要的。

目前，確定系統的重要及關鍵零部件的方法較多。許多工程應用以GJB 1378A-2007《裝備以可靠性為中心的維修分析》[1]提出的確定原則作為參考依據，但該標準未對重要件和關鍵件的判斷準則和程序進行細致地規范，易導致在分類界定上過于冒進或保守而使分類分析失去了應有的作用。除了主觀上的邏輯判斷法，較常見的分類法還有ABC分類法、VED分類法以及XYZ分類法等[2]。其中，VED分類法和XYZ分類法屬于單因素分析法，ABC分類法(Activity Based Classification)也稱巴雷托(帕累托)分析法，該方法依據事物在經濟或技術方面的重要特征進行分類，能夠有效地區分出重點事物和一般事物，進而有區別地明確管理方式[3]。與單因素方法相比，ABC分類法屬于多因素分析法，更加全面合理。因此，提出了一種基于ABC分類原則的地鐵車輛重要及關鍵檢修件的確定方法，該方法首先對地鐵車輛車門系統零部件進行FMECA(故障模式影響及危害性分析)，在此基礎上，確立了分類的定量指標并運用層次分析法(AHP)確定了指標權重，通過綜合評分法定量地對車輛零部件進行評分，最終依據ABC分類原則最終確定地鐵車輛車門維修工作中的重要件及關鍵件。

1 基于FMECA和ABC分類法的零部件分類方法

1.1 零部件分類的思路

本文提出的確定地鐵車輛車門系統重要及關鍵維修件的方法的分析流程如圖1所示。從圖1中可以看出，方法的實施包括兩部分：一是根據車門故障記錄、維修保養手冊、檢修工藝文件以及相關的標準，對地鐵車輛車門系統零部件進行FMECA分析；二是依據分析結果，綜合考慮安全性、可靠性和經濟性等方面的因素，構建評分指標，并利用層次分析法確定指標權重，最后利用綜合評分法，基于ABC分類法對車門零部件進行評分和分類。

圖1 車門零部件分類的思路和方法

1.2 故障模式影響及危害性分析(FMECA)

FMECA是一種重要的可靠性分析技術。在車輛的運用與維修階段，依據故障數據和檢修技術資料對零部件進行FMECA，能夠明確車門在使用過程中可能或實際發生的故障模式、故障原因、故障后果、故障率、危害性等，可以為維修決策等提供依據。FMECA包括FMEA(故障模式及影響分析)和CA(危害性分析)兩部分，其中CA危害性分析的方法有定性和定量兩種。為了得到定量的評價指標，需要對地鐵車輛車門系統進行FMECA定量分析和計算，FMECA分析的過程包括如圖2。

圖2 FMECA分析流程

1.3 零部件分類模型的建立

文中提出的零部件ABC分類模型的主要實施步驟如圖3所示。

(1) 確定分類對象

由于車門系統結構較為復雜，零部件數量龐大，為了便于分析，選取可維修或更換的最低層次的零部件，即FMEA分析中的最低約定層次零部件作為分類對象。

(2)分類影響因素分析

文中零部件的分類是為了區分各零部件在車門維修任務中的重要性，以確定車門維修工作的重點。因此，從維修重要性的角度出發，參考現有的產品分類程序，對影響車門零部件分類的因素以及評價項目進行整理和總結，如表1所示。

圖3 零部件ABC分類模型的主要步驟

考慮因素評價項目評價指標安全性故障的安全性后果乘客有無傷亡、傷亡人數、受傷情況任務性故障的任務性后果是否救援、是否清客、晚點時長可靠性發生故障的概率故障率、失效后果概率、故障發生概率經濟性故障的經濟損失零部件價格、間接經濟損失等

①故障后果——運營安全與任務

不同零部件失效可能造成的后果的嚴重程度各不相同，在以可靠性為中心的維修分析中，將分析零部件故障對車輛運行安全、運輸任務完成以及其他設備的影響作為首要工作任務。因此，零部件故障后果若比較嚴重就將被列為重點檢修對象。

②發生故障的概率——可靠性

零部件發生故障的概率能夠反映零部件的可靠性，可將故障概率較高的零部件應該在維修工作中將被列為重點檢修對象。

③零部件采購價格——經濟性

經濟性是維修工作過程中必須考慮的因素，通常情況下價值昂貴的零部件備件成本高，備件數量少，故障所導致的直接經濟損失較大。可將采購價格列為影響零部件在維修工作中重要程度的重要因素。

經過分類影響因素的分析，確定出了“故障后果、故障發生的概率、零部件價格”3個評價項目。

(3) 確定評價項目及權重分配

為了確定3個評價項目的權重值，采用AHP法進行計算，基本思路為：將影響系統的各個因素進行整理，劃分為相互關聯的多個層次，然后對比各個因素的影響大小，用數學方法計算出層次之間的權重關系，進而進行排序并計算出所有因素的相對于總目標的權重值，并據此進行決策[5]。權重確定的基本過程為：

①構建評判因素集U

評價因素集合可抽象為：U={u1,u2,u3}，u1,u2,u3分別對應故障后果、故障發生的概率、零部件價格。

②確定判定結果V

文中車門零部件的分類策略是，按照在維修工作中的重要程度，對零部件進行分類。因此，維修工作中的重要程度即為判定目標或判定結果。

③確定評判項目之間的判斷矩陣R

構建判斷矩陣的目的是，衡量評價項目u1～u3相互之間的重要程度，可用表rij示項目ui相對于uj的重要程度。

(1)

由于評判項目和判定結果之間的關系較為復雜，不容易直觀地表達，需要運用模糊理論對兩者之間的相對重要度進行評價和估算。可確定評價項目的對比取值[6]如表2所示。

表2 評價項目的對比取值依據

按照rij的取值依據，由兩位現場技術專家，對3個評價項目的相對重要度進行評判，可確定出與兩位現場技術專家的評判結論相對應的兩個判斷矩陣R1與R2的表達形式 ，

(2)

④確定評價項目的權重分配

step1：對矩陣R=(rij)n×n每一個元素按列進行向量歸一化：

(3)

step2：對歸一化之后的元素Wij按行求和：

(4)

step3：將 進行歸一化計算：

(5)

(6)

即兩種評判方案中3個評價項目的權重分配情況如表3所示。

表3 兩種評判方案的權重分配情況

⑤對權重分配的合理性驗證

為了驗證上述權重值分配的合理性，需要進行一致性檢驗。一致性檢驗的過程如下：

(7)

然后，計算一致性檢驗指標C·I：

(8)

表4 一致性指數 的取值標準

最后，由一致性檢驗指標C·I和一致性指數R·I(按照表4取值)，計算得到隨機一致性指標：

(9)

當隨機一致性指標C·R<0.1時，即可認為判斷矩陣R能夠滿足一致性要求，不滿足則需要重新調整。經過一致性檢驗，發現兩種方案的判斷矩陣R1、R2都滿足要求，如表5所示。因此，兩種權重分配方案都是較為合理的。

表5 一致性指標的計算結果

在此基礎上，將同一評價項目在兩種權重分配方案中所對應的權重值進行平均，得到故障后果、故障發生的概率、零部件價格3個評價項目的權重值分別為0.73,0.19,0.08。至此，即可利用AHP確定了3個評價項目的權重值。

(4)確定評價指標及取值標準

對于前面確定的“故障后果、故障發生的概率、零部件價格”3個評價項目，分別選擇“嚴酷度、產品危害度、采購價格”作為評價指標。

① 嚴酷度 Severity

嚴酷度也稱故障后果嚴重度或故障等級，是評價故障后果嚴重程度的指標。參考文獻[4]中的嚴酷度等級(ESR)評分準則，本文對城市軌道車輛零部件制定了如表6所示的嚴酷度評分標準。

② 產品危害度 Item Criticality Number

產品危害度(Item Criticality Number)與危害性(Criticality)不同，它反映的是零部件在某一嚴酷度等級和某一階段發生故障的頻率，因此產品危害度是可以反映出零部件故障發生頻率水平的。對故障模式發生概率等級(OPR)[4]的評分準則，本文對城市軌道車輛零部件制定了如表6所示的產品危害度的評分標準。其中，為了便于使用，將零部件產品危害度占車門系統總危害度的比重代替產品危害度來使用，并用C來表示，C可按式(10)計算：

(10)

式中Ci為第i中零部件的危害度占車門系統總危害度的比重，無量綱；

Cri為第i種零部件的危害度，無量綱；

n為車門系統零部件的種類總數。

③ 采購價格 Price

零部件的采購價格，即地鐵或輕軌公司向零部件供貨商進行備件采購時所需支付的單價，能夠反映出零部件的昂貴程度。參考文獻[3]中設備管理的價格分類評分準則，本文對城市軌道車輛零部件制定了如表6所示的采購價格評分標準。

(5) 確定評分分類依據及標準

對(4)中所述的嚴酷度、產品危害度以及采購價格這3個指標的分類評分標準進行匯總，本文制定了城市軌道車輛零部件的綜合評分標準(即表6)。

在故障模式及影響分析的基礎上，依據零部件評分標準可完成對零部件各項指標的評分。然后，根據式(11)計算出零部件的總得分，由得分高低即可確定零部件的分類。

(11)

式中，S為零部件嚴酷度指標的評分，無量綱；

C為零部件產品危害度指標的評分，無量綱；

P為零部件采購價格指標的評分，無量綱；

ωs為嚴酷度指標的權重，本文取ωs=0.73，無量綱；

ωc為產品危害度指標的權重，本文取ωc=0.19，無量綱；

ωp為價格指標的權重，本文取ωp=0.08，無量綱。

通常情況下，對產品進行ABC分類時，A類總分最高，約占總數的5%～10%；B類總分次之，約占總數的20%～30%；C類總分最低，約占總數的60%～75%[3，7]。由零部件的綜合評分結構，定義城市軌道車輛零部件的分類描述如下：

A類零部件：為關鍵維修零部件，故障后果非常嚴重，故障發生的概率很高，如果發生故障可能會對乘客的人身安全和車輛的正常運行造成很大的影響；

B類零部件：為重點維修零部件，故障后果比較嚴重，故障發生的概率比較高，如果發生故障可能造成乘客輕傷或列車輕微延誤；

表6 城市軌道車輛零部件綜合評分標準

C類零部件：為普通維修零部件，故障后果輕微，故障發生的概率不高，如果發生故障可能造成列車輕微晚點或非計劃性維修。

2 實例應用

本文以某地鐵4號線二期車輛的客室車門系統為研究對象，以全部28列車在近3年的故障數據為基礎進行分析。通過實施FMECA，得到車門零部件的故障后果嚴酷度、產品危害度、采購價格等信息，并據此對車門系統的零部件進行評分。可得到零部件的評分表，如表7所示。

表7 車門系統零部件的綜合評分表

為了便于直觀地了解車門零部件的得分情況，畫出了零部件的得分直方圖，如圖4所示。通過直方圖可以很清楚看出，行程開關和EDCU的得分最高，而攜門架橡膠緩沖頭、玻璃門和車門開關指示燈的綜合得分最低。得分的高低能夠直接反應零部件在車門檢修工作中的重要程度。

由表7零部件的評分結果和ABC分類法的零部件分配比例，對車門系統的零部件進行分類，得到的分類結果如表8所示。

3 結 論

針對地鐵車輛車門的檢修工作，提出了一種基于FMECA和ABC分類法的零部件分類方法。根據零部件在維修工作中的重要性，從故障后果、可靠性、經濟性等方面出發，建立了基于ABC分類法、層次分析法和綜合評分法的零部件分類模型。

根據該方法對某地鐵4號線二期車輛車門系統的零部件進行分類，將行程開關和電子門控器等確定為關鍵維修零部件；將驅動電機、絲桿螺母等7個零部件確定為重點維修零部件；將攜門架坦克鏈、傳動絲桿等19個零部件列為一般維修零部件。該實例分類結果比較符合現場的檢修工作實際，得到了現場檢修技術人員的認可，對于現場檢修工作具有一定的參考價值。

[1] GJB 1378A-2007. 裝備以可靠性為中心的維修分析[S].

[2] 王海峻. 南京地鐵車輛維修資源優化配置研究[D].南京：南京理工大學,2011.

[3] 李葆文. 現代設備資產管理[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4] GJB/Z 1391-2006 故障模式影響及危害性分析指南[S].

[5] 蘭繼斌,徐 揚,霍良安,劉家忠. 模糊層次分析法權重研究[J]. 系統工程理論與實踐,2006,(9):107-112.

[6] 葉 珍.基于AHP的模糊綜合評價方法研究及應用[D].廣州:華南理工大學,2010.

[7] 胡啟軍,尹 迪,羅 兵. 基于ABC分類的備件多階段多類別分類法[J]. 物流技術,2009,(11):246-248.Method Research on Determining the Important and Key Components in Metro Door Maintenance

XUEHaifeng,HUANGTing,YINHongquan,LIQilei

(1 Nanjing CRRC Puzhen Rail Transport Co., Nanjing 210000 Jiangsu, China)

Door system is the key system of metro vehicles. In order to determine the important parts and key components in door maintenance work, a kind of part classification method is proposed in this paper based on FMECA and ABC taxonomy.Using this method, firstly we do FMECA and calculate severtity and criticality number of the door parts; then severity, criticality number, the purchase price is chosen as the evaluation indexes, which weights are set by AHP; finally a classification model based on ABC classification principle and the comprehensive scoring system to classify components is built in this model. Futher more a metro vehicle door system is analyzed as an example case in this paper. We find out that the method is more accuracy in determining the important and key components during the door maintenance, which will make the door maintenance job has a great rationality.

metro car; doors system; parts classification: FMECA; ABC classification

??)男，高級工程師(

2016-05-16)

1008-7842 (2016) 05-0115-06

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.27