FMECA在地鐵車輛車門系統設計優化中的應用研究

邱星慧　王大平　張彥華　師誠

摘 要：以中車株機公司設計制造的上海某型地鐵車輛車門系統為研究對象，首先對車門系統進行結構功能分析，再利用FMECA方法得到車門系統的危害矩陣，進而得出車門系統的薄弱環節。針對系統的薄弱環節，提出相應的設計優化措施。

關鍵詞：地鐵車輛;FMECA;車門系統;危害矩陣

地鐵車輛車門系統能否正常工作，將直接影響列車的運營調度和乘客安全。有效地識別車門系統的故障模式，確定其部件的故障等級，從而有針對性地開展設計優化，將可能導致危險的故障模式進行有效控制，對列車的可靠性提高工作十分必要。本文基于FMECA（故障模式影響及危害性分析）方法對地鐵車輛車門系統進行可靠性分析，得出系統的薄弱環節，提出對應的設計優化措施，從而減少車門系統故障對運營及乘客安全的影響。

1 車門系統的結構功能分析

1.1 車門系統結構組成與工作原理

上海某型地鐵車輛客室側門采用雙扇電動內藏門。內藏門主要由門扇、緊急出口裝置、緊急入口裝置、電子門控單元（EDCU）、指示燈、外門檻、內門檻、輔助支撐、密封毛刷和承載運動機構等子部件構成，其工作原理示意圖如圖1所示。每節車通過獨立的冗余車門子系統網絡直接與列車中央控制單元相連，在車門上方設置一體化驅動機構，驅動機構通過安裝座安裝在車體上，左鉸鏈螺母與左門扇相連，右鉸鏈螺母與右門扇相連，門扇的運動由電機驅動絲桿來實現，從而門扇可以通過左、右鉸鏈螺母來實現車門系統的開關門動作。

圖1 車門系統工作原理示意圖

1.2 車門系統的功能

車門系統具有的功能主要包括開關門功能、障礙物探測功能、車門緊急解鎖功能、車門旁路功能等。客室車門的開關通過門控器來控制，通過判斷零速信號、門允許信號、開門信號、關門信號來實現車門的開閉功能。障礙物探測功能是車門關閉時，遇到障礙物再次打開的功能，這是一種防夾保護機制。車門緊急解鎖功能是指緊急情況下可以手動操作打開車門，但必須是在零速信號有效時才能打開。車門旁路功能是指當車門限位開關故障或車門故障時造成車門安全互鎖回路或者車門關好互鎖回路中斷，列車無法牽引時，可以通過司機室的車門監控旁路開關，允許列車牽引的功能。

2 車門系統FMECA分析

2.1 對運營的故障影響等級劃分

故障影響等級是指出現的故障對列車運營的影響程度排序，通過對運營故障數據分析可將故障影響等級進行分類。上海某型地鐵車輛的故障對運營的影響等級可分為6類，如表1所示。

不影響運營的故障

根據表1故障等級界定和車門系統部件的結構功能分析結果，可以將每一種導致車門系統出現故障的故障模式進行故障等級劃分，現對上海某型地鐵車輛的車門系統故障數據進行故障等級劃分如表2所示。

2.2 部件模式危害度與部件危害度的計算

部件模式危害度是部件的其中一種故障模式帶來的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。部件危害度是部件每個部件模式危害度的總和，代表這個部件的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。用Ci表示部件模式危害度，Cj表示部件危害度，則有如下計算公式[1]：

Ci=λαβt（1）

Cj=∑ni=1Ci（2）

式中，λ為對應故障模式的部件故障率，α為該故障模式發生的頻數，β為該故障模式的影響概率，當該故障模式肯定發生時，取值β=1;當該故障模式可能發生時，取值β=0.5;當該故障模式不可能發生時，取值β=0，t為車輛運營時間，n為部件的故障模式數。

2.3 故障模式危害度的確定及FMECA分析

根據部件模式危害度和部件危害度的計算方法，結合上海某型地鐵車輛的故障數據，得出車門系統的FMECA表如表3所示。[3]

表3中部件為LRU在線可更換單元，故障模式與故障模式庫中的描述一致，并列出部件的故障原因，根據故障對運營的影響等級對故障模式進行等級劃分，單元故障率和故障模式頻數由運營數據獲得，根據工程經驗對故障影響概率進行取值，最后利用部件故障模式危害度和部件危害度計算公式得出相應的危害度。

根據車門系統FMECA表中計算獲得的危害度結果可見車門系統的故障主要集中在II、III兩個等級中，對列車的運營影響主要表現為清客和降級服務。

2.4 危害度矩陣及結果分析

如圖2所示為根據車門系統FMECA表繪制的危害矩陣圖，橫軸為故障等級，相應的數字對應等級，離坐標原點距離越遠的故障等級數越低。縱軸為部件模式危害度Ci取值。將每個點對應到坐標軸后，繪制矩陣圖的對角線，過每個點到對角線作垂線，垂足離原點的距離越遠，表示部件危害程度越大。[2]從圖中可以看出，車門系統故障等級危害程度比較大的都集中在II、III兩個等級。

除了顯示危害等級的集中程度以外，還可以對每一種故障模式的危害度進行排序并匯總。由車門系統危害矩陣圖可以得到車門系統的薄弱環節為EDCU、限位開關組件和鉸鏈螺母組件等。

圖2 車門系統危害矩陣

EDCU的危害度最高，其故障模式表現為電源模塊故障和電路故障。限位開關組件的危害程度其次，故障模式表現為短路、斷路及無法觸發。鉸鏈螺母組件的II級故障斷裂，表現為拖鏈接頭、滾動銷和螺母板斷裂的危害度為181.25;III級故障鎖閉不良，扭簧斷裂的危害度為362.5。

3 車門系統設計優化措施

針對以上車門系統的薄弱環節以及危害度≥45的六種故障模式，現提出以下設計優化措施：

a.針對門控器EDCU電源模塊故障和電路故障，應采用成熟的電源電路、DSP電路和MVB+CAN通訊電路設計，采用成熟的電機驅動模塊設計，并且驅動模塊應采用過流/過壓保護;除此之外，還應采用光耦隔離，增加EMC濾波電路。采用以上措施減少EDCU電源模塊和電路的故障。

b.針對關到位、鎖到位、緊急解鎖與門切除等限位開關的故障問題，采取的優化措施有：采用具有軌道交通業績的開關;關注關到位和鎖到位開關、輔助鎖到位開關與邏輯關系判斷門是否到位;關到位開關和鎖到位開關與邏輯關系判斷安全回路是否閉合;采用100萬次壽命試驗驗證限位開關的可靠性。

c.針對鉸鏈螺母組件的斷裂和鎖閉不良問題，采取的設計優化措施有利用壽命試驗驗證;設計時滾動銷采用高強度軸承鋼;設計校驗滾動銷強度;鎖閉裝置需要的電控系統監控，并實施保護;利用沖擊振動驗證鎖閉性能;電控系統精確控制電機運動，不允許電機反轉。

4 結語

本文利用FMECA可靠性分析方法，對上海某型地鐵車輛的車門系統進行故障模式與影響的定性分析與故障模式危害度及部件危害度的定量分析，得到車門系統的危害度矩陣，進而分析得到車門系統的薄弱環節，針對每一個薄弱環節，提出設計優化措施。下一步的研究方向應引入部件的壽命分布，獲得系統部件的動態故障率函數，更加精確的描述產品的可靠性。

參考文獻：

[1]鐘璇.可靠性分析在廣州地鐵車輛維保中的應用研究[J].鐵道機車車輛，2017（6）：112-114.

[2]董錫明.機車車輛運用可靠性工程[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3]譚鴻愿，王伯銘，黃挺.基于FMECA的地鐵車輛轉向架檢修計劃優化研究[J].城市軌道交通研究，2017（1）：96-100.

基金項目：中車株洲電力機車有限公司科技研究開發計劃重點項目——昆明5號線地鐵車輛研制（2019KJ16）