基于常州地鐵1號線牽引系統故障樹可靠性分析

廖國恬

摘 要：本文重點研究如何預防和減少常州地鐵1號線牽引系統故障發生，利用故障樹的分析方法，建立牽引系統故障樹模型，對導致牽引系統發生故障的因素進行定性以及定量分析。定性分析得出牽引系統所有的故障組合，定量分析得出牽引系統的主要故障類型，利用定量分析得到的結果，提出了提高牽引系統可靠性的相關建議，為故障檢測以及維修提供方法和依據。

關鍵詞：牽引系統;故障樹;定性分析;定量分析

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵在改善城市居民出行方式、優化城市交通體系起到了十分重要的作用。然而，牽引系統的可靠性將直接關系到地鐵運營的安全與穩定。加強對地鐵車輛牽引系統的檢修工作，同時針對故障問題采取有效措施，建立故障處理數據庫，從而提高處理故障的效率。本文利用故障樹分析原理，依次計算牽引系統無故障運行時間、導致牽引系統失效事件的結構重要度和概率重要度，并提出相關建議。

1故障樹的基本理論

故障樹分析（Fault Tree Analysis，簡稱為FTA）是一種邏輯演繹的分析工具，用描繪故障發生的有向邏輯樹，分析故障的現象、原因及結果，從而找出預防故障的措施。從上而下探尋引起頂事件的全部可能事件，再通過分析找出引起全部可能事件的直接事件。最終，用邏輯符號將這些事件連接起來形成樹狀，表達各事件的邏輯關系。

1.1故障樹分析的步驟流程

1.1.1確定頂事件

根據對系統故障的判斷依據和了解，確定故障樹最上部的事件。頂事件是事先預定好的，處于故障樹的頂端，是所有輸入事件聯合發生的作用結果。

1.1.2建立故障樹

故障樹的建立是一個不斷完善和修復的過程，從系統初始設計階段開始，隨著對系統設計的進展和對故障模式的理解，故障樹也不斷擴大。

1.1.3定性分析

定性分析主要是找出引起頂事件發生的所有事件及其組合。本文采用下行法對系統進行定性分析，即從上而下逐級進行，不斷重復上述步驟，直到所有結果事件均被處理，所得的底事件集合為故障樹割集，最終按最小割集的定義，獲得故障樹的最小割集。

1.1.4定量分析

定量分析指的是在所有底事件單獨存在并已知其發生概率的情況下，利用定性分析獲得的最小割集計算可靠性指標，判斷系統潛在的故障以及對維修過程進行故障診斷，以提高檢修效率。

1.2定量分析主要指標

1.2.1頂事件的發生概率

設底事件，發生概率為，其中為底事件數目，則最小割集的失效概率為：

頂事件發生的概率可表示為：

根據式（3）可獲得系統的平均無故障運行時間為：

1.2.2結構重要度

結構重要度是從故障樹結構上入手分析各基本事件的重要程度。若某個基本事件在故障樹的最小割集組中出現次數越多， 其結構重要度越高。其計算公式為：

1.2.3概率重要度

若進一步考慮基本事件發生概率的變化會對頂事件發生概率造成多大影響， 此時可以利用概率重要度指標加以衡量。概率重要度系數的計算公式為：

2牽引系統故障樹分析

2.1建立故障樹

運營過程中，牽引系統對于地鐵列車的安全運營至關重要。根據常州地鐵1號線牽引系統故障的統計分析，建立牽引系統故障樹。將牽引故障作為頂事件，8個系統子部件作為中間事件建立常州地鐵1號線牽引系統故障樹模型。

2.2定性分析

由于各底事件最小割集的階數為 1，可計算得出各底事件的結構重要度均為 1，不管各底事件發生概率的大小，只要底事件發生，頂事件就會發生，即發生牽引系統故障，因此要盡量減少此類事件的發生。

2.3定量分析

根據常州地鐵1號線牽引系統故障大數據的統計，獲得各底事件的發生概率。

2.3.1頂事件可靠度計算

將定性分析獲得的最小割集和各底事件失效概率代入式（1）、（2）、（3）中，可得到常州地鐵1號線在檢修或運營過程中發生牽引故障的失效概率為0.61064，即不可靠度為0.61064。

將失效概率代入式（4）中可得常州地鐵1號線牽引系統平均無故障時間為：1/0.61064=1.63天。

2.3.2底事件概率重要度計算

計算得出底事件的概率重要度，碳滑板故障的概率重要度最大為0.47094，說明碳滑板故障對于頂事件概率影響最大。排水口變形、橫托架失力、CCU-D故障的重要度都超過了0.41，對頂事件概率影響也較大。應加強對此故障的檢查和維修，提高運營安全可靠性。

3結論和建議

根據故障樹分析法建立常州地鐵1號線牽引系統故障樹模型，對其故障樹進行定性和定量分析，通過對計算結果的分析，提出以下建議并為運營故障維修提供參考依據。

3.1牽引系統平均無故障時間為1.63 天，建議對牽引系統檢測周期定為 1.5天，以基本保證無故障運營。

3.2從表 3 可見，碳滑板故障、排水口變形、橫托架失力故障、CCU-D故障的概率變化對牽引系統故障概率影響較大。因此，日常的檢修工作應加強對碳滑板、排水口、橫托架、CCU-D檢查。

參考文獻：

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（常州市軌道交通發展有限公司運營分公司，江蘇 常州 213000）