軌道扣件失效故障樹分析方法研究*

李文豪 王安斌 高曉剛

(上海工程技術大學城市軌道交通學院 上海 201620)

0 引 言

扣件是軌道重要組成部件，是鋼軌與軌枕聯結的關鍵，起到固定鋼軌正確位置的作用[1].扣件的工作狀態，影響著軌道整體結構的穩定性和行車安全性，預防扣件失效的基礎是要找出導致扣件失效的主要因素.羅曉勇[2]分析研究Ⅲ型扣件扣壓力與彈程、硬度和殘余變形之間的關系.得出彈程一定時，在荷載作用下，隨著硬度的增大，彈條扣壓力增大，其塑性和韌性下降，彈條最大應力在彈條跟端圓弧處，此處易發生斷裂的結論.杜茂金[3]認為DT Ⅵ2型扣件彈條折斷發生在荷載超過彈條強度，變形超過彈條彈程時.該事件發生的主要原因是鋼軌波浪型磨耗使鋼軌產生高頻振動.齊少軒等[4]認為絕緣橡膠墊在列車荷載作用下被壓裂是由于錨固螺栓扣壓力過大且絕緣橡膠墊材質的抗老化性能較差造成的.目前對于扣件失效的研究大都是針對扣件某一部件開展的，而基于扣件整體分析導致扣件失效因素的研究較少.因此，提出了一種采用故障樹分析法從整體去分析扣件失效的主要因素.

該方法以w型扣件失效作為頂事件, 以可能導致扣件失效發生的因素為底事件,建立扣件失效故障樹模型；對所建故障樹進行定性分析，求出所有最小割集；基于最小割集得到底事件重要度排序，找出導致扣件失效主要因素.為扣件檢測、養護維修提供指導依據，對縮減維護成本、預防事故發生具有重要意義.

1 扣件失效

1.1 扣件常見失效類型

扣件常見失效大體上有七類，分別為：彈條失效、T型螺栓失效、軌距塊失效、軌下墊板失效、錨固螺栓失效及絕緣緩沖墊板失效.彈條失效表現為彈條斷裂、彈條銹蝕等；螺栓失效表現為螺栓斷裂、螺栓松動等；軌下墊板失效表現為軌下膠墊竄出、軌下膠墊壓潰，等等.在某地鐵線路現場調查發現，e型扣件鐵墊板在鐵墊板凸臺與絕緣塊的交接處出現裂紋；在國內某線上發現福斯羅300型扣件主要傷損類型是彈條部件的損傷；在上海某地鐵線路發現，w型扣件絕緣塊有損壞現象；在某地鐵線路鋪設的軌道減振器存在橡膠層和墊板之間開裂的現象；在國內某地鐵區段調查發現，在其下行線有軌下墊板竄出的現象發生.扣件常見失效以彈條斷裂事故所占比例最大.

1.2 w型扣件的組成

w型扣件由彈條、絕緣塊、鐵墊板、軌下墊板、T型螺栓、螺母、平墊圈、絕緣緩沖墊板、重型彈簧墊圈、平墊塊、錨固螺栓，以及預埋套管等組成[5].彈條具備足夠的彈性和扣壓力，以保證鋼軌的幾何形位；T型螺栓為彈條提供預壓力，保證鋼軌、軌下墊板與鐵墊板間的連接；絕緣塊用來調整一定軌距，有絕緣作用；錨固螺栓有效的保證鐵墊板等部件緊密連接，提供一定的縱橫向阻力；絕緣緩沖墊板是緩沖輪軌間的振動沖擊作用，減少鐵墊板與承軌臺間的剛性接觸.w型扣件各零部件的布置圖見圖1.

圖1 w型扣件各零部件布置示意圖

2 w型扣件的故障樹模型

故障樹分析方法是以系統最不希望發生的事件作為分析的目標(即頂事件)，找出系統中可能發生的部件失效、人為失誤等因素(各底事件)與系統失效之間的邏輯聯系，最后用倒立的樹狀圖表示出來[6-8].w型扣件故障樹建立劃定的邊界原則是:①不考慮泥石流、地震、爆炸等破壞性事件對鐵路w型扣件失效的影響;②不考慮高寒地區、沿海地區對系統失效的影響;③去掉對系統影響不大的邏輯事件,抓住重點,盡量簡化,以便定性分析.

2.1 w型扣件的失效因子

失效因子的確定對故障樹中的各個中間事件之間的邏輯關系有直接影響[9].依據實地考察和查閱相關資料統計出失效因子，見表1.

表1 w型扣件的失效因子

2.2 w型扣件失效故障樹

在故障樹分析中，系統是指能夠實現相應功能的零部件構成的整體.那么在故障樹分析中，便不是對扣件每個零部件進行分析，因此扣件根據模塊化理論進行劃分，分為七個組成部分：彈條、T型螺栓、軌距塊、軌下墊板、錨固螺栓及絕緣緩沖墊板[10-11].

以w型扣件失效為頂事件，失效因子總結了包含七個組成部分等中間事件及底事件，建立的故障樹見圖2.

圖2 w型扣件失效故障樹模型

3 故障樹定性分析

3.1 最小割集

在故障樹中，最小割集是使頂事件發生的集合，該集合由一個或多個底事件組成，若高階最小割集中所有底事件均發生，則故障發生.本文運用上行法對故障樹進行定性分析.

自下而上寫出各底事件的邏輯表達式

M1=x2+x3+x4;M2=x5×x6;M3=x7+x8;

M4=M1×x1;M5=M2+M3;M6=x5×x22;

Lapinska等[28]應用HDACI聯合鈣蛋白酶抑制劑作用于卵巢癌細胞的研究發現，腫瘤細胞生長受到明顯抑制，且聯合方案中藥物的有效劑量明顯低于每種藥物單獨使用時的劑量。實驗采用兩種結構不同的HDACI(SAHA和丁酸鈉)分別聯合鈣蛋白酶抑制劑發現，本來沉默的腫瘤抑制基因ARHI、p21和視黃酸受體β2基因在聯合治療后被重新表達，并且不同程度地抑制胞外信號調節激酶及Akt的磷酸化，并不同程度地誘導細胞周期停止、細胞自噬及凋亡。

M7=M4×M5;M8=x9+x10+x11;

M9=x8+x13;M10=x5×x14;M11=x21+M6;

M12=M7+M8;M13=M9+x12;M14=x9×M10;

M15=x13+x15;M16=x1×x16;

M17=x9×x17;M18=x9×x18;

M19=x19+x20;M20=x9×M11;

M21=x23+x24;M22=x9×x26;

M23=M12+M13;M24=M14+M15;

M27=M20+M21;M28=x25+M22;

T=M23+M24+M25+M26+M27+M28

運用事件邏輯運算中的冪等律將上述表達式進行簡化，再運用吸收律得出頂事件的表達式為

T=x1×x6+x1×x2×x5×x6+x1×x2×

x7+x1×x3×x5×x6+x1×x3×x7+x1×

x4×x5×x6+x1×x4×x7+x8+x9+x10+

x11+x12+x13+x15+x19+x20+x23+x24+x25

由上述求解過程可知w型扣件失效故障樹模型的最小割集見表2.

表2 最小割集統計表

經過統計得出致使w型扣件失效發生的最小割集有三種類型：12個一階最小割集，1個二階最小割集，3個三階最小割集，3個四階最小割集共有19個.在這些割集中，任何一個割集發生都可以致使頂事件的發生.例如，X12的發生意味著彈條殘余變形過大，使得彈條扣壓力不足，即彈條失效，進而導致扣件失效；X1×X4×X7的發生意味著在不均勻沉降路段，安裝預緊力過大，造成彈條應力集中，在車輛荷載作用下，彈條就容易斷裂，導致彈條失效，從而引起扣件失效.

3.2 底事件的結構重要度分析

結構重要度有兩種分析方法：①按結構重要度系數由大到小排序，需計算出各底事件的結構重要度系數；②根據最小割集近似判斷各底事件的結構重要度大小，進行排序.結構重要度越大，則其對頂事件的影響就越大.

本文基于所求最小割集，采用最小割集判斷系數的方法對底事件的結構重要度進行排序，即

(1)

式中：I(i)為底事件xi的結構重要度的近似判別值；xi(Kj為底事件xi屬于最小割集Kj；nj為底事件xi所在最小割集Kj中所含有的底事件個數[12-13].

由式(1)對w型扣件失效故障樹的底事件結構重要度大小進行排序為

I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=

I(13)=I(15)=I(19)=I(20)=I(23)=

I(24)=I(25)>I(1)>I(7)>I(16)>

I(2)=I(3)=I(4)>I(5)=I(6)

由式(1)可得,彈條偏轉、彈條殘余變形過大、預緊力不足、安裝應力集中等底事件的結構重要度為1.00.這說明只要此類底事件發生便會導致w型扣件失效.其故障主要集中在由預緊力不足、安裝應力集中等促使彈條斷裂導致扣件失效.

4 結 論

1) 運用故障樹分析法對導致w型扣件失效的主要原因進行歸納總結，建立了扣件失效故障樹，且該故障樹由17個邏輯或門和11個邏輯與門，27個中間事件，26個底事件組成.

2) 運用上行法對w型扣件失效故障樹進行定性分析，在故障樹中劃分出扣件的最小割集19個.通過定性分析得出預緊力不足、安裝應力集中等促使彈條斷裂是導致扣件失效的主要因素.

3) 通過對w型扣件失效故障樹底事件的結構重要度進行分析比較，為扣件檢測、養護維修提供了指導方向.