基于現場數據的地鐵車輛牽引系統可靠性分析

田世賀　李小波　程岳梅　陸朱劍

摘要：牽引系統的可靠性對于地鐵車輛的安全運行極為重要。文章結合某地鐵線路的現場車輛檢修記錄，采用故障樹法和蒙特卡洛法分析牽引系統的可靠性。首先，根據現場檢修數據建立地鐵牽引系統的故障樹模型，并對所建立的故障樹模型進行定性、定量分析。其次，運用蒙特卡洛法對地鐵牽引系統進行可靠性仿真。最后，確定了牽引系統的薄弱環節和各部件的重要度，對地鐵列車的可靠性設計和制定檢修策略具有重要借鑒意義。

關鍵詞：可靠性;牽引系統;故障樹;蒙特卡洛法

【Abstract】Thereliabilityoftractionsystemisveryimportantforthesafeoperationofmetrovehicles.ThispaperanalyzesthereliabilityoftractionsystembyFaultTreemethodandMonteCarlomethodbasedonthefieldfaultmaintenancerecordofasubwayline.Firstly，thefaulttreemodelofsubwaytractionsystemisestablishedaccordingtotheon-sitemaintenancedata，andthefaulttreemodelisanalyzedqualitativelyandquantitatively.Secondly，MonteCarlomethodisusedtosimulatethereliabilityofsubwaytractionsystem.Finally，theweaklinksoftractionsystemandtheimportanceofeachcomponentaredetermined，whichhasimportantreferencesignificanceforreliabilitydesignandmaintenancestrategyofmetrotrain.

【Keywords】reliability;tractionsystem;faulttree;MonteCarlomethod

作者簡介：田世賀（1995-），男，碩士研究生，主要研究方向：地鐵車輛電氣系統可靠性;李小波（1974-），女，博士，副教授，主要研究方向：軌道交通車輛電力牽引、電氣狀態檢測、故障診斷。

0引言

城市軌道交通在大中型城市的交通運輸中發揮著不可替代的作用。作為軌道車輛的重要組成部分，對牽引系統進行可靠性分析，確定牽引系統的薄弱環節，對地鐵車輛的可靠性設計以及車輛維修具有重要意義。

近年來，國內部分學者對城市軌道車輛牽引系統的可靠性進行了相關研究。李小波等人[1]通過對地鐵車輛牽引傳動系統層次分析提出系統模塊的可靠性評價指標，同時結合了馬爾可夫獎勵過程，分析了不同衰減系數下系統的可靠性，并建立了相應的可靠性評估模型;江現昌等人[2]運用FMEA法對車輛牽引系統可靠性進行評估，并分析了導致牽引系統失效的因素及薄弱環節;宋永豐等人[3]通過分析地鐵列車牽引系統中各部件失效后對整體系統的影響和可靠性邏輯關系，建立了牽引系統的可靠性模型，并給出了專家打分的評價指標，對各部件進行可靠性分配，其模型對地鐵列車牽引系統的可靠性設計有著重要借鑒意義;燕春光等人[4]利用FTA法建立了地鐵車門系統FTA模型，根據模型中基本事件的失效分布函數和故障率，建立了基于概率的地鐵車門系統失效模型，為地鐵車門系統的日常維護提供了依據;張小輝等人[5]在地鐵車輛系統失效模式與影響分析的基礎上運用蒙特卡洛改進算法模擬仿真了地鐵車輛系統設備單元發生故障的實際過程，并根據地鐵車輛系統的故障模式和持續時間，建立了地鐵車輛系統的可靠性評價指標，從而通過對實例數據的分析得到了穩態系統下的可靠性數據;孟苓輝等人[6]研究了高速列車牽引傳動系統中的不同設備的失效機理，建立各設備的失效模型，再根據其失效模型建立了傳動系統的馬爾可夫狀態轉移模型，對模型進行求解，得到了牽引傳動系統可靠性隨時間變化的規律。

本文將故障樹與蒙特卡洛法結合應用到地鐵牽引系統的可靠性分析，通過建立地鐵列車牽引系統FAT模型，采用最小二乘法，計算出各部件失效分布函數的特征值。根據所得數據采用蒙特卡羅仿真方法對牽引系統的可靠性進行了分析，得到了系統的可靠性變化規律圖，并根據圖表給出了參考維修周期。

1地鐵列車牽引系統FAT分析

故障樹分析（FTA）是一種基于圖形的故障分析方法，是對特定條件下的故障事件進行邏輯推理的方法[7]。一般來說，故障樹的“頂事件”代表著整體系統失效，此后向下層逐級分析，最終分解到不能再分解的基本事件為止。在這個過程中，相應的“中間事件”、“底事件”的邏輯關系就較為清晰明了，與此同時再根據相應的邏輯關系，將相應的上、下級事件連接起來，形成一個樹分支，從而建立完整的故障樹模型。故障樹分析法具有簡便、直觀的特點，將其應用于地鐵列車牽引系統中可以有效提高可靠性分析的靈活性及分析效率。

1.1地鐵列車牽引系統FAT的建立

結合地鐵線路現場檢修數據，將牽引系統失效作為故障樹的頂事件，從上至下找出導致牽引系統失效的各級中間事件以及底事件，并建立牽引系統故障樹模型，如圖1所示。

從該模型可以看出，引起頂事件T（牽引系統失效）發生的中間事件主要有6個：M1-牽引箱故障、M2-牽引電機故障、M3-散熱模塊故障、M4-受流設備故障、M5-牽引系統設備箱故障、M6-受電弓故障，此外還有下一層級中間事件：M7-PIM模塊故障、M8-電機故障、M9-受電弓弓頭故障。

與各中間事件對應的底事件共18個：A1-預充電接觸器故障、A2-制動模塊故障、A3-PIM1模塊故障、A4-PIM2模塊故障、A5-速度傳感器故障、A6-溫度傳感器故障、A7-軸承故障、A8-電機速度傳感器故障、A9-外部風扇故障、A10-逆變器冷卻風扇故障、A11-分流導線故障、A12-絕緣子故障、A13-FVMD故障、A14-牽引模塊故障、A15-上框架與底架故障、A16-驅動裝置故障、A17-碳棒尺寸超標、A18-碳棒損壞。

1.2最小割集和各基本單元失效分布函數的確定

定性分析和定量分析是故障樹分析的常用方法。對于給定的故障樹，由最小割集組成的最小割集族是唯一確定的。對故障樹的定性分析通常有2個任務，分別是：根據已知數據計算出每個底部事件的概率，再求解頂部事件的概率;根據已知故障樹尋找此故障樹的最小割集，計算出各最小割集的重要度，并根據關鍵部位重要度的大小關系確定系統中的薄弱環節。

在故障樹中，能引起頂層事件發生的最小基本事件集稱為故障樹的最小割集，即當最小割集中所包含的所有事件都發生時，代表此最小割集發生，與此同時頂層事件必然發生[8]。通常，尋找最小割集的方法有上行法和下行法兩種，本文采用下行法得到牽引系統最小割集為：{A1}，{A2}，{A3}，{A4}，{A5}，{A6}，{A7}，{A8}，{A9}，{A10}，{A11}，{A12}，{A13}，{A14}，{A15}，{A16}，{A17}，{A18}。

在進行定量計算時一般要做以下假設：所有底事件之間都是相互獨立的[8];頂事件和底事件都只有2種狀態，即：發生失效和不發生失效;在一般情況下故障分布可假定為指數分布和威布爾分布兩種。

傳統方法求解故障樹各層的發生概率計算過程十分繁雜。為了簡化計算過程，本文采用蒙特卡羅仿真方法計算了系統的可靠性指標。

對某地鐵線路2017～2019年現場檢修數據統計進行整理、篩選，統計出牽引系統各部件故障數量，如圖2所示。

從圖2中可以看出故障次數較多的部件為：電機速度傳感器、外部風扇、分流導線、絕緣子、FVMD、牽引模塊以及碳棒尺寸超標。

通過Minitab仿真軟件采用最小二乘法擬合出各部件失效概率分布函數及其特征參數見表1。

2蒙特卡洛可靠性仿真

2.1蒙特卡洛法概述

蒙特卡洛（MonteCarlo）法是一種數值模擬方法，主要應用于概率現象的研究。蒙特卡洛的基本思想是：為了解決實驗中遇到的問題，先建立一個失效概率模型，而后通過對模型進行抽樣實驗來求解模型參數[9]。在實際應用中，需要對影響模型可靠性的時間變量進行隨機抽樣，再將抽樣值代入對應的分布函數以判斷該模型是否失效。蒙特卡洛仿真的最終目標是求解出每個事件的概率。

2.2MonteCarlo仿真模型的建立

牽引系統的蒙特卡洛仿真流程如圖3所示。

分析圖3可知，最終得到各底部事件的單元重要性和模式重要性以及整體系統的可靠性曲線。

2.4牽引系統蒙特卡洛仿真結果分析

通常在可靠性分析中系統可靠性指標可以用單元重要度和模式重要度來衡量。此時需用到如下數學公式：

模式重要度表示事件Bi發生而引起頂事件發生的次數在頂事件發生次數中所占比重，由此可知其值可以直接反映出該部件是否是系統可靠性的薄弱環節。根據表2中的數據可以看出，A11、A12、A13、A14對應的模式重要度值相對較大，從而判斷出這4個基本部件是牽引系統可靠性的薄弱環節，即：分流導線故障、絕緣子故障、FVMD故障、牽引模塊故障，與現有故障數據規律一致，驗證了仿真結果的正確性。在軌道列車牽引系統的維護和設計時要提高其可靠性就可以優先從這幾個薄弱環節入手。

圖4為牽引系統可靠度仿真曲線。由圖4可知，牽引系統工作時間越長，其可靠度越低，這與列車牽引系統實際工況相符合。為確保地鐵的安全運行，在制定檢修策略時應充分考慮牽引系統的可靠性指標。圖4中的標記點表示牽引系統可靠性降低到0.9所用時間為60h，所以針對該地鐵線路制定檢修計劃時，可以將2.5天作為參考檢修周期。

4結束語

本文通過建立故障樹確定了引發系統故障的最

小割集，同時通過蒙特卡洛仿真法借助Matlab仿真軟件求解出各底層事件的重要度，并由此分析出引發系統故障的關鍵部分，即分流導線故障、絕緣子故障、FVMD故障、牽引模塊故障。與傳統方法相比，本文的方法更加簡單直觀，而且減少了計算的復雜性，在實際應用中可以極大地節省人力和財力。仿真計算結果與現場數據具有一致性，而且也將為地鐵牽引系統的可靠性設計、故障診斷以及日常維修提供了參考。

參考文獻

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