廣州地鐵A5型車車門系統故障樹分析

李 鋒 沈金煥

(廣州地鐵集團有限公司運營事業總部 廣東 廣州 510710)

0 引言

地鐵列車客室車門數量多且動作頻繁，相對易出現故障。據不完全統計，在城市軌道車輛各部件中，車門引起的故障占車輛故障的60%以上[1]。目前故障樹法在其他領域發展成熟，故引入到地鐵列車車門系統故障分析中，以期預防車門系統故障，提高正線運營可靠度。

下文以廣州地鐵二號線A5型車客室車門為研究對象，結合故障樹法分析車門系統故障，歸納故障各因素的概率重要度，對高概率進行故障分析和處理，進行參考預判，提前介入處理。

1 車門系統及其故障

1.1 車門系統介紹

廣州地鐵二號線A5型車客室車門采用了電動雙開塞拉門，車門系統主要由電子門控單元、驅動裝置、導向裝置、承載裝置、鎖閉裝置及操作裝置等組成。圖1所示為客室車門系統組成示意圖。車門開啟時，電機帶動絲桿螺母副，引起攜門架、長導柱等導向部件中的轉臂動作，使門頁在導向裝置的引導下向外做擺出運動。在達到完全擺出狀態后，導向裝置控制門扇平行于車輛側面直線運動，直到門頁達到完全打開狀態。車門關閉則是相反的過程。

1—電子門控單元組件；2—機構；3—安裝架；4—緊急出口裝置；5—隔離開關組件；6—緊急入口裝置；7—下擺臂組件；8—左門扇；9—右門扇。圖1 車門系統組成示意圖

1.2 常見故障

1.2.1機械故障及處理

(1)機械尺寸參數故障

車門系統機械尺寸參數眾多，如對中、V型、下擋銷間隙、車門部件干涉等情況。參數調整不在規定范圍內，在客流量大且集中時，由于車體撓度等因素影響，造成參數變化，引起車門故障，需調整參數至范圍內。

(2)零部件損壞故障

零部件損壞可通過更換新件解決，若同一類零部件損壞率較大，則考慮是否存在系統設計問題或調整上的失誤。

1.2.2電氣故障及處理

(1)行程開關故障

故障現象為單個車門無法關閉，原因為關門行程開關在車門打開過程中出現故障或誤動作，在關門時門控器收不到“門關好”信息。檢查行程開關是否損壞，若損壞則更新，或檢查行程開關是否安裝過緊，過緊則重新調整。

(2)電子門控器故障

包括門控器硬件故障、突然死機等，處理方法為檢查軟件版本是否為最新，檢查接線是否異常，檢查其本身是否損壞等。

(3)車門電機故障

故障現象為車門不動作、車門動作一段時間后停止運動等，解決方法為檢查車門電機各處接線是否松動或損壞，檢查電機皮帶、聯軸器是否異常，檢查其本身是否故障等。

2 車門系統故障樹法分析

2.1 故障樹法概念與構建

故障樹法即基于樹形結構形象表達系統故障的影響因素構成的一種邏輯分析算法，樹形結構表達直觀明了，是現今應用廣泛的故障分析方法，由頂事件、中間事件和基本事件組成，把故障表現及其原因間的互相聯系以不一樣的層次事件形成樹形構造網絡，能夠定性、定量分析[2]。

通過收集統計廣州地鐵A5型車客室車門系統故障歷史數據，利用故障樹法構建車門系統故障樹示意圖，如圖2所示。

圖2 車門系統故障樹示意圖

以此類推，從理論層面去剖析，從一個可能的故障開始，自上而下、一層層尋找車門故障的直接原因和間接原因事件，直至找到基本原因事件。

2.2 故障樹法定性分析

如表1所示，對故障樹法進行定性分析，基本事件設為K1K2……K29，不考慮各個基本事件的發生概率或各個基本事件的發生概率都相等的前提下，按事故發生的因果關系得出導致頂事件發生的最小事件組合。

表1 車門系統故障樹最小事件組合

2.3 故障樹法定量分析

(1)概率重要度

對故障樹法進行定量計算，得到所有基本事件出現的概率重要度。概率重要度即體現某一個內部單元由故障狀態(表示“1”)回到正常狀態(表示“0”)之時，該系統減小的不可靠度的數值。即某一個內部的單元出現故障之時引起該系統出現故障的概率程度。假設第K個單元，則其概率重要度

Ik=FS(Fk=1)-FS(Fk=0)

(1)

式中：Fk為第K個單元的不可靠度，FS(Fk=1)為第K個單元出現故障時該系統出現故障的概率，FS(Fk=0)為第K個單元出現正常工作時該系統出現故障的概率。

概率重要度反映的是各類故障因素發生的概率對于頂事件即車門系統故障發生概率的重要度。概率重要度可表現各因素對車門系統故障的影響程度，數值越大影響越大。

(2)概率重要度的模糊集合運算

借助模糊集合進行故障樹定量分析計算，得到所有基本事件出現的概率重要度。

設P=(a，m，b)三角模糊數，0≤a≤m≤b，設故障樹T的結構函數為φ(K1，K2,……，Kn)，事件Ki概率分布為PKi=(i=1,2，……，n)，頂事件為T，根據模糊集合運算：

基本事件Ki的概率重要度為

(2)

如果V(PT，PTi)≥V(PT，PTj)則事件Ki對系統發生故障失效的影響程度更大些。

(3)車門系統概率重要度及參考值

由表1及模糊集合運算公式計算，統計車門系統故障，得到車門系統故障出現概率對于頂事件出現的概率重要度，如表2所示。

表2 車門系統故障概率重要度

將概率重要度的數值代入公式(3)計算其幾何平均值(表現連續作業時產品的平均合格率)。車門系統故障因素概率重要度的幾何平均值作為參考值，可表現列車運營時車門系統故障平均合格率。

(3)

式中：Gn為幾何平均值，xi為各因素概率重要度數值，n為各因素的個數。通過公式(3)得到車門系統故障的概率重要度幾何平均值為0.016 1。即各類車故障因素發生概率對于車門系統故障發生概率的平均水平為0.016 1。設定該值作為參考警戒值，當某一故障發生的概率重要度不小于0.016 1時預警，對該故障發生的部件，采取工藝優化、普查整改等措施，提前預防，減少或避免該故障的發生。

3 故障樹法可行性驗證

如表2所示，車門系統故障因素的概率重要度大于參考值0.016 1的基本事件有多項。廣州地鐵二號線A5型車近兩年正線出現6次螺母副翻轉不到位故障，有4次故障造成列車晚點，故以概率重要度數值為0.026 4的螺母副翻轉不到位故障為例，分析結構與原理，根據其故障危害度，制定相應的普查整改措施，提前預防。

3.1 螺母副工作原理

從螺母副工作原理分析，以車門鎖閉功能為例，車門從未鎖到鎖閉位置時，螺母副撞塊與螺母座的角度發生變化，同時絲桿相對于螺母座產生轉動，螺母副滾動銷就進入變導程絲桿的鎖閉段，此時車門機械鎖閉。撞塊觸發鎖到位行程開關可表征車門機械鎖閉，如圖3、圖4所示。

圖3 鎖到位開關和左旋螺母(帶撞塊)

圖4 左旋螺母位置示意圖(左側為未鎖閉，右側為鎖閉)

3.2 螺母副翻轉不到位

圖5所示為撞塊翻轉位置示意圖，左為翻轉不到位示意圖，右為翻轉到位示意圖。根據螺母副工作原理分析，造成撞塊不能翻轉到位的原因有以下幾個：

圖5 撞塊翻轉位置示意圖

(1)螺母組件內塑料螺母磨損。塑料螺母磨損為螺母副撞塊翻轉不到位的主要原因，關門時門頁驅動塑料螺母，塑料螺母驅動絲桿，而在關門到位位置，關門的持續保持力會降低，車門抵抗護指膠條壓縮的反彈力減弱，造成絲桿轉動的力矩降低，加之塑料螺母的磨損，造成螺母副撞塊翻轉不到位故障發生。

(2)螺母組件內扭簧轉力矩不足。扭簧轉力矩不足，直接影響螺母撞塊翻轉的角度不足，無法推動行程開關組件擺臂滾輪，導致無法釋放行程開關信號。

(3)到位開關組件壓簧壓力較大。到位開關組件壓簧壓力較大時，車門關門或鎖閉時，螺母副撞塊難以推動行程開關組件擺臂滾輪而受阻，導致無法釋放行程開關信號。

3.3 普查與整改

螺母副翻轉不到位故障概率重要度大于參考值0.016 1，2017年7月起結合架修和系統修對螺母副進行專項普查與整改，措施如下：

(1)對其進行外觀和狀態的定期檢查，利用窺視鏡仔細檢查塑料螺母的外觀和狀態，發現磨損及時更換。

(2)對扭簧使用情況進行定期檢查，具體為：①手動關門至車門處于中部附近。②左旋螺母檢查，面對車外站立，用手沿圖6中左圖所示方向轉動塑料螺母或觸發開關的撞塊，然后釋放，如果塑料螺母按照右圖所示方向復位，則扭簧未失效，否則失效。③右旋螺母檢查，面對車外站立，用手沿圖6中左圖所示方向轉動塑料螺母或觸發開關的撞塊，然后釋放，如果塑料螺母按照右圖所示方向復位，則扭簧未失效，否則失效。④電動關閉車門的情況下，使用窺視鏡檢查關門時螺母副撞塊，開關滾輪應停留在撞塊凸臺上，如圖7所示。若檢查開關滾輪不在撞板凸臺上，則需調整撞塊，旋松撞塊安裝螺母調整。

圖6 螺母副檢查(上方為左旋螺母，下方為右旋螺母)

圖7 螺母副撞塊檢查

(3)對到位開關組件進行安裝前后的檢查，方案和操作工藝如下：①安裝前，推動與釋放開關組件擺臂，反復感受壓簧的力度，難以推動或釋放則更換新的開關組件安裝。②安裝后，調節門到位/門鎖到位開關組件底板位置，使開關 S4 /S1上滾輪與鉸鏈臂的斜面間隙在0.5～1.5 mm范圍內。

對螺母副專項普查與整改的工藝優化后，螺母副翻轉不到位故障發生次數由6起減至零，故障概率重要度由0.026 4減少至零，即普查整改效果顯著減少，如圖8所示。

圖8 優化措施前后故障次數及其概率重要度

4 結束語

上文以廣州地鐵二號線A5型車客室車門為研究對象，提出了采用故障樹法進行車門系統故障分析的方案，根據分析結果，采取有針對性的優化措施，提前預防車門故障，取得較大的成效，保障了正線運營可靠度。研究結論說明故障樹法對地鐵車門系統故障分析具有一定的實用性。