基于FMECA法的動車組受電弓故障危害度分析

趙 晨,寧善平,黃玉萍

（廣東交通職業技術學院,廣東 廣州 510650）

0 引言

受電弓作為高速動車組的心臟，對列車安全運行的作用是不可忽視的。一旦列車受電弓系統發生故障，輕則造成列車晚點，重則引起線路癱瘓和人員傷亡。目前國內各大動車檢修基地對于受電弓的檢修主要采用預防修的方式，每隔固定的時間或運營里程進行不同等級的檢修，雖然能一定程度上保障列車運營安全，但其維修代價過大，造成重復維修和產能浪費，并且針對性較差，對于某些重大故障難以及時排除。因此，亟須通過研究受電弓故障的發生規律和特點，對受電弓故障模式和故障等級進行劃分，分析故障影響及其危害度，并據此對現有檢修計劃進行優化和調整，從而提高受電弓故障檢修效率，對于提升列車運行的可靠性和安全性有著重要意義[1]。

1 動車組受電弓簡介及故障描述

目前國內正在服役的CRH 和諧號動車組及CR 復興號動車組采用的受電弓類型主要有DSA250/300/380D型、TSG15/19 型以及SS400/SS400+型受電弓。該文以CRH3動車組為例，對其使用的SS400+型受電弓進行介紹。SS400+型受電弓為單臂受電弓，列車通過受電弓上部的集電頭裝置從接觸網上取流，受電弓通過位于底架上壓縮空氣驅動裝置驅動受電弓的下臂桿實現上升與下降，底架安裝在車頂上方的絕緣子上，從而達到隔絕高壓的作用。

受電弓常見故障類型主要分為機械故障、氣路故障以及電氣故障，實際檢修過程中以機械和氣路故障居多。該文以某動車運用所CRH3 和諧號SS400+型受電弓一整年的實際檢修故障數據進行分析，由于受電弓故障類型繁多，現通過對受電弓故障部位進行分類，將受電弓的主要故障分為以下六類，其故障表現情況如下：

1.1 碳滑板故障

故障表現：碳滑板磨耗到限；碳滑板高度差到限；碳滑板裂紋；碳滑板鋁基板穿孔等。

1.2 集電頭故障

故障表現：集電頭裂紋；集電頭破損；集電頭止擋失效；集電頭工藝堵丟失；羊角傾斜；集電頭扭簧斷裂等。

1.3 供風系統故障

故障表現：碳滑板風管接頭漏風；下臂桿風管漏風；進出口風管漏風；升弓氣囊漏風；升弓控制盒漏風；ADD 閥卡箍壞；風表到期等。

1.4 絕緣子故障

故障表現：絕緣子破損；絕緣子裂紋；絕緣子防雨帽丟失；絕緣子掉漆。

1.5 框架部分故障

故障表現：拉桿裂紋；拉桿轉軸處尼龍環斷裂；上下臂桿軸承卡滯；注油堵丟失；注油堵破損；阻尼器破損。

1.6 導流線故障

故障表現：導流線斷股；導流線破損。

2 FMECA 方法介紹

FMECA 主要包括故障失效模式和影響分析（FMEA）與危害度分析（CA）這兩種方法，前者通過預測分析潛在的尚未發生的故障模式，找出其故障原因以及可能產生的后果，從而快速準確地進行故障處理，是一種定性分析法；而后者是在前者的基礎上進行一系列的危害度計算，從而確定具體故障模式的危害度數值，是一種定量分析法[2]。

FMECA 法通過故障模式比率、故障影響概率、系統故障率以及運行總時間進行計算，得到故障模式危害度和故障子系統危害度，并最終得到系統的危害度矩陣，利用危害度矩陣即可對產品及子系統的危害度進行評價[3]。

2.1 故障模式比率αj

假設某系統的故障模式有N種，其中第j種故障模式出現的故障次數為mj，則故障模式比率αj指的是第j種故障模式發生次數mj與總故障次數的比值。

2.2 故障影響概率βj

故障影響概率βj指的是由于第j種故障模式發生而導致系統喪失功能的條件概率。

2.3 故障率λj

故障率λj指的是各種故障發生的次數與總運行時間t之比，一般取系統總故障率λp進行計算。

2.4 故障模式危害度cmj

故障模式危害度cmj指的是在運行時間t內，故障模式j在某故障等級下的危害程度，其具體表達式為cmj=αjβjγpt。

2.5 故障子系統危害度cr

故障子系統危害度cr指的是通過將系統劃分為若干子系統，在運行時間t內，各個子系統的故障模式危害度之和cr=∑nj=1cmj。

2.6 系統危害度矩陣

綜合考慮了系統的故障模式危害度和故障嚴酷度等級這2 個因素所繪制的坐標圖，通過投影大小來綜合判斷故障的危害度。

3 動車組受電弓FMECA 分析

3.1 受電弓FMEA 分析

通過對第1節中所列出的受電弓故障模式進行分析，并研究故障對列車運行的影響，結合實際運營過程中造成的后果，總體上將故障嚴酷度等級劃分為以下4 個等級[4]：等級Ⅰ——受電弓運行超限，破壞接觸網，甚至造成人員傷亡；等級Ⅱ——可能導致受電弓無法正常升降或是車頂短路，危害行車安全；等級Ⅲ——可能產生大量拉弧，對弓網受流質量產生影響；等級Ⅳ——幾乎無影響，入庫后檢修維護即可。得到的動車組受電弓FMEA 分析結果如表1 所示。

表1 受電弓FMEA 分析結果

3.2 受電弓CA 分析

通過對一整年受電弓故障數據進行統計，得到故障類型為碳滑板磨耗到限99 次，集電頭止擋失效64 次，集電頭工藝堵丟失42 次，碳滑板高度差到限38 次，碳滑板鋁基板穿孔38 次等。通過故障模式次數占總故障次數的比值即可得到故障模式比率αj，總故障數與運行總時間（t=365×24=8 760 h）即為系統故障率λp。故障影響概率βj值根據該故障模式對系統功能正常運行的影響程度所確定，則動車組受電弓危害度CA 分析結果如表2。

表2 受電弓CA 分析結果

為了綜合考慮FMEA 和CA 的分析結果，確定故障模式的實際危害度大小，需要繪制危害度矩陣圖。以故障模式嚴酷度等級為橫坐標，故障模式危害度為縱坐標，得到不同故障模式在矩陣圖中的坐標點，通過從原點向矩陣圖的對角進行連線得到危害度的增加方向，過故障模式的坐標點向危害度增加的方向投影，投影值越大則表明危害度越大，得到的最終危害度矩陣如圖1 所示。

圖1 受電弓故障危害度矩陣

根據所繪制出的危害度矩陣圖，得出影響動車組運行的綜合危害度從大到小的故障序號依次為：4、3、11、13、12/14/15、18/21、17/22、1、7、2、28、9、29、6、5/10/24、20、23/27、19、8、16/25、26。其中危害度最大故障模式分別為4（碳滑板鋁基板穿孔）、3（碳滑板裂紋）、11（碳滑板風管接頭漏風）、13（進出口風管漏風），而1（碳滑板磨耗到限）、2（碳滑板高度差到限）、7（集電頭止擋失效）等故障雖然發生次數更多但由于其嚴酷度等級較低導致其危害度略低。通過查找該動車運用所的受電弓檢修計劃發現對于1/2/3/7/28 等故障檢修頻率較高，均為一級修重點檢修部件，因此，建議對該動車運用所檢修計劃進行微調，將碳滑板鋁基板穿孔、碳滑板風管接頭漏風以及受電弓進出口風管漏風也列為一級修重點檢修項目。

4 結語

該文以SS400+型受電弓為例，結合整年實際檢修故障數據統計結果，首先對該型號受電弓的結構原理及故障情況進行了描述，然后詳細介紹了FMECA 方法的工作原理，最后基于這一方法對該型受電弓進行了FMECA分析。通過分析其故障模式、故障發生原因和影響得出其故障嚴酷度等級，結合具體故障數據得到其故障模式比率、故障模式影響概率、故障模式危害度及子系統危害度，并得到受電弓的故障危害度矩陣，并依據危害度矩陣對受電弓的故障檢修計劃提出了合理化建議和改進。