FMECA在地铁车辆车门系统设计的应用

FMECA在地铁车辆车门系统设计的应用 摘要:以中车株机公司设计制造的上海某型地铁车辆车门系统为研究对象，首先对车门系统进行结构功能分析，再利用FMECA方法得到车门系统的危害矩阵，进而得出车门系统的薄弱环节。针对系统的薄弱环节，提出相应的设计优化措施。关键词:地铁车辆;FMECA;车门系统;危害矩阵地铁车辆车门系统能否正常工作，将直接影响列车的运营调度和乘客安全。有效地识别车门系统的故障模式，确定其部件的故障等级，从而有针对性地开展设计优化，将可能导致危险的故障模式进行有效控制，对列车的可靠性提高工作十分必要。本文基于FMECA(故障模式影响及危害性分析)方法对地铁车辆车门系统进行可靠性分析，得出系统的薄弱环节，提出对应的设计优化措施，从而减少车门系统故障对运营及乘客安全的影响。1车门系统的结构功能分析11车门系统结构组成与工作原理上海某型地铁车辆客室侧门采用双扇电动内藏门。内藏门主要由门扇、紧急出口装置、紧急入口装置、电子门控单元(EDCU)、指示灯、外门槛、内门槛、辅助支撑、密封毛刷和承载运动机构等子部件构成，其工作原理示意图如图1所示。每节车通过独立的冗余车门子系统网络直接与列车中央控制单元相连，在车门上方设置一体化驱动机构，驱动机构通过安装座安装在车体上，左铰链螺母与左门扇相连，右铰链螺母与右门扇相连，门扇的运动由电机驱动丝杆来实现，从而门扇可以通过左、右铰链螺母来实现车门系统的开关门动作。12车门系统的功能车门系统具有的功能主要包括开关门功能、障碍物探测功能、车门紧急解锁功能、车门旁路功能等。客室车门的开关通过门控器来控制，通过判断零速信号、门允许信号、开门信号、关门信号来实现车门的开闭功能。障碍物探测功能是车门关闭时，遇到障碍物再次打开的功能，这是一种防夹保护机制。车门紧急解锁功能是指紧急情况下可以手动操作打开车门，但必须是在零速信号有效时才能打开。车门旁路功能是指当车门限位开关故障或车门故障时造成车门安全互锁回路或者车门关好互锁回路中断，列车无法牵引时，可以通过司机室的车门监控旁路开关，允许列车牵引的功能。2车门系统FMECA分析21对运营的故障影响等级划分故障影响等级是指出现的故障对列车运营的影响程度排序，通过对运营故障数据分析可将故障影响等级进行分类。上海某型地铁车辆的故障对运营的影响等级可分为6类。根据表1故障等级界定和车门系统部件的结构功能分析结果，可以将每一种导致车门系统出现故障的故障模式进行故障等级划分，现对上海某型地铁车辆的车门系统故障数据进行故障等级划分。22部件模式危害度与部件危害度的计算部件模式危害度是部件的其中一种故障模式带来的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。部件危害度是部件每个部件模式危害度的总和，代表这个部件的危害程度，其值越大，表明危害程度越大。23故障模式危害度的确定及FMECA分析根据部件模式危害度和部件危害度的计算方法，结合上海某型地铁车辆的故障数据。表3中部件为LU在线可更换单元，故障模式与故障模式库中的描述一致，并列出部件的故障原因，根据故障对运营的影响等级对故障模式进行等级划分，单元故障率和故障模式频数由运营数据获得，根据工程经验对故障影响概率进行取值，最后利用部件故障模式危害度和部件危害度计算公式得出相应的危害度。根据车门系统FMECA表中计算获得的危害度结果可见车门系统的故障主要集中在II、III两个等级中，对列车的运营影响主要表现为清客和降级服务。24危害度矩阵及结果分析如图2所示为根据车门系统FMECA表绘制的危害矩阵图，横轴为故障等级，相应的数字对应等级，离坐标原点距离越远的故障等级数越低。纵轴为部件模式危害度Ci取值。将每个点对应到坐标轴后，绘制矩阵图的对角线，过每个点到对角线作垂线，垂足离原点的距离越远，表示部件危害程度越大。2从图中可以看出，车门系统故障等级危害程度比较大的都集中在II、III两个等级。除了显示危害等级的集中程度以外，还可以对每一种故障模式的危害度进行排序并汇总。由车门系统危害矩阵图可以得到车门系统的薄弱环节为EDCU、限位开关组件和铰链螺母组件等。EDCU的危害度最高，其故障模式表现为电源模块故障和电路故障。限位开关组件的危害程度其次，故障模式表现为短路、断路及无法触发。铰链螺母组件的II级故障断裂，表现为拖链接头、滚动销和螺母板断裂的危害度为18125;III级故障锁闭不良，扭簧断裂的危害度为3625。3车门系统设计优化措施针对以上车门系统的薄弱环节以及危害度≥45的六种故障模式，现提出以下设计优化措施:a针对门控器EDCU电源模块故障和电路故障，应采用成熟的电源电路、DSP电路和MVB+CAN通讯电路设计，采用成熟的电机驱动模块设计，并且驱动模块应采用过流/过压保护;除此之外，还应采用光耦隔离，增加EMC滤波电路。采用以上措施减少EDCU电源模块和电路的故障。b针对关到位、锁到位、紧急解锁与门切除等限位开关的故障问题，采取的优化措施有:采用具有轨道交通业绩的开关;关注关到位和锁到位开关、辅助锁到位开关与逻辑关系判断门是否到位;关到位开关和锁到位开关与逻辑关系判断安全回路是否闭合;采用100万次寿命试验验证限位开关的可靠性。c针对铰链螺母组件的断裂和锁闭不良问题，采取的设计优化措施有利用寿命试验验证;设计时滚动销采用高强度轴承钢;设计校验滚动销强度;锁闭装置需要的电控系统监控，并实施保护;利用冲击振动验证锁闭性能;电控系统精确控制电机运动，不允许电机反转。4结语本文利用FMECA可靠性分析方法，对上海某型地铁车辆的车门系统进行故障模式与影响的定性分析与故障模式危害度及部件危害度的定量分析，得到车门系统的危害度矩阵，进而分析得到车门系统的薄弱环节，针对每一个薄弱环节，提出设计优化措施。下一步的研究方向应引入部件的寿命分布，获得系统部件的动态故障率函数，更加精确的描述产品的可靠性。参考文献:1钟璇可靠性分析在广州地铁车辆维保中的应用研究J铁道机车车辆，2017(6):112-1142董锡明机车车辆运用可靠性工程M北京:中国铁道出版社，20023谭鸿愿，王伯铭，黄挺基于FMECA的地铁车辆转向架检修计划优化研究J城市轨道交通研究，2017(1):96-100