地鐵車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)仿真分析

郭云健，段曉霞，談立成，田雪艷，張愛(ài)華(中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035)*

地鐵車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)仿真分析

郭云健，段曉霞，談立成，田雪艷，張愛(ài)華
(中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035)*

利用FTA技術(shù)，建立地鐵車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)模型，根據(jù)故障樹(shù)基本事件(底事件)對(duì)應(yīng)的故障率以及分布規(guī)律，運(yùn)用蒙特卡洛( Monte Carlo)法對(duì)地鐵車門系統(tǒng)可靠性進(jìn)行模擬計(jì)算，得出了地鐵車門系統(tǒng)失效概率模型，同時(shí)將仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:仿真結(jié)果與理論計(jì)算比較吻合，計(jì)算方便、可靠、快捷，提高車門系統(tǒng)的可靠性，為日常維護(hù)提供了依據(jù)，同時(shí)此方法適用于部件服從任意分布類型，體現(xiàn)了其處理復(fù)雜系統(tǒng)可靠性問(wèn)題的優(yōu)越性.

車門系統(tǒng);故障樹(shù);蒙特卡洛;可靠性

0 引言

客室車門系統(tǒng)作為地鐵車輛系統(tǒng)中關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，其結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，涉及機(jī)械、電氣等多個(gè)方面.通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外地鐵列車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)客室車門系統(tǒng)的故障發(fā)生率占車輛系統(tǒng)總故障率的比例可達(dá)30%［1］，如此之高的故障率，已嚴(yán)重威脅到車輛運(yùn)營(yíng)，影響了地鐵列車運(yùn)行的可靠性、安全性.為此，對(duì)客室車門系統(tǒng)開(kāi)展可靠性分析，進(jìn)而保證列車運(yùn)行安全、可靠是十分必要的.

傳統(tǒng)的可靠性分析方法只是根據(jù)所分析故障系統(tǒng)的故障樹(shù)模型進(jìn)行定性以及定量分析，所得計(jì)算結(jié)果只是所分析系統(tǒng)某一時(shí)刻的可靠度，因而此方法在分析系統(tǒng)失效規(guī)律變化上存在著很大的局限性，無(wú)法直觀性的顯示出系統(tǒng)故障的整體變化趨勢(shì)，鑒于以上不足，本文將采用在故障樹(shù)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用蒙特卡洛模擬的方法對(duì)地鐵車門系統(tǒng)失效進(jìn)行可靠性仿真，得出客室車門系統(tǒng)失效變化趨勢(shì)，計(jì)算出車門系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)(如MTBF、失效率等)，對(duì)分析系統(tǒng)可靠性提供了數(shù)據(jù)支撐.

1 故障樹(shù)分析( FTA)

故障樹(shù)分析( FTA)是依據(jù)系統(tǒng)可能發(fā)生的事故或已經(jīng)發(fā)生的事故結(jié)果，去尋找與該故障發(fā)生有關(guān)的原因、條件和規(guī)律等，同時(shí)可以辨別出系統(tǒng)中可能導(dǎo)致該故障發(fā)生的危險(xiǎn)源.故障樹(shù)分析( FTA)既可以進(jìn)行定性分析又可以進(jìn)行定量分析.

1.1定性分析

定性分析是故障樹(shù)分析的基本任務(wù)，其作用是找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，即求出導(dǎo)致故障發(fā)生的所有最小割集，進(jìn)而對(duì)最小割集進(jìn)行分析，幫助設(shè)計(jì)、分析人員發(fā)現(xiàn)潛在的故障，找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)此制定相應(yīng)的改進(jìn)措施.

1.2定量分析

定量分析主要包含兩方面內(nèi)容:①利用輸入系統(tǒng)中各組成單元(底事件)的失效概率求出系統(tǒng)的失效概率;②求解出各組成單元(底事件)的重要度，最后可依據(jù)重要度的分析結(jié)果，排序出最佳的故障診斷和修理順序，同時(shí)也可作為首先改善相對(duì)不大可靠的單元的數(shù)據(jù).

2 可靠性仿真

2.1 建立仿真模型［2］

假設(shè)所分析系統(tǒng)由n個(gè)基本事件組成，用s代表系統(tǒng)，則有:

其中，每個(gè)基本事件所對(duì)應(yīng)的失效分布函數(shù)為:

所分析系統(tǒng)的故障樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)用φ［X( t)］表示，系統(tǒng)狀態(tài)可表示為:

令

用φ( t)表示所分析系統(tǒng)頂事件在t時(shí)刻的狀態(tài)變量，則有:

且φ( t) =φ［Xi( t)］，從中可以看出φ( t)的變化由Xi( t)決定.

2.2蒙特卡洛仿真過(guò)程

與傳統(tǒng)數(shù)值解法比較起來(lái)，蒙特卡洛法完全無(wú)需知道參數(shù)的分布類型及概率參數(shù)等內(nèi)容，因而可以用于正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布等任何一種分布解決問(wèn)題.利用蒙特卡洛法分析，其可靠度精度相對(duì)較高，方法比較簡(jiǎn)單，快捷.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，隨機(jī)問(wèn)題可以在計(jì)算機(jī)仿真上可以得到較為完善的模擬和解答［3］.具體仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

( 1)利用蒙特卡洛法對(duì)客室車門失效故障樹(shù)的所有底事件的壽命進(jìn)行隨機(jī)抽樣計(jì)算，得出每個(gè)底事件失效時(shí)間的隨機(jī)樣本t1，t2，…，tn( n = 1，2，3，…，38) ;

( 2)將得到的所有失效時(shí)間按照由小到大的順序進(jìn)行排列tf1，tf2，…，tfk，…，tfn，進(jìn)而判斷出基本事件的狀態(tài)xi( s)，得出系統(tǒng)發(fā)生失效的運(yùn)行時(shí)間tk;

( 3)反復(fù)進(jìn)行步驟( 1)與步驟( 2)計(jì)算，直到φ( t) =1為止，此時(shí)系統(tǒng)P處于失效狀態(tài);

( 4)設(shè)定系統(tǒng)仿真的總次數(shù)N，系統(tǒng)最大仿真工作時(shí)間為tmax，將( 0，tmax］分成m個(gè)區(qū)間，用Δm表示在時(shí)間間隔［tr－1，tr］內(nèi)系統(tǒng)的失效數(shù)，即:

( 5)可靠性指標(biāo)計(jì)算.

( a)計(jì)算客室車門系統(tǒng)可靠度

( b)計(jì)算客室車門系統(tǒng)失效率

( c)計(jì)算客室車門系統(tǒng)MTBF值

3 車門組成及功能原理

客室車門系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:

①頂部機(jī)構(gòu)(包括驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)和承載導(dǎo)向裝置) 1個(gè);②扇門板(帶下滑道) 2個(gè);③平衡輪裝置2個(gè);④滾輪擺臂裝置2個(gè);⑤內(nèi)外緊急解鎖裝置;⑥隔離鎖開(kāi)關(guān)組件1個(gè);⑦頂部機(jī)構(gòu)與車體的連接件1套;⑧安裝在車體上的密封型材(上、下、左和右) 1套等［4］.具體組成結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 車門組成示意圖

車門系統(tǒng)的功能如下:

( 1)通過(guò)司機(jī)室發(fā)出的集控信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)門功能;

( 2)緊急解鎖功能.利用鑰匙操作安裝在門罩板上的內(nèi)緊急解鎖或車體外部緊急解鎖，進(jìn)而從車內(nèi)或車外打開(kāi)車門;

( 3)防擠壓功能;

( 4)隔離鎖功能.客室車門遇到故障時(shí)，利用隔離鎖將故障門隔離，被隔離的門將不受集控和緊急解鎖控制［4］.

客室車門的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng).電機(jī)通過(guò)鎖閉裝置與絲桿螺母副連接;絲桿上的螺母通過(guò)鉸鏈與攜門架相連.門扇與攜門架相連.由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母，絲桿螺母通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)攜門架運(yùn)動(dòng)，攜門架在長(zhǎng)導(dǎo)柱上運(yùn)動(dòng).長(zhǎng)導(dǎo)柱連接在3個(gè)掛架上.3個(gè)掛架在短導(dǎo)柱上運(yùn)動(dòng)，同短導(dǎo)柱安裝在承載支架上.攜門架和掛架內(nèi)安裝有直線軸承，以確保機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn).

為了保證門扇的平移和擺動(dòng)的軌跡，由導(dǎo)向滾輪和上下導(dǎo)軌組成的系統(tǒng)完成.車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)仿真分析

3.1車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)模型建立

根據(jù)客室車門系統(tǒng)工作時(shí)，各部件之間的邏輯關(guān)系建立如圖2所示的故障樹(shù)模型，在建樹(shù)過(guò)程中作如下假設(shè):①不考慮外界干擾的影響;②各部件只有正常和故障兩種狀態(tài)，車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)模型見(jiàn)圖2所示，文中的模型和數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)［5］.

圖2 車門系統(tǒng)失效故障樹(shù)模型

各底事件失效率如表1所示.

表1 基本事件(底事件)失效率

3.2仿真分析

假設(shè)地鐵“客室車門系統(tǒng)失效”故障的所有底事件都服從指數(shù)分布，根據(jù)蒙特卡洛仿真原理以及“車門系統(tǒng)失效”故障樹(shù)模型編制仿真程序，通過(guò)調(diào)整仿真次數(shù)N來(lái)觀察相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，設(shè)置初始仿真參數(shù)如下:系統(tǒng)仿真工作時(shí)間TMax為2 000 h;時(shí)間間隔Δt為1 000;仿真次數(shù)N為10 000.

當(dāng)調(diào)整仿真次數(shù)為10 000時(shí)，頂事件發(fā)生率為0.038 9，并隨著仿真次數(shù)的增加，頂事件發(fā)生率未發(fā)生變化，說(shuō)明其仿真結(jié)果在仿真次數(shù)為10 000時(shí)已經(jīng)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，此時(shí)的MTBF = 302.6 h.頂事件發(fā)生率以及車門系統(tǒng)的MTBF值計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 不同仿真次數(shù)下的仿真計(jì)算結(jié)果

依據(jù)MTBF =302.6 h，得出“車門系統(tǒng)失效”故障率λ=0.003 305.

圖3 車門系統(tǒng)失效可靠度函數(shù)

從圖3可以看出，隨著仿真工作時(shí)間的增長(zhǎng)，車門系統(tǒng)的可靠度逐漸降低，當(dāng)給出車門系統(tǒng)相應(yīng)的可靠度要求時(shí)，可以從圖中得出車門系統(tǒng)相應(yīng)的維修時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)而為提高車門系統(tǒng)的可靠性提供一定幫助.

3.3結(jié)果對(duì)比

由上述仿真計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)仿真次數(shù)N為10 000次時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，此時(shí)車門系統(tǒng)MTBF =302.600 8 h，依據(jù)公式

式中: F( i)為頂事件發(fā)生率;λi為故障率.

計(jì)算后得出:頂事件“車門系統(tǒng)失效”的發(fā)生率為0.038 88，由文獻(xiàn)［5］可知，頂事件發(fā)生率理論計(jì)算結(jié)果為0.038 8，進(jìn)而可得仿真計(jì)算與理論計(jì)算兩者的誤差為:

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析后得出，利用蒙特卡洛法( Monte Carlo)很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵車門系統(tǒng)故障樹(shù)仿真分析計(jì)算，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，計(jì)算方法方便、可靠、快捷，得出了車門系統(tǒng)失效率模型以及相應(yīng)的可靠度參數(shù)(失效率、MTBF 等)，直觀的顯示出車門系統(tǒng)失效可靠度變化趨勢(shì)，此外因此方法適用于部件服從任意分布類型，體現(xiàn)了其處理復(fù)雜系統(tǒng)可靠性問(wèn)題的優(yōu)越性.

［1］時(shí)旭.地鐵車門系統(tǒng)故障診斷與維修決策的方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［2］高陽(yáng)，周宇.基于蒙特卡羅的圓盤剪故障樹(shù)仿真研究［J］.現(xiàn)代制造，2014( 2) : 9-12.

［3］郭云健，李強(qiáng)，曾照輝.基于蒙特卡洛數(shù)值模擬的圓弧齒輪接觸疲勞可靠性分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009( 10) : 30-33.

［4］張愛(ài)華，趙鳳啟，付志亮，等.基于FMEA的地鐵車輛客室塞拉門系統(tǒng)的可靠性分析［J］.軌道交通裝備與技術(shù)，2013( 6) : 21-22.

［5］衛(wèi)緯，張紅元，張?chǎng)?基于故障樹(shù)分析的塞拉門系統(tǒng)可靠性分析［J］.機(jī)械制造及自動(dòng)化，2014( 4) : 182-186.

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Method of Fault Tree Simulation Analysis for Subway Door System Failure

GUO Yunjian，DUAN Xiaoxia，TAN Licheng，TIAN Xueyan，ZHANG Aihua
( P＆T Research Center，CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063035，China)

Subway door system fault tree model was established based on FTA technology.According to basic event of fault tree ( bottom event) corresponding to the failure rate and distribution，Monte Carlo method is used for the subway door system reliability simulation calculation to obtain the subway door system failure probability model，and the simulation results is compared with the theoretical calculation result analysis.Results show that the simulation results are coincide with the theoretical calculation，and it is convenient，reliable and fast with an improved reliability of the door system.This method is applicable to the parts subject to arbitrary distribution types，embodying the superiority of dealing with complex system reliability problems.

door system; fault tree; monte carlo; reliability

A

1673-9590( 2016) 01-0044-05

2015-05-17

郭云健( 1982－)，男，工程師，碩士，主要從事軌道車輛RAMS設(shè)計(jì)分析的研究

E-mail: gyj2002330@126.com.