高速列車門系統(tǒng)??FMEA??及風(fēng)險(xiǎn)評估案例研究

華 鵬，李艷嬌，辛久元

（1.?中車長春軌道客車股份有限公司?國家軌道客車工程研究中心，吉林長春?130062；2.?65066?部隊(duì)工程兵教研室，遼寧大連?116001）

隨著我國高速鐵路事業(yè)不斷發(fā)展，高速列車的運(yùn)營速度等級以及裝備復(fù)雜性不斷提升，高速列車運(yùn)用安全問題越來越突出。門系統(tǒng)作為旅客進(jìn)出高速列車以及其中各個(gè)部分的接口，其可靠性、安全性的高低直接影響高速列車的安全性。故障模式及影響分析（FMEA）以及風(fēng)險(xiǎn)評估作為重要的安全性分析方法，對保障高速列車運(yùn)營安全和提高運(yùn)營維護(hù)水平起到至關(guān)重要的作用。

1 建立可靠性框圖

客室側(cè)門作為高速列車門系統(tǒng)中較為復(fù)雜的子系統(tǒng)，用可靠性框圖對其進(jìn)行分析具有代表性?？褪覀?cè)門由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、門框、設(shè)備安裝支架、門扇、站臺間隙補(bǔ)償器、內(nèi)操作面板、外操作面板和門控單元（DCU）組成，其系統(tǒng)可靠性框圖如圖?1?所示。該圖表示任何子系統(tǒng)（組成單元、組件）發(fā)生故障，都會(huì)對客室側(cè)門系統(tǒng)造成影響。

圖1 客室側(cè)門可靠性框圖

2 門系統(tǒng) FMEA 分析

FMEA?是目前鐵路行業(yè)開展可靠性和安全性分析的基礎(chǔ)性分析工作之一。在高速列車設(shè)計(jì)和制造初期階段，應(yīng)分析產(chǎn)品的各組成單元潛在發(fā)生的各種故障模式，以及故障模式發(fā)生的原因、影響，有針對性地制定減輕措施，降低該故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級，從而提升高速列車的可靠性和安全性。在制定高速列車檢修方案的過程中，根據(jù)?FMEA?分析結(jié)果，對故障率高、危害程度大的組件和零部件，有針對性地選擇合適的維修方式，制定合理的維修計(jì)劃，防止出現(xiàn)維修不到位或過修的情況發(fā)生，提升高速列車的維修水平。

客室側(cè)門作為旅客進(jìn)出列車以及其中各個(gè)部分的接口，對高速列車運(yùn)營安全有至關(guān)重要的作用，其結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，故障次數(shù)與故障模式較多，對其進(jìn)行?FMEA?及風(fēng)險(xiǎn)評估具有代表意義。

2.1 門系統(tǒng)的故障模式識別

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?IEC?62278-2002《鐵路應(yīng)用—可靠性、有效性、維修性和安全性（RAMS）的規(guī)范和論證》中，故障模式定義為“在失效/故障時(shí)，由與運(yùn)行條件相關(guān)的規(guī)定項(xiàng)目引起的預(yù)計(jì)或觀察的失效/故障結(jié)果?！?/p>

由于高速列車及其零部件的故障模式十分復(fù)雜，至今還沒有一個(gè)統(tǒng)一、完整的相應(yīng)規(guī)范來正確和全面地對其進(jìn)行描述和規(guī)定。因此，通過對故障數(shù)據(jù)庫中的故障信息進(jìn)行提煉，總結(jié)出?25?種門系統(tǒng)常見的潛在故障模式（表1）。

表1 門系統(tǒng)潛在的故障模式及代碼

2.2 門系統(tǒng) FMEA 分析

在開展設(shè)計(jì)研發(fā)的初期階段，系統(tǒng)工程師、設(shè)計(jì)師和供應(yīng)商根據(jù)項(xiàng)目的統(tǒng)一要求，結(jié)合既有產(chǎn)品實(shí)際發(fā)生的故障信息，從不同角度和深度來開展高速列車各系統(tǒng)/設(shè)備的?FMEA?分析工作，最后總結(jié)整理出門系統(tǒng)的FMEA?分析表（表2）。

表2 門系統(tǒng)潛在失效模式及效應(yīng)分析表（01～06）

表2?中門系統(tǒng)各個(gè)潛在失效模式的嚴(yán)重度（S）、頻度（O）和探測度（D）可根據(jù)?IEC?60812-2006《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)—失效模式和影響分析（FMEA）程序》中相應(yīng)的評價(jià)準(zhǔn)則，進(jìn)行相應(yīng)的評分。

故障模式對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（RPN）的高低進(jìn)行判斷，由該故障模式可能產(chǎn)生的嚴(yán)重程度、發(fā)生頻率和可探測度這三者的乘積得到，計(jì)算公式為：

RPN取值在?1～1??000?之間：①通常情況下，當(dāng)RPN數(shù)值大于?100?時(shí)，設(shè)計(jì)師和供應(yīng)商應(yīng)針對性地制定并實(shí)施改進(jìn)措施；②當(dāng)嚴(yán)重度大于等于?8?級時(shí)，同樣需要采取改進(jìn)措施；③當(dāng)RPN數(shù)值小于等于?100，嚴(yán)重度小于8級時(shí)，根據(jù)RPN數(shù)值從大到小排序，對前?4?位的故障模式有針對性地實(shí)施改進(jìn)措施。

3 門系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估

風(fēng)險(xiǎn)評估是將故障模式所能夠帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化/半量化的評估工作。按照每一故障模式的嚴(yán)重等級及該故障模式發(fā)生的概率所產(chǎn)生的綜合影響來研究該故障模式，以便全面評價(jià)該故障模式對系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)等級是否在可接受范圍。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)級別判定

故障模式的風(fēng)險(xiǎn)級別判定通常通過風(fēng)險(xiǎn)級別判定矩陣來確定，而風(fēng)險(xiǎn)級別矩陣中橫、縱坐標(biāo)分別表示該故障模式的嚴(yán)重等級和發(fā)生概率。因此，確定了某一故障模式的嚴(yán)重等級和發(fā)生概率，即可確定該故障模式的風(fēng)險(xiǎn)級別。

根據(jù)故障模式對應(yīng)的故障率，計(jì)算出該故障模式出現(xiàn)次數(shù)占所有故障模式總次數(shù)的百分比，根據(jù)概率等級的劃分原則，得出故障模式發(fā)生的概率。在定性與定量分析時(shí)，為了方便相互轉(zhuǎn)化，通常將故障模式發(fā)生的概率等級按表3?內(nèi)容進(jìn)行劃分。

根據(jù)?IEC?62278?標(biāo)準(zhǔn)中危險(xiǎn)等級劃分原則及高速列車自身情況，定義?A、B、C、D?4?個(gè)故障嚴(yán)重等級。其中，A?類故障——高速列車不能運(yùn)營；B?類故障——高速列車處于降級模式運(yùn)營；C?類故障——高速列車在最小受限限度下運(yùn)營；D?類故障——該故障不影響運(yùn)營，高速列車可不降低運(yùn)營速度運(yùn)行，可以返回段內(nèi)維修。

根據(jù)?IEC?62278?標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣的定義，將每個(gè)故障模式的發(fā)生概率和嚴(yán)重等級代入風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣，即可確定該故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級屬于不可容忍、不希望、可容忍、可忽略?4?個(gè)等級之一，并識別出風(fēng)險(xiǎn)級別為不可容忍和不希望的故障模式清單（表4）。

表3 故障模式發(fā)生的概率等級劃分表

表4 門系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)級別判定表（部分）

3.2 故障模式危害性判定

如圖?2?所示，危害性矩陣圖橫坐標(biāo)表示故障嚴(yán)重度，縱坐標(biāo)表示故障模式出現(xiàn)概率。將本案例中的故障模式代碼按其嚴(yán)重等級和故障模式概率標(biāo)記在矩陣圖相應(yīng)位置上，從而得出故障模式分布點(diǎn)。將各分布點(diǎn)向?qū)蔷€（即危害增長方向）投影，分布點(diǎn)投影離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)表明該故障模式危害性越大，風(fēng)險(xiǎn)等級越高。圖?2?表示了門系統(tǒng)各故障模式所產(chǎn)生的危害性相對大小。

圖2 門系統(tǒng)危害性矩陣圖

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果

由故障模式風(fēng)險(xiǎn)級別判定表和危害性矩陣，得出門系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果：

（1）風(fēng)險(xiǎn)等級為不可容忍、危害性最高的故障模式有控制故障、通信故障、補(bǔ)償器故障和作用不良；

（2）風(fēng)險(xiǎn)等級為不希望、危害度為次高的故障模式有關(guān)閉不嚴(yán)、集控失效、門顯示故障、側(cè)門關(guān)閉故障、側(cè)門打開故障、主鎖故障、側(cè)門開閉異常、內(nèi)端門和接觸片故障。其中關(guān)閉不嚴(yán)、側(cè)門關(guān)閉故障和側(cè)門開閉異常這?3?種故障模式的危害度與其他?6?種比相對較高。

3.4 識別關(guān)鍵產(chǎn)品

將危害度等級排在前?2?位的故障模式對應(yīng)的產(chǎn)品列入門系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品清單（表5），為今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)、運(yùn)用維護(hù)提供依據(jù)。

從門系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品及其故障模式清單可以看出，門系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品有門控單元、驅(qū)動(dòng)裝置、鎖閉機(jī)構(gòu)、站臺補(bǔ)償器。這就需要在平時(shí)列車維護(hù)過程中對關(guān)鍵產(chǎn)品投入更多關(guān)注，從而提高整個(gè)門系統(tǒng)的可靠性和維修性，保障其可用性和安全性。

表5 門系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品及其故障模式清單

4 結(jié)論

本文基于?FMEA?及風(fēng)險(xiǎn)評估理論，利用高速列車故障信息采集方法，提出了門系統(tǒng)?25?種故障模式，對門系統(tǒng)開展了?FMEA?分析，并從風(fēng)險(xiǎn)等級和危害度?2?個(gè)方面對高速列車門系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，得到了風(fēng)險(xiǎn)等級最高的?4?種關(guān)鍵故障模式：控制故障、通信故障、補(bǔ)償器故障和作用不良，以及?4?個(gè)可靠性、安全性關(guān)鍵設(shè)備：門控單元、驅(qū)動(dòng)裝置、鎖閉機(jī)構(gòu)、站臺補(bǔ)償器。該理論方法也為高速列車在設(shè)計(jì)、調(diào)試以及運(yùn)用維護(hù)過程中規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)提供了依據(jù)。

[1]IEC 60812-2006.Analysis techniques for system reliability —Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA) [S].

[2]IEC 62278-2002.Railway applications— Specification and demonstration of reliability,availability, maintainability and safety（RAMS）[S].

[3]董钖明.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]燕飛，唐濤.IEC 61508及其在鐵路安全相關(guān)系統(tǒng)研制開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].鐵道學(xué)報(bào), 2005，27（3）：124-128.

[5]IEC61508-2000.Functional safety of electrical/electronic /programmable electronic safety-related systems[S].