基于常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)故障樹可靠性分析

廖國恬

摘 要：本文重點研究如何預防和減少常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)故障發(fā)生，利用故障樹的分析方法，建立牽引系統(tǒng)故障樹模型，對導致牽引系統(tǒng)發(fā)生故障的因素進行定性以及定量分析。定性分析得出牽引系統(tǒng)所有的故障組合，定量分析得出牽引系統(tǒng)的主要故障類型，利用定量分析得到的結(jié)果，提出了提高牽引系統(tǒng)可靠性的相關(guān)建議，為故障檢測以及維修提供方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：牽引系統(tǒng);故障樹;定性分析;定量分析

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵在改善城市居民出行方式、優(yōu)化城市交通體系起到了十分重要的作用。然而，牽引系統(tǒng)的可靠性將直接關(guān)系到地鐵運營的安全與穩(wěn)定。加強對地鐵車輛牽引系統(tǒng)的檢修工作，同時針對故障問題采取有效措施，建立故障處理數(shù)據(jù)庫，從而提高處理故障的效率。本文利用故障樹分析原理，依次計算牽引系統(tǒng)無故障運行時間、導致牽引系統(tǒng)失效事件的結(jié)構(gòu)重要度和概率重要度，并提出相關(guān)建議。

1故障樹的基本理論

故障樹分析（Fault Tree Analysis，簡稱為FTA）是一種邏輯演繹的分析工具，用描繪故障發(fā)生的有向邏輯樹，分析故障的現(xiàn)象、原因及結(jié)果，從而找出預防故障的措施。從上而下探尋引起頂事件的全部可能事件，再通過分析找出引起全部可能事件的直接事件。最終，用邏輯符號將這些事件連接起來形成樹狀，表達各事件的邏輯關(guān)系。

1.1故障樹分析的步驟流程

1.1.1確定頂事件

根據(jù)對系統(tǒng)故障的判斷依據(jù)和了解，確定故障樹最上部的事件。頂事件是事先預定好的，處于故障樹的頂端，是所有輸入事件聯(lián)合發(fā)生的作用結(jié)果。

1.1.2建立故障樹

故障樹的建立是一個不斷完善和修復的過程，從系統(tǒng)初始設計階段開始，隨著對系統(tǒng)設計的進展和對故障模式的理解，故障樹也不斷擴大。

1.1.3定性分析

定性分析主要是找出引起頂事件發(fā)生的所有事件及其組合。本文采用下行法對系統(tǒng)進行定性分析，即從上而下逐級進行，不斷重復上述步驟，直到所有結(jié)果事件均被處理，所得的底事件集合為故障樹割集，最終按最小割集的定義，獲得故障樹的最小割集。

1.1.4定量分析

定量分析指的是在所有底事件單獨存在并已知其發(fā)生概率的情況下，利用定性分析獲得的最小割集計算可靠性指標，判斷系統(tǒng)潛在的故障以及對維修過程進行故障診斷，以提高檢修效率。

1.2定量分析主要指標

1.2.1頂事件的發(fā)生概率

設底事件，發(fā)生概率為，其中為底事件數(shù)目，則最小割集的失效概率為：

頂事件發(fā)生的概率可表示為：

根據(jù)式（3）可獲得系統(tǒng)的平均無故障運行時間為：

1.2.2結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度是從故障樹結(jié)構(gòu)上入手分析各基本事件的重要程度。若某個基本事件在故障樹的最小割集組中出現(xiàn)次數(shù)越多， 其結(jié)構(gòu)重要度越高。其計算公式為：

1.2.3概率重要度

若進一步考慮基本事件發(fā)生概率的變化會對頂事件發(fā)生概率造成多大影響， 此時可以利用概率重要度指標加以衡量。概率重要度系數(shù)的計算公式為：

2牽引系統(tǒng)故障樹分析

2.1建立故障樹

運營過程中，牽引系統(tǒng)對于地鐵列車的安全運營至關(guān)重要。根據(jù)常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)故障的統(tǒng)計分析，建立牽引系統(tǒng)故障樹。將牽引故障作為頂事件，8個系統(tǒng)子部件作為中間事件建立常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)故障樹模型。

2.2定性分析

由于各底事件最小割集的階數(shù)為 1，可計算得出各底事件的結(jié)構(gòu)重要度均為 1，不管各底事件發(fā)生概率的大小，只要底事件發(fā)生，頂事件就會發(fā)生，即發(fā)生牽引系統(tǒng)故障，因此要盡量減少此類事件的發(fā)生。

2.3定量分析

根據(jù)常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)故障大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，獲得各底事件的發(fā)生概率。

2.3.1頂事件可靠度計算

將定性分析獲得的最小割集和各底事件失效概率代入式（1）、（2）、（3）中，可得到常州地鐵1號線在檢修或運營過程中發(fā)生牽引故障的失效概率為0.61064，即不可靠度為0.61064。

將失效概率代入式（4）中可得常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)平均無故障時間為：1/0.61064=1.63天。

2.3.2底事件概率重要度計算

計算得出底事件的概率重要度，碳滑板故障的概率重要度最大為0.47094，說明碳滑板故障對于頂事件概率影響最大。排水口變形、橫托架失力、CCU-D故障的重要度都超過了0.41，對頂事件概率影響也較大。應加強對此故障的檢查和維修，提高運營安全可靠性。

3結(jié)論和建議

根據(jù)故障樹分析法建立常州地鐵1號線牽引系統(tǒng)故障樹模型，對其故障樹進行定性和定量分析，通過對計算結(jié)果的分析，提出以下建議并為運營故障維修提供參考依據(jù)。

3.1牽引系統(tǒng)平均無故障時間為1.63 天，建議對牽引系統(tǒng)檢測周期定為 1.5天，以基本保證無故障運營。

3.2從表 3 可見，碳滑板故障、排水口變形、橫托架失力故障、CCU-D故障的概率變化對牽引系統(tǒng)故障概率影響較大。因此，日常的檢修工作應加強對碳滑板、排水口、橫托架、CCU-D檢查。

參考文獻：

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（常州市軌道交通發(fā)展有限公司運營分公司，江蘇 常州 213000）