FMECA在地铁车辆重要系统设计优化中的应用研究
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摘 要：FMECA（失效模式、影响与危害性分析）在地铁车辆上用于分析潛在失效模式，分析对象主要为由于系统缺陷而引起系统功能间的潜在故障模式，或由于设计缺陷产生的故障模式，确定每种故障模式对产品及其车辆系统的影响，并寻求设计优化措施。本文以制动系统为研究对象，介绍FMECA在地铁车辆重要系统中的分析方法。
关键词：地铁车辆;FMECA;制动系统;危害矩阵
FEMCA用于有效地识别地铁车辆系统的故障模式，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。FMECA分析覆盖了地铁车辆所有的系统及其子部件，其中制动系统是其中的重要分析对象，下文以制动系统为例分析FEMCA分析，得出该系统的薄弱环节，提出对应的设计优化措施，从而减少制动系统故障对行车及乘客安全的影响。
1 制动系统的结构组成
通常地铁车辆制动系统的组成包括风源系统、制动控制设备、基础制动设备、微机控制轮对防滑设备、空气悬挂设备和轮缘润滑装置等，其中风源系统又由空气压缩机等重要设备构成。
2 车辆子系统FMECA分析
2.1 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。地铁车辆的故障对运营的影响等级可分为6类，如表1所示。
根据表1故障等级界定和制动系统部件的结构功能分析结果，可以将每一种导致制动系统出现故障的故障模式进行故障等级划分，现以风源系统部分部件为例，介绍通过故障数据进行故障等级划分的方法，如表2所示。
2.2 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。用Ci表示部件模式危害度，Cj表示部件危害度，则有如下计算公式[1]：
式中，λ为对应故障模式的部件故障率，α为该故障模式发生的频数，β为该故障模式的影响概率，当该故障模式肯定发生时，取值β=1;当该故障模式可能发生时，取值β=0.5;当该故障模式不可能发生时，取值β=0，t为车辆运营时间，n为部件的故障模式数。
2.3 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，结合上海某地铁车辆的故障数据，得出制动系统部分部件的FMECA如表3所示[3]。
表3中部件为制动系统部分设备的最小可更换单元，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。根据表3计算获得的危害度结果，可见故障集中在III、VI两个等级中，对列车的运营影响主要表现为降级服务和不影响运营的故障。
2.4 危害度矩阵及结果分析
如右图所示为根据风源系统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，制动系统故障等级危害程度比较大的都集中在III、VI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。由制动系统危害矩阵图可以得到风源系统的薄弱环节为网关阀、扩展阀、空压机组。
扩展阀的危害度最高为366，其次为网关阀的危害度2175，这两个部件的故障模式为失效，且都为III级故障。空压机组的危害程度排第三，故障模式表现为管路破损、漏油、打风量小和压力故障，其故障原因为管路的老化，结构受损，进风口堵塞以及安全阀发生故障。
2.5 设计优化措施
针对以上风源系统的薄弱环节，现提出以下设计优化措施：
（1）针对扩展阀的故障，采用的危害减轻程序是故障扩展阀对应的转向架空气制动处于缓解状态，车辆限速运行，保证紧急制动的距离。另外，可通过客室截断塞门切除故障转向架空气制动。
（2）针对网关阀的失效，采用的危害减轻程序是故障网关阀对应的转向架空气制动处于缓解状态，车辆限速运行，保证紧急制动的距离。同样地，可以通过客室截断塞门切除故障转向架空气制动。
（3）针对空压机组的管路破损、泄漏和打风量小的故障模式，采用的设计保护措施是由压缩机组供风，压力故障的问题采用的设计保护措施是压缩机组通过压缩机管理来关闭，并备用安全阀。
3 结语
使用FMECA分析方法对车辆隐患进行分析，可以有效地发现系统潜在故障模式与影响，能够有效排查单点故障，严格按照分析方法开展工作，能够定量各潜在风险的发生概率与危害度，为合理评估各危害产生的影响提供量化数据，同时，通过合理的分析，能够寻找到相关优化措施，从而有效提高车辆可靠性，增强安全性。
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）：112-114.
[2]董锡明.机车车辆运用可靠性工程[M].北京：中国铁道出版社，2002.
[3]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.
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