王煒俊，洪 躍

受電弓故障模式分析與維護(hù)策略

王煒俊，洪 躍

受電弓作為城市軌道交通車輛的一個(gè)重要組成部件，是車輛供電系統(tǒng)的源頭和重要環(huán)節(jié)，它從架空接觸網(wǎng)上獲取電能，并傳遞給車輛牽引逆變器和輔助逆變器，它的性能直接影響列車運(yùn)行的可靠性。文章基于可靠性理論，對某型號(hào)受電弓進(jìn)行FEMCA分析，并針對危害度最大的故障模式，提出改進(jìn)措施，為今后制定維修策略提供依據(jù)。

受電弓；故障模式；維護(hù)策略

一、概 述

近年來，由于受電弓故障導(dǎo)致地鐵車輛大面積延誤的事件時(shí)有發(fā)生，可見受電弓在城市軌道交通車輛中扮演著十分重要的角色，它發(fā)生的故障可能會(huì)嚴(yán)重威脅車輛的運(yùn)行可靠性［1］。因而十分有必要通過FMECA［2-3］分析方法，對受電弓故障進(jìn)行詳細(xì)分析，判斷其獲取主要故障模式，分析各故障部件危害度及成因，為今后維修策略的制定提供建議。

受電弓主要由底架、下部框架、上部框架、弓頭、升弓裝置、落弓氣缸、休息位置傳感器組成。圖1為受電弓結(jié)構(gòu)圖。

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)圖

本文選取受電弓主要部件，結(jié)合近五年故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用故障模式影響及危害性分析的分析方法，研究故障危害性矩陣圖，找出各種對受電弓危害嚴(yán)重的單點(diǎn)故障，制定維修策略。

二、故障模式影響及危害度分析的基本原理

FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Anal ysis）是故障模式、影響及危害性分析的簡稱，它由三個(gè)方面的內(nèi)容組成：故障模式分析FMA、故障影響分析FEA和危害性分析CA。故障模式分析FMA和故障影響分析FEA構(gòu)成了故障模式及影響分析FMEA，F(xiàn)MECA是在FMEA的基礎(chǔ)上，結(jié)合CA，深入分析危害性影響的發(fā)生概率和等級(jí)。通過逐一分析各子系統(tǒng)和元件不同故障對系統(tǒng)工作的影響，F(xiàn)MECA可以全面識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目，為評價(jià)和改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性提供基本信息。故障模式分析FMA是羅列元件、子系統(tǒng)出現(xiàn)的故障狀態(tài)或故障表現(xiàn)形式。

故障影響分析FEA是定義元件或子系統(tǒng)故障對產(chǎn)品造成的影響，也就是要根據(jù)部件故障的嚴(yán)重程度劃分為不同的等級(jí)，不同的故障模式所造成的影響是不同的，因而對系統(tǒng)造成的最終影響也要差別的對待。

危害性分析CA由故障影響的嚴(yán)重性和發(fā)生的概率共同確定，一般分為定性分析法和定量分析法兩種。由于具備具體的產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，故本文采用定量分析法來計(jì)算故障危 害度。定量分析法是根據(jù)工作時(shí)間 t、 故障率、故障模式比率、故障影響概率來計(jì)算產(chǎn)品的危害度Cr。

工作時(shí)間通常以工作小時(shí)或循環(huán)次數(shù)或運(yùn)行公里數(shù)表示之。本文是以工作小時(shí)進(jìn)行計(jì)算，單位為h。本文選取的統(tǒng)計(jì)樣本為統(tǒng)計(jì)某地鐵在2010～2014年這5年間受電弓運(yùn)行的總時(shí)間，每天按運(yùn)行20個(gè)小時(shí)來計(jì)算

故障模式影響概率β是指產(chǎn)品在某種故障模式條件下，喪失產(chǎn)品功能的條件概率。β值的確定是代表分析人員對產(chǎn)品故障模式、原因和影響等掌握的程度。通常β值的確定是按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定量估計(jì)。有兩種β值可供選擇，見表1：

表1 故障影響概率β的推薦值

故障模式的危害度［4］Cmj 是產(chǎn)品危害度的一部分。產(chǎn)品在工作時(shí)間t 內(nèi)，以第j 個(gè)故障模式發(fā)生的某嚴(yán)酷度等級(jí)下的危害度Cmj。

三、受電弓實(shí)例分析

根據(jù)上述介紹的故障模式分析方法FMA對受電弓進(jìn)行故障模式分析，考慮到篇幅原因，選擇了發(fā)生故障數(shù)較高的幾種故障模式。

表2 受電弓故障模式統(tǒng)計(jì)表

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出碳滑板磨耗超標(biāo)、分流導(dǎo)線斷股、碳滑板磨耗不均勻、休息位置指示器降弓故障或線電壓繼電器故障、絕緣軟管漏氣、對角拉桿裂紋占到了所有受電弓故障71.35%，是受電弓的主要故障，需要重點(diǎn)檢查。

根據(jù)故障模式分析方法FEA對受電弓進(jìn)行故障影響分析，考慮到篇幅原因，選擇了發(fā)生故障數(shù)較高的幾種故障模式進(jìn)行故障影響分析。

表3 受電弓故障影響分析表

在FMA和FEA分析中，雖然表1、表2根據(jù)故障模式發(fā)生次數(shù)進(jìn)行排序，但是未體現(xiàn)故障模式的嚴(yán)酷度。例如有些故障可能發(fā)生頻次很低，但是結(jié)果可能是致命的，因而需要在此基礎(chǔ)上，結(jié)合嚴(yán)酷度進(jìn)行全面地分析。故障模式對產(chǎn)品影響的嚴(yán)重程度稱為嚴(yán)酷度，一般分為四類：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，受電弓嚴(yán)酷度等級(jí)評判表［5］如表4所示：

根據(jù)危害度計(jì)算的介紹，結(jié)合表4，通過計(jì)算得到受電弓危害度分析表，考慮到篇幅，羅列各嚴(yán)酷度等級(jí)下危害度較高的幾項(xiàng)如表5所示。

通過上述故障模式危害度分析，得出了影響受電弓運(yùn)行安全危害度最大的三種故障模式：18（碳棒磨耗超標(biāo)）；47（分流導(dǎo)線斷股）；50（降弓位置故障或線電壓繼電器故障）；這三種故障嚴(yán)重威脅了受電弓的運(yùn)行安全性，應(yīng)該首先采取改進(jìn)措施。

為了綜合考慮危害度和嚴(yán)酷度兩個(gè)因素，確定故障模式改進(jìn)措施的優(yōu)先級(jí)，需要繪制危害度矩陣［6］，其中橫坐標(biāo)為故障模式嚴(yán)酷度等級(jí)，縱坐標(biāo)為危害度。從而得到不同故障模式在矩陣圖中的分布點(diǎn)，從坐標(biāo)原點(diǎn)引出矩陣圖對角線即危害度增長性方向，過故障模式的分布點(diǎn)作危害性增長方向的垂線，垂線的模值越大，危害度就越大，最終得到危害度矩陣如圖2所示：

表4 受電弓嚴(yán)酷度等級(jí)評判表

表5 危害度分析表

圖2 危害度矩陣

根據(jù)危害度矩陣圖，影響受電弓安全運(yùn)行的情況（依次遞減）為：41、50、42、2、4、5、1、7、18、45、48、20、15、49、26、37、23、17、8、3、9、43、14、44、6、13。其中危害度最大的故障模式（按嚴(yán)酷度分類劃分）是：Ⅱ類中的41（絕緣軟管漏氣，將導(dǎo)致無法正常升弓）、Ⅲ類中的18（碳棒磨耗超標(biāo)，將導(dǎo)致弓網(wǎng)拉?。?。因此應(yīng)該制定有針對性的維修決策來降低這些故障模式的故障率，提高受電弓可靠性。

四、受電弓維修的建議

通過對受電弓FMECA分析，得到了故障模式及危害度矩陣，就危害度矩陣圖中分析的各故障模式影響的輕重程度，對影響輕重程度排序前幾位的故障模式提出對應(yīng)維修建議。由于篇幅原因，選取嚴(yán)重的幾個(gè)進(jìn)行分析。

（一）故障模式代碼41（絕緣軟管漏氣將造成受電弓無法升起）維修建議：將使用過的軟管送第三方檢測評估工作狀態(tài)和密封性能，若有必要提前批量更換。

（二）故障模式代碼50（繼電器接觸不良，將造成受電弓無法升起）維修建議：評估繼電器動(dòng)作次數(shù)，對已接近理論動(dòng)作次數(shù)的繼電器提早進(jìn)行更換；每年一次檢查繼電器觸點(diǎn)和線圈電阻，更換超標(biāo)的繼電器。

（三）故障模式代碼42（節(jié)流閥漏氣，將造成受電弓無法升起）維修建議：將使用過的節(jié)流閥送第三方檢測評估工作狀態(tài)和密封性能。

（四）故障模式代碼18（碳棒磨耗超標(biāo)，將造成弓網(wǎng)拉弧）維修建議：根據(jù)萬公里磨耗厚度，估算剩余使用壽命，在磨耗超標(biāo)前提前更換。

安裝在線檢測設(shè)備，列車出入庫時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)測碳棒厚度，裂紋等各項(xiàng)指標(biāo)，提前預(yù)警；每年增加一次對受電弓弓頭平衡調(diào)整的操作要求。

（五）47（分流導(dǎo)線斷股，將造成部件受損）維修建議：將發(fā)生斷股的分流導(dǎo)線送第三方評測分析原因；對分流導(dǎo)線材料進(jìn)一步研究，是否可以通過鍍錫等方式增加使用壽命。

（六）故障模式代碼50（落弓位置故障，將引起受電弓狀態(tài)與實(shí)際不匹配）維修建議：月檢中增加對落弓位置指示器線路檢查；月檢中增加對落弓位置指示器感應(yīng)距離尺寸檢查；月檢中增加清潔落弓位置指示器及高壓絕緣板。

［1］GB/T3187.可靠性維修性術(shù)語.

［2］周海京，遇今.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003.

［3］王少萍.工程可靠性［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

［4］董錫明.機(jī)車車輛運(yùn)用可靠性工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］石君友，紀(jì)超.擴(kuò)展FMECA方法應(yīng)用研究［J］.測控技術(shù)，2011，（5）.

［6］趙云生，劉鳳剛.FMECA工程技術(shù)在鐵道車輛零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.鐵道車輛，2009，（2）.

王煒俊，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，申通龐巴迪（上海）軌道交通維修有限公司，上海，201615；洪躍，申通龐巴迪（上海）軌道交通維修有限公司，上海，201615

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1007-7723（2015）05-0027-0004