宋年秀 褚易凡 劉茂山 劉亞光2 趙 麗

(1.青島理工大學(xué) 山東 青島 266000；2.北汽福田汽車廠 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

引言

近年來城市軌道交通越來越普及化，轉(zhuǎn)向架在城軌列車中起著非常重要的作用，而轉(zhuǎn)向架的潛在故障問題引起了業(yè)內(nèi)關(guān)注。國(guó)內(nèi)外針對(duì)這一問題的研究有很多種方法，如將故障樹法、小波包變換方法[1]等引入到城軌列車中進(jìn)行故障預(yù)測(cè)分析。而以上這些研究方法只是針對(duì)某一具體故障領(lǐng)域做出的故障判斷，并沒有對(duì)整個(gè)城軌列車轉(zhuǎn)向架中的故障模式進(jìn)行分析，F(xiàn)MECA分析方法是一個(gè)反復(fù)迭代的技術(shù)，是通過對(duì)系統(tǒng)的每一個(gè)層次結(jié)構(gòu)單元逐層分析，由一個(gè)最小的部件逐漸迭代到最大的系統(tǒng)，通過對(duì)盡可能出現(xiàn)的所有故障模式進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，對(duì)發(fā)生頻率高、危害度大的故障模式制定更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)維修方案。所以將FMECA分析方法引入到城軌列車轉(zhuǎn)向架中有著非常重要的意義[2]。

一、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)FMECA分析手段

(一)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架按車軸的數(shù)量分為二軸、三軸和多軸。轉(zhuǎn)向架按照用途分為三種類型：M1型，在市郊道路上運(yùn)用；MF型，在城市里面運(yùn)用；MP型，裝有空氣輪胎。按照牽引力的分類又可以分為動(dòng)力式轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力式轉(zhuǎn)向架。

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)主要由制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、輪對(duì)系統(tǒng)組成。制動(dòng)系統(tǒng)是車輛制動(dòng)的一整套核心系統(tǒng)，研究的踏面閘瓦制動(dòng)主要由制動(dòng)缸和杠桿閘片組成，在緊急制動(dòng)下，利用兩者之間的摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能散在大氣中。懸掛系統(tǒng)能夠降低車輛的整體振動(dòng)及保證平穩(wěn)性。具體組成如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)構(gòu)成圖

隨著列車運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向架的各個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受到不同程度的損壞和摩擦，有必然故障也也有偶然突發(fā)性故障，如裂縫、裂紋或者磨耗。

(二)FMECA分析方法的兩個(gè)步驟

FMECA(故障模式、影響及危害性分析)是一種可靠性的分析方法，其目的在于預(yù)防故障、控制故障和制定補(bǔ)償措施。而FMECA分析方法主要分為FMEA和CA兩個(gè)分析步驟，前者屬于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)定性分析，歸納總結(jié)出故障模式，后者是在前者的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)量化，屬于定量分析。

FMECA分析流程是先對(duì)轉(zhuǎn)向架的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定義，然后對(duì)故障模式進(jìn)行定性分析和故障影響程度分析，最后進(jìn)行CA危害性分析，列出危害程度及補(bǔ)償措施[3],FMECA分析流程圖如圖2所示。

圖2 FMECA分析流程圖

在對(duì)轉(zhuǎn)向架的各系統(tǒng)定義結(jié)束后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行FMECA分析，把整個(gè)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的故障模式用FMECA進(jìn)行歸納，找出主要失效模式，針對(duì)出現(xiàn)的后果進(jìn)行危害性分析，更好的制定補(bǔ)償措施和維修周期。FMECA分析層層迭代，分析的不僅是一個(gè)構(gòu)件，而是從多個(gè)構(gòu)件到系統(tǒng)到轉(zhuǎn)向架的故障模式。避免了單一性，直觀地看出各層之間的聯(lián)系。該方法耗時(shí)短，簡(jiǎn)單實(shí)用，在廣泛的工程界都得動(dòng)了很好的應(yīng)用。

二、對(duì)城軌列車轉(zhuǎn)向架FMEA分析

為了進(jìn)行轉(zhuǎn)向架的FMEA分析，首先要先對(duì)嚴(yán)酷度等級(jí)進(jìn)行劃分，如表1所示。

表1 嚴(yán)酷度等級(jí)劃分

嚴(yán)酷度等級(jí)劃分以后，根據(jù)轉(zhuǎn)向架各組件不同部位發(fā)生故障的可能性，因?yàn)橛行┦遣豢煽氐碾x散型分布概率，所以我們要對(duì)這些故障模式進(jìn)行概率等級(jí)劃分，以便更直觀的看出哪部分是容易發(fā)生故障的，是可預(yù)見性的，哪些部分是不容易預(yù)測(cè)的，根據(jù)故障發(fā)生頻度為標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)來進(jìn)行評(píng)定，如表2所示。

表2 故障概率等級(jí)劃分表

調(diào)查和整理轉(zhuǎn)向架可能發(fā)生的故障模式、故障原因[4-5]和帶來的故障影響，結(jié)合故障檢測(cè)方法，對(duì)城軌列車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行FMEA定性分析[6]，如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)向架故障模式FMEA分析表

從表3中可以看出，對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)進(jìn)行FMEA定性分析，先找出故障模式是第一步，從構(gòu)件到系統(tǒng)，單一到整體的故障模式都會(huì)在表3直觀地看出。然后對(duì)此故障原因進(jìn)行排查，做出主觀的故障影響預(yù)測(cè)。了解到每一個(gè)部件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的帶來的影響，找出故障原因，是CA分析的前提。

三、對(duì)城軌列車轉(zhuǎn)向架CA分析

對(duì)FMEA定性分析后，針對(duì)轉(zhuǎn)向架容易出現(xiàn)的故障，根據(jù)表1的嚴(yán)酷度等級(jí)[7]和表2的故障發(fā)生的概率，對(duì)轉(zhuǎn)向架的故障部位做一個(gè)危害性分析(CA)，列出危害性矩陣，制定進(jìn)一步的補(bǔ)償措施和后期監(jiān)測(cè)，如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)向架故障模式CA分析表

根據(jù)表4，以嚴(yán)酷度為橫坐標(biāo)，故障模式概率等級(jí)為縱坐標(biāo)，做出危害性矩陣圖，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向架故障危害性矩陣圖

圖3中的數(shù)字為CA分析代碼，斜線P表示危害程度，越靠近斜線P及在右上方表示危害度越高和更容易發(fā)生故障。

從圖3危害性矩陣圖中可以直觀的看出，導(dǎo)致故障發(fā)生的因素有15種，其中嚴(yán)酷度Ⅱ類和Ⅲ類的故障類型最多，且從矩陣圖中直觀地看出，代碼7(車輪輪緣出現(xiàn)故障)、代碼4(金屬懸掛彈簧斷裂)、代碼9(車輪踏面裂縫)、代碼10(齒輪箱軸承內(nèi)圈故障)是最關(guān)鍵的故障模式類型，而且是發(fā)生概率較高和嚴(yán)酷度等級(jí)高的類型。針對(duì)這三種故障模式要優(yōu)先提供補(bǔ)償措施，為之后制定更加詳細(xì)的維修手段提供依據(jù)。

四、結(jié)語

利用FMECA分析方法對(duì)轉(zhuǎn)向架的故障模式、影響及危害性進(jìn)行分析，能夠直觀的確定車輪輪緣故障、金屬懸掛彈簧斷裂、車輪踏面裂縫、齒輪箱軸承內(nèi)圈故障是最容易發(fā)生且危害度最高的故障，應(yīng)該進(jìn)一步針對(duì)故障模式采取對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)及補(bǔ)償措施方法。FMECA分析方法可以有效的應(yīng)用于城軌列車轉(zhuǎn)向架的故障預(yù)測(cè)分析，為城軌列車轉(zhuǎn)向架在系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、使用中提供了科學(xué)的依據(jù)。