顏秀珍 唐震 李濤

基金項(xiàng)目：2021年度廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（2021KQNCX205）

第一作者簡(jiǎn)介：顏秀珍（1990-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)楣收显\斷、車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)、列車通信網(wǎng)絡(luò)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.010

摘? 要：該文以某車輛段2020—2022年客車轉(zhuǎn)向架運(yùn)用故障數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，對(duì)209型轉(zhuǎn)向架各部件的常見(jiàn)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用可靠性分析方法FMECA，列出各部件的故障模式清單，分析各個(gè)故障模式發(fā)生原因、故障影響度及危害度的等級(jí)，繪制出各FMEA表格，在該定性分析的基礎(chǔ)上，再利用綜合評(píng)分法對(duì)各個(gè)故障模式進(jìn)行危害度分析，定量分析209型轉(zhuǎn)向架各部件的故障模式及危害度，判斷該型轉(zhuǎn)向架危害度較高的故障模式，為其故障診斷和重點(diǎn)檢查決策提供有效的信息。

關(guān)鍵詞：故障分析；209型轉(zhuǎn)向架；FMECA；危害度分析；綜合評(píng)分法

中圖分類號(hào)：U270.333? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0044-05

Abstract： Based on the operation fault data of passenger car bogies in a depot from 2020 to 2022， this paper makes a statistical analysis of the common faults of the 209 bogie， lists the fault modes of each component by using the reliability analysis method FMECA， analyzes the causes of each fault mode， the fault influence degree and the grade of criticality， and draws each FMEA table on the basis of qualitative analysis. Then， the comprehensive scoring method is used to analyze the criticality of each fault mode， quantitatively analyze the fault mode and criticality of each part of the 209 bogie， and judge the fault mode with high criticality， so as to provide effective information for fault diagnosis and key inspection decision-making.

Keywords： fault analysis; 209 bogie; FMECA; hazard analysis; comprehensive scoring method

轉(zhuǎn)向架是鐵路客車車輛的關(guān)鍵部件，其可靠性和性能決定了車輛的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全[1]，隨著客車運(yùn)行速度由120 km/h到160 km/h及更高運(yùn)行速度不斷提升的過(guò)程中，各類型客車轉(zhuǎn)向架也在高速運(yùn)行過(guò)程中暴露出種種問(wèn)題，轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用維修質(zhì)量作用日益上升。目前，鐵路公司對(duì)客車轉(zhuǎn)向架的可靠性研究大多針對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的某個(gè)部件，較少涉及整個(gè)系統(tǒng)的故障分析，因此，有必要對(duì)客車運(yùn)用過(guò)程中的轉(zhuǎn)向架故障數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，獲取不同部件的主要故障模式，以期從全局的角度，分析不同部件故障的危害度，并對(duì)危害度較高的故障進(jìn)行針對(duì)性的維修和改進(jìn)。

1? FMECA故障分析方法簡(jiǎn)述

FMECA是Failure Mode， Effects and Criticality Analysis的首字母縮寫(xiě)，翻譯成中文為故障模式、影響和危害性分析[2]，是可靠性分析理論中最常用的2種方法之一。FMECA作為一種在廣泛的工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的用于對(duì)零部件進(jìn)行可靠性分析的理論，其研究對(duì)象為零部件的故障模式，研究方法為針對(duì)零部件系統(tǒng)中所有可能發(fā)生的故障，進(jìn)行故障模式分析，確定各自發(fā)生的具體原因及對(duì)系統(tǒng)正常工作影響的大小，按照故障發(fā)生的嚴(yán)重程度及對(duì)其概率大小，確定故障危害度，列出FMEA表格[3]。在此基礎(chǔ)上，用定量分析方法對(duì)故障進(jìn)行危害度分析（即CA）。根據(jù)算出來(lái)的危害度大小進(jìn)行故障排序，找出危害度較大的關(guān)鍵故障模式，并依此制定出危害防范方法[4]。

FMECA包括失效模式和影響分析（FMEA）和危害度分析（CA）兩大部分，即FMECA=FMEA+CA[5]。用FMECA對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障分析的基本流程為：①對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行FMEA分析，確定出故障模式的原因及其對(duì)系統(tǒng)正常工作的影響程度，并進(jìn)一步提出優(yōu)化措施[6]；②對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行CA分析，計(jì)算各故障模式的危害度，按從大到小進(jìn)行排序，找出其中危害度高的關(guān)鍵故障模式，從而對(duì)各故障模式的影響程度進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)[7]。

本文以某車輛段2020—2022年209型轉(zhuǎn)向架運(yùn)用故障數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，利用FMECA對(duì)209型轉(zhuǎn)向架故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定性、定量分析209型轉(zhuǎn)向架的故障模式及危害度，為轉(zhuǎn)向架檢查和維修決策提供有益的參考。此次分析所收集的故障為2 466件，時(shí)間跨度為3年，避免了因數(shù)據(jù)少、時(shí)間短引起的分析失準(zhǔn)。209型轉(zhuǎn)向架的實(shí)物圖如圖1（a）和圖1（b）所示。

2? 209型轉(zhuǎn)向架故障模式影響及危害度分析

2.1? 轉(zhuǎn)向架主要故障的分析

分析某一系統(tǒng)的故障模式，通常通過(guò)故障概率的高低進(jìn)行評(píng)判，按照故障概率的高低分為如下5個(gè)等級(jí)[8]。

A級(jí)：是經(jīng)常發(fā)生發(fā)生的故障，指發(fā)生概率很高的故障，故障發(fā)生概率超過(guò)20%。

B級(jí)：是很可能發(fā)生的故障，指發(fā)生概率一般高的故障，故障發(fā)生概率在10%～20%之間。

C級(jí)：是偶然發(fā)生的故障，指不經(jīng)常發(fā)生的故障，故障發(fā)生概率在1%～10%之間。

D級(jí)：是很少發(fā)生的故障，指小概率事件，故障發(fā)生概率在0.1%～1%之間。

E級(jí)：是極少發(fā)生的故障，指發(fā)生概率基本為0的故障，發(fā)生的具體概率大小小于0.1%。

故障概率綜合評(píng)判見(jiàn)表1。

表1? 故障概率綜合評(píng)判表

根據(jù)某車輛段2020—2023年運(yùn)用客車209型轉(zhuǎn)向架故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)209型轉(zhuǎn)向架各類故障進(jìn)行歸類匯總，得到209型轉(zhuǎn)向架故障模式分析見(jiàn)表2。進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行整理，得到圖2的轉(zhuǎn)向架各零部件故障模式占比圖。

表2? 209型轉(zhuǎn)向架故障模式分析表

在可靠性分析中，累計(jì)頻率所占百分比分?jǐn)?shù)為80%的原因稱為關(guān)鍵因素或主導(dǎo)因素。由表2可以分析得出，單元缸防塵罩脫，油壓減振器安裝螺栓松動(dòng)，單元缸金屬軟管磨碰，油壓減振器漏油，閘片、閘瓦偏磨、到限這5種故障共占總故障的85.41%，這些故障是209型轉(zhuǎn)向架的主要故障，如果想降低出庫(kù)運(yùn)用客車轉(zhuǎn)向架故障率，相關(guān)運(yùn)用作業(yè)人員在進(jìn)行檢修時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)檢查上述5個(gè)部位。

由表2還可以看出，單元缸相關(guān)故障（01、03）故障占轉(zhuǎn)向架總故障的49.72%，幾乎占了轉(zhuǎn)向架故障的一半，單元缸類故障涉及客車制動(dòng)能力好壞，重要度極高，除各級(jí)管理、檢查人員需要多關(guān)注此類故障外，相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行運(yùn)用技術(shù)改進(jìn)時(shí)也應(yīng)該重視，從外形、材質(zhì)、加工方式和尺寸等方面進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。

圖2? 轉(zhuǎn)向架各零部件故障模式占比圖

2.2? 轉(zhuǎn)向架故障危害度定量分析

根據(jù)前面介紹的FEMCA故障分析方法，上述FMEA分析只是對(duì)各類故障發(fā)生的概率大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)排序，屬于對(duì)故障模式危害度的定性分析，但是各故障模式對(duì)系統(tǒng)的危害度大小并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，某些故障雖然發(fā)生的頻次不高，卻可能是致命性的，因此需要在故障模式分析的基礎(chǔ)上結(jié)合故障模式危害度來(lái)綜合分析，即CA分析[9]。CA分析是一種重要的定量故障分析方法，可以在FMEA分析的基礎(chǔ)上對(duì)各故障模式對(duì)危害度進(jìn)行量化分析，從而可以更直觀地發(fā)現(xiàn)各個(gè)故障模式的危害度數(shù)值，對(duì)危害度高的，可以針對(duì)性地制定相應(yīng)的防范措施。

根據(jù)FMECA可靠性分析方法，故障危害度Cmj是產(chǎn)品在特定的故障嚴(yán)重等級(jí)級(jí)別下第j 個(gè)故障模式所具有的危害度值

Cmj=λp×αj×βj×t。

式中：λp為故障率；αj為故障模式比率；βj為故障影響概率；t為工作時(shí)間或運(yùn)行公里。

故障率λ是指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率[10]。故障模式比率α為上文所計(jì)算出的故障頻次。故障影響概率β是指產(chǎn)品以某種故障模式出現(xiàn)時(shí)使產(chǎn)品喪失功能的條件概率，通常在故障嚴(yán)重度等級(jí)分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為的經(jīng)驗(yàn)判斷。

嚴(yán)重度等級(jí)是指某種故障模式發(fā)生后對(duì)過(guò)程或產(chǎn)品危害的嚴(yán)重程度，嚴(yán)重度等級(jí)定義見(jiàn)表3，按照嚴(yán)重程度的不同，將故障分為4個(gè)等級(jí)。Ⅰ級(jí)故障也稱為致命故障，其發(fā)生可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能故障，危及行車安全，導(dǎo)致人員傷亡；Ⅱ級(jí)故障也稱為嚴(yán)重故障，這類故障的發(fā)生會(huì)讓功能部件的性能下降，進(jìn)而影響列車的行車安全；Ⅲ級(jí)故障也稱為普通故障，此類故障不影響列車的行車安全，但會(huì)使列車的行駛性能下降，此類故障可以短時(shí)間內(nèi)修復(fù)；Ⅳ級(jí)故障是輕度故障，這類故障的發(fā)生一般不會(huì)導(dǎo)致功能性下降，也可以快速進(jìn)行修復(fù)。

表3? 嚴(yán)重度等級(jí)定義表

根據(jù)故障嚴(yán)重度等級(jí)，對(duì)209型轉(zhuǎn)向架各故障型式進(jìn)行分類，心盤(pán)螺母松動(dòng)，輪對(duì)擦傷、剝離、裂紋，閘片、閘瓦偏磨、到限這3類故障屬于Ⅰ級(jí)故障；縱向牽引拉桿松、開(kāi)口銷折斷，單元缸金屬軟管磨碰，油壓減振器漏油，側(cè)承間隙不符這4類故障屬于Ⅲ級(jí)故障，其余幾種常見(jiàn)故障都屬于Ⅱ級(jí)故障。具體的209型轉(zhuǎn)向架故障的嚴(yán)重度等級(jí)劃分見(jiàn)表4。

表4? 209型轉(zhuǎn)向架故障的嚴(yán)重度等級(jí)劃分表

故障影響概率等級(jí)見(jiàn)表5。其中βj為故障影響概率。

表5? 故障影響概率等級(jí)表

基于嚴(yán)重度等級(jí)定義表、209型轉(zhuǎn)向架故障的嚴(yán)重度等級(jí)劃分表、故障影響概率等級(jí)表，再根據(jù)車輛段里先進(jìn)技術(shù)人才的人為經(jīng)驗(yàn)判斷，得出209型轉(zhuǎn)向架故障的故障影響概率見(jiàn)表6。

表6? 209型轉(zhuǎn)向架故障的故障影響概率表

通過(guò)上述數(shù)據(jù)，計(jì)算得到轉(zhuǎn)向架故障模式危害度Cmj，分析見(jiàn)表7。

表7? 故障模式危害度分析表

從表7可以看出所分析出的典型故障危害度排名從高到低的順序?yàn)椋?1單元缸防塵罩脫（排名不變）→02油壓減振器安裝螺栓松動(dòng)（排名不變）→03單元缸金屬軟管磨碰（排名不變）→05閘片、閘瓦偏磨、到限（排名上升）→04油壓減振器漏油（排名下降）→06側(cè)承間隙不符（排名不變）→07輪對(duì)擦傷、剝離（排名不變）→08軸箱導(dǎo)柱套上竄（排名不變）→11閘片托組裝螺栓松脫（排名上升）→10軸箱彈簧折斷（排名不變）→12手制動(dòng)機(jī)鋼絲繩斷（排名上升）→09縱向牽引拉桿松、開(kāi)口銷折斷（排名下降）→13搖枕安全吊折斷（排名不變）→14心盤(pán)螺母松動(dòng)（排名不變）。

從以上順序可以看出，考慮到故障嚴(yán)重等級(jí)以后，故障危害度的數(shù)值順序與表2的故障頻率順序相比是有變化的，只看故障頻率的高低無(wú)法判斷出此類故障的危害程度。

2.3? 轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣圖

危害度矩陣是綜合了故障嚴(yán)重度和危害度這2個(gè)因素，用來(lái)確定每一種失敗模式的危害程度的矩陣圖形，其橫坐標(biāo)表示嚴(yán)重度等級(jí)，縱坐標(biāo)表示故障模式危害度，將每一種故障模式標(biāo)在故障模式危害矩陣圖中，得到系統(tǒng)各故障模式的分布點(diǎn)，并將其沿著對(duì)角線的方向與坐標(biāo)原點(diǎn)連成一條直線。分布點(diǎn)距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，則該故障模式對(duì)系統(tǒng)的危害度越大，表明是檢修與工藝改進(jìn)及技術(shù)創(chuàng)新時(shí)需要重點(diǎn)考慮的點(diǎn)。

根據(jù)表4與表7的數(shù)據(jù)，最終得到的轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣如圖3所示。

圖3? 轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣圖

從圖3可以看出，影響轉(zhuǎn)向架安全運(yùn)行危害度較大的前5個(gè)故障模式分別為單元缸防塵罩脫，油壓減振器安裝螺栓松動(dòng)，閘片、閘瓦偏磨、到限，輪對(duì)擦傷、剝離，心盤(pán)螺栓松動(dòng)。其中，故障模式01（單元缸防塵罩脫）影響了對(duì)單元缸螺桿的保護(hù)，導(dǎo)致單元缸螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗增加或卡滯，影響車輛的制動(dòng)性能；故障模式02（油壓減振器安裝螺栓松動(dòng)）影響油壓減振器的固定效果，嚴(yán)重時(shí)油壓部件脫落影響客車的運(yùn)行品質(zhì)；故障模式05（閘片、閘瓦偏磨、到限）影響車輛制動(dòng)功能，隨著閘片、閘瓦磨耗程度的加深對(duì)輪對(duì)的影響也逐漸加大；故障模式07（輪對(duì)擦傷、剝離）可能導(dǎo)致車輛輪對(duì)跳動(dòng)，影響客車運(yùn)行品質(zhì)的同時(shí)，還可能導(dǎo)致車輛輪對(duì)脫軌，造成嚴(yán)重的后果；故障模式14（心盤(pán)螺栓松）可能導(dǎo)致心盤(pán)發(fā)生位移，嚴(yán)重時(shí)可能切斷心盤(pán)螺栓，影響心盤(pán)傳遞車輛的垂直載荷及縱向、橫向載荷。

單元缸防塵罩脫數(shù)量巨大，建議通過(guò)對(duì)其材質(zhì)的研究進(jìn)行控制；油壓減振器安裝螺栓松動(dòng)屬于常發(fā)故障范圍，由車輛振動(dòng)引起，建議通過(guò)相關(guān)檢查人員的加強(qiáng)檢查進(jìn)行控制；閘片、閘瓦偏磨、到限故障除其材質(zhì)影響外，也與相關(guān)修理人員不履行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，未成對(duì)更換或懶于更換引起，建議加強(qiáng)相關(guān)檢修人員職業(yè)素養(yǎng)進(jìn)行控制；輪對(duì)擦傷、剝離故障較少，但影響極大，建議通過(guò)TPDS系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤檢查，并落實(shí)月度輪對(duì)專項(xiàng)修理相關(guān)要求進(jìn)行控制；心盤(pán)螺栓松動(dòng)故障極少發(fā)生，日常檢修人員對(duì)該部位的檢查較為疏漏，建議督促相關(guān)檢查人員加強(qiáng)該部位故障查找進(jìn)行控制。

值得注意的是，故障模式01（單元缸防塵罩脫）會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能下降，進(jìn)而影響車輛的制動(dòng)性能，又由于其發(fā)生概率很高，所以雖然其嚴(yán)重等級(jí)不高，但危害度還是排在了第1位；故障模式07（輪對(duì)擦傷、剝離）、故障模式14（心盤(pán)螺栓松動(dòng)）都影響著轉(zhuǎn)向架的受力情況，嚴(yán)重時(shí)都會(huì)影響車輛的運(yùn)行安全，所以雖然其故障發(fā)生概率較低，但危害度排在了前5。

因此，通過(guò)一系列的分析可以得出，針對(duì)上述5類209型轉(zhuǎn)向架故障類型，相關(guān)管理人員及作業(yè)人員在技術(shù)改進(jìn)和運(yùn)用檢查工作中應(yīng)予以充分的重視，這樣不僅可以維持列車在運(yùn)行中的良好運(yùn)行品質(zhì)，還可以減少檢修的次數(shù)與檢修時(shí)長(zhǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益，保障列車的行車安全。

3? 結(jié)論

1）本文根據(jù)209型轉(zhuǎn)向架在實(shí)際服役過(guò)程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)，采用FMECA故障分析方法，統(tǒng)計(jì)、分析并計(jì)算出209型轉(zhuǎn)向架各故障模式發(fā)生的頻率高低、故障嚴(yán)重度、故障影響概率，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其危害度進(jìn)行定量計(jì)算分析，據(jù)此得到209型轉(zhuǎn)向架故障模式危害度矩陣，得出影響轉(zhuǎn)向架安全運(yùn)行危害度較大的前5個(gè)故障模式，對(duì)其提出日常檢查控制的建議，對(duì)209型轉(zhuǎn)向架維修計(jì)劃的制訂和故障診斷提供有效的信息。

2）本故障分析方法對(duì)于其他類型轉(zhuǎn)向架及列車其他零部件的故障分析和研究具有一定的參考價(jià)值。

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