2.4 车门系统可靠性建模与维修策略优化

2.4.1 车门系统可靠性建模

1.车门系统概述

动车组车门系统一般包括客室车门、司机室侧门、通道门和紧急疏散门。由于在平时的检修中发现司机室侧门、通道门和紧急疏散门的故障较少，对动车组正常运行的影响很小，所以这里将客室车门作为研究对象，所研究的动车组采用的是滑动塞拉门，从动车组车门功能实现的角度来看，其主要由驱动传动装置、承载导向装置、锁闭装置、内外操作装置、电动控制装置和基础部件等子系统组成。动车组客室车门各子系统的基本组成部件如下。

（1）驱动传动装置主要由驱动电机、带轮、传动丝杆、螺母组件、解锁装置等部件组成，具有带动车门运动，为车门的开关提供基础动力的作用。

（2）承载导向装置主要由携门架、长短导柱、丝杆、上下导轨、滑道、摆臂等部件组成，其主要用于承载车门的运动和在车门正常工作时引导其按照预定的轨迹运动。

（3）锁闭装置主要由主锁、辅助锁等部件组成，一般采用机械锁闭装置，其中主锁可以通过传动装置实现车门的自动开关，在停电时能够手动开门和关门。

（4）内外操作装置主要由紧急解锁、外部紧急入口装置、紧急拉绳等部件组成，是整个车门系统最重要的子系统之一，关系到整个车门系统的安全性，但不影响车门的正常开关。

（5）电动控制装置主要由门控单元（EDCU）、车门关闭行程开关（98％限位开关）、车门锁闭行程开关、车门紧急解锁开关和车门切除行程开关等部件组成，是车门系统的核心，负责接收开门和关门信号。

（6）基础部件主要包括防夹胶条、密封胶条、蜂鸣器、指示灯、门扇、门框、接地线、隔离锁等部件。对保证动车组车门的稳固和保障运营服务质量具有重要作用。

2.车门系统结构框图

在车辆的日常运营中，车门系统的使用十分频繁，精准预测车门系统的可靠度，对合理确定车门的维修周期、提高车辆的运营效率有重要影响。在动车组运营过程中，车门系统的主要功能是进行开门和关门，形成通道，为乘客提供上下车服务。对其功能的实现影响较大的部件主要是门控器、驱动电机、丝杆、主锁、辅助锁、98％限位开关、滑道、导轨/摆臂等部件。车门系统的结构框图如图2.8所示。

根据结构框图，可以将整个车门系统拆分为3个子系统。子系统1是主要由门控按钮、门控器构成的串联系统；子系统2是主要由车门在接收门控器关门信号后的机械传动部件、导向部件和锁闭部件构成的串联系统；子系统3是主要由在接收门控器开门信号后的机械传动部件、导向部件和锁闭部件构成的串联系统。车门系统的子系统结构框图如图2.9所示。

3.车门系统的通用生成函数

在确定车门系统的串并联结构后，需要计算各部件的故障率。这里以某线路动车组2018—2020年的故障数据为基础，在进行统计分析后，得到车门系统故障数据，如表2.1所示。

1）故障率的计算

当车门系统发生故障时，可以认为部件有两种状态：完好状态和失效状态。根据平均故障率公式可以得到各部件在一段时间内的平均故障率。平均故障率为

式中， 为平均故障率； n f ( t ) 为失效产品数；Δ n f ( t ) 为一段时间内的失效故障数； n s ( t ) 为 t 时刻的产品数。平均故障率表示的是统计时间内产品的故障总数与实验总数之比。

计算得到各部件的平均故障率，如表2.2所示。

在实际工作过程中，与动车组的运行时间相比，维修时间很短，因此在建模时不考虑故障部件的修复率。我们假设组成车门系统的部件只有两种状态。用0代表失效状态，用1代表完好状态。此时部件状态转移图如图2.10所示。

2）初始转移概率矩阵的构建

根据部件的故障率构建部件的初始转移概率矩阵，以丝杆为例，丝杆的故障率为0.0021次/年，即部件从1状态转移到0状态的概率 p 1→0 为0.0021，由图2.10可知，部件不能从0状态转移到1状态，此时 p 0→1 为0。根据对离散时间马尔可夫链的描述，可以得到丝杆的初始转移概率矩阵为 。车门系统部件的初始转移概率矩阵如2.3所示。

这里认为部件在初始时刻是完好的，部件的初始概率向量 p (0)=(0,1) ，即在初始时刻停留在1状态的概率为1，停留在0状态的概率为0。根据初始概率向量和初始转移概率矩阵进行 n 步状态转移（一步的时间为1年），解算出每年的状态向量。再根据部件的串并联关系计算车门子系统的 z 函数，最后计算整个车门系统的 z 函数。

3）系统通用生成函数的构建

为了方便地计算可靠度指标，以10年为建模时间，计算每年的状态概率向量，解算出车门系统10年的 z 函数。这里以状态转移1次为例，解算出整个系统的 z 函数，其余年份按照上述方法进行解算即可。

（1）子系统1的通用生成函数。

由图2.9可知，子系统1中的部件有两个，而由故障数据可知发生过故障的部件只有1个，没有发生过故障的部件一直保持完好状态，所以子系统1的 z 函数可以用门控器的 z 函数代替，门控器的初始状态向量 p (0)=(0,1) 。门控器的一步状态转移向量可用式（2.27）来进行计算，得到 p (1)= p (0) P 1 =(0.0104,0.9896) ，由一步状态转移向量可知，子系统1的 z 函数为

（2）子系统2的通用生成函数。

子系统2由12个部件串联而成，由故障数据可知，只有6个部件存在故障。根据车门的实际运行情况，认为该子系统是流体传输型串联系统，系统的状态性能取决于系统中状态性能最差的部件。根据子系统1的计算方法，先计算各部件的一步状态转移向量，再根据该向量求解各部件的通用生成函数，最后根据串并联关系计算整个子系统的通用生成函数。子系统2中故障部件的一步状态转移向量如表2.4所示。

在解算出故障部件的一步状态转移向量后，可以根据式（2.11）计算子系统2中故障部件的通用生成函数，如表2.5所示。

子系统2属于流体传输型串联系统，可以得到子系统2的 z 函数，即

（3）子系统3的通用生成函数。

子系统3由10个部件组成，其中发生过故障的部件有丝杆、导轨/摆臂、滑道、主锁和辅助锁，这些部件的一步状态转移向量可在表2.4中查询，部件的通用生成函数可在表2.5中查询。子系统3也属于流体传输型串联系统。得到子系统3的通用生成函数为

（4）车门系统的通用生成函数。

由车门系统的结构框图可知，其串并联关系为：子系统2与子系统3并联，再与子系统1串联。由子系统2与子系统3构成的并联系统属于流体传输型并联系统，再与子系统1串联构成的串联系统属于流体传输型串联系统。可以计算得到整个系统的通用生成函数为

式中， z 的上角标代表系统的状态（0代表状态输出为0，即整个系统失效；0.5代表系统开门或关门功能发生故障；1代表整个系统正常运行），系数代表处于不同状态的概率。

根据上述计算方法，可以得到车门系统10年的通用生成函数，如表2.6所示，第0年表示车门系统处于全新的状态。