地铁防淹门可靠性分析

聂松

（合肥城市轨道交通有限公司，安徽 合肥 230001）

地铁防淹门是一个处于常备待机状态的防灾减灾系统，在意外灾难即将发生时，通过系统功能的实现来消除或降低灾难后果。显然，防淹门与一般机电系统有着明显区别，它的机电运行系统平时处于待发状态，整个防淹门系统的可靠性仅体现在信号与控制子系统的反应可靠性，在灾难出现的时刻才与机械系统的可靠性联动。另外，防淹门又是一种安全保障措施，对运行中的地铁进行防淹门全系统检测必须停止地铁运行，成本较高，也不易进行系统运行强化试验。鉴于此，防淹门系统的可靠性分析就具有相当重要的实用意义，其结果可以作为系统维保间隔的主要依据。

1 系统的定义和工作条件

部分城市地铁防淹门采用升降式闸门。从功能上看，整个防淹门系统主要由机电系统和监控信号系统两部分组成。机电部分由闸门门叶、门槽（滑轨）、启闭装置和锁定装置等组成，是一个机电一体化子系统；监控系统由液位传感器、现场控制装置（PLC）、控制箱、报警装置和电缆等组成，是一个数据采集、传送、计算与判别、自动决策子系统。信号系统与防淹门机电系统间主要交换3个信息，分别为防淹门状态检测信息（FDG Status）、防淹门请求关闭信息（FDGCR）以及防淹门关门允许信息（FDGCA）。

防淹门机电系统在绝大多数时间内都是一个处于待发状态的静止装置，除可能发生锈蚀、机电设备老化、润滑失效等常规机电故障外，不存在摩擦、疲劳损伤、飘移等不确定因素，虽然门叶和门槽导轨之间理论上也存在卡阻可能，但是，与巨大的门体重力相比较，卡阻造成失效的可能性是极小概率事件，只有电机启动、锁定装置的开闭可靠性是该部分的重点分析因素。监控信号系统包含的模块众多，从管理权上可分为中央级（控制中心 ）、车站级（车站控制室）和就地级（防淹门控制室），从不同的管理层面对门体状态及水位报警进行监视与控制。区间水位按四级监视—两级报警设置，在监控区间水位最低里程处，钢轨底面以下100mm处设为一级水位预报警，此水位将危及地铁信号系统正常工作；钢轨顶面60mm处为四级报警，即危险水位，此水位将危及机车的正常工作；根据系统需要，一级水位与四级水位之间设置二级、三级水位，作为水位上涨速度检测区，水位上涨速度达到50mm/min（暂定，系统可调）作为危险水位报警信号。水位预报警信号和危险水位报警信号均由防淹门系统主控制装置上传至车站级主控系统，主控系统终端显示状态信号并报警，防淹门状态信息和区间水位信息由主控系统上传至控制中心，实现中央级的监视功能。

2 可靠性框图

防淹门可靠性框图是基于防淹门系统及其外围各部件关系及其连接方式的静态抽象模型，这里假设系统各部件的失效行为及其可修行为相互独立，不考虑系统中不同单元和部件之间的相互关系及系统的状态变化的动态特性。这样的设定，防淹门系统可靠性框图即成为无冗余串联系统，如图1所示。

图1

其可靠性计算如下：

这里，λpi为防淹门系统中各个功能置换单元的失效率，10-6/h；λp为防淹门系统总的失效率；n为功能置换单元的个数。

3 单元可靠性预设

（1）地铁采用双备供电模式，可以认为其电源可靠度为1；门体与导轨均为经过强度刚度验算的钢制构件，平时处于无荷载静止状态，不存在磨损及疲劳损伤等因素，其承载与变形可靠度也可设定为1；防淹门监控信号与车站控制室、中央控制室计算机的联锁软件，是地铁运行的核心软件，除严格遵守软件开发规程与检验标准外，在上线前经历了无数次测试和检验，可以认为其可靠度为1。

（2）锁定单元可靠性计算。防淹门锁定装置由启动电机、锁具机械装置组成，其工作失效率模型：

λ1=λE1+λM1

λE1为启动电机失效率，其模型为λE1=λb11πM11πE11πQ11πP11πC11

λM1为锁具机械装置失效率，其模型为λM1=λb12πM12πE12πQ12πP12πC12

其中，基本失效率 λb11=0．0901，λb12= 0．0943；环境系数πM11=14，πM12=14；质量系数πQ11=1，πQ12=1；电机系数（锁定电机2台）πE11=1．5，锁具系数（锁具两套）πE12=1．55；通电系数πP11=1，πP12=1；电机结构系数πC11=1，锁具的结构系数πC12=1。

防淹门所处地下原因，环境悉数取值较高。

电机的失效率：

λE1=0．091×14×1．5×1×1×1=1．911

锁具机械装置的失效率：

λM1=0．0943×14×1．55×1×1×1=2．046

整个锁定装置的失效率λ1=λE1+λM1=1．911＋2．046=3．957。

（3）门体启动可靠性计算。门体启动单元由电机与卷扬机组成。

λ2=λE2+λM2

λE2为 电 机 失 效 率， 模 型 为 λE2=λb21πM21πE21πQ21πP21πC21

λM2为 卷 扬 机 失 效 率， 模 型 为λM2=λb22πM22πE22πQ22πC22

其中，基本失效率 λb21=0．0943，λb22=0．0901；环境系数πM21=14，πM22=14；质量系数πQ21=1，πQ22=1；电机系数πE21=1．11，锁具系数（锁具4套）πE22=1．251；通电系数πP21=1；电机结构系数πC21=1，锁具结构系数πC22=1。

山水画的出现比人物画的形成和成熟要晚一些，这主要是由社会经济基础所决定的。自汉武帝罢黜百家，独尊儒术之后，儒家思想在当时的思想界占据了支配地位，魏晋之前的绘画就是受儒家思想的影响，担负起“成教化，助人伦”的作用。大量的绘画，或表彰功臣孝子和明君贤后，因此社会需要的是人物画。山水画在诫世育人，传播儒家思想方面的效果肯定不如人物画。

电机的失效率：

λE2= 0．0943×14×1．11×1×1×1=1．465。

卷扬机的失效率 λM2=0．0901×14×1．251×1×1=1．578。

门体启动单元的失效率 λ2=1．400+1．650=3．043。

（4）信号单元可靠性计算。

①水位计失效率模型

其中，λb31为基本失效率λb31=0．0902；环境系数πM31=16；质量系数πQ31=1；水位计系数（2台）πE31=1．5；通电系数πP31=1；水位计结构系数πC31=1。

λ31=0．0901×16×1．5×1×1×1=2．162

②门体状态传感器失效率模型

λ32=λb32πM32πE32πQ32πP32πC32

其 中，λb32为基本失 效 率 λb32=0．0902； 环 境系数πM32=11；质量系数πQ32=1；水位计系数（2台）πE32=1．5；通电系数πP32=1；传感器结构系数πC32=1。

λ32=0．0902×11×1．5×1×1×1=1．488

信号单元的失效率λ3=λ31+λ32=3．650。

（5）连接导线可靠性计算。单路连接导线的失效率为0．1，本测量线路中共有9路连接导线，所以：λ4=9×0．1=0．9。

（6）信号处理模块可靠性计算。（位于防淹门控制室的控制箱内）。芯片的工作失效率模型为：

λ5=πQ5[C1πT5πV5＋ (C2＋ C3)πE5]πL5

其中，质量系数πQ5=1；温度系数πT5=4．83；电压应力系数πV5=1；环境系数πE5=32；结构成熟系 数 πL5=1；C1=1．765；C2=0．132； 封 装 系 数 C3=0．1194。

λ5=1×[1．76×4．83×1 ＋ (0．132 ＋ 0．1194)×32]×1=16．5456。

4 防淹门系统基本可靠度计算

防淹门系统总体的失效率为：

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5=28．1026。

其平均无故障工作时间为：MTFF=1/λ=1/（28．1026×10-6）≈ 35584 h

可知，其维保间隔约为35584小时。

4年为一个维保周期。

5 结语

本文所使用的可靠性框图分析法，限于失效率计算时参数选定的取值有一个范围，不同的计算者结果会有一定差距，假若恰逢参数误差同向累计，最终的结果可能相差较大。比较马尔科夫模型的分析过程，精度也较低，地铁防淹门系统为防备计算MTFF大于实际，可在车站控制室内附加了系统灵敏度检测电路，值班人员可定期对传感器灵敏度、门体启动机构灵敏度进行检测，对自我诊断已检测到的失效单元，及时予以修复，以防止系统失效而未报警。

[1]包薇．可靠性分析技术-可靠性框图（RBD）[J]．家用电器科技，2002，（4）：19-23．

[2]GB/T 29307-2012, 电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法[S]．2013，6（01）．

[3]可靠性设计大全[M]．北京，中国标准出版社，2006．