高速动车组列车齿轮箱的故障树分析

高速动车组列车齿轮箱的故障树分析

王维易

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段 北京 102600

摘要：随着社会经济水平的飞速发展，高速动车组列车逐渐成为人们生活中最常见的交通工具之一。高速动车的动力系统在运行的过程中，齿轮箱故障是造成的动车运行安全故障的主要问题。在分析高速动车组列车齿轮箱过重的过程中，要根据不同的故障模式建立故障树的模型，通过数据库进行定性定量分析，对消除动车运行安全问题有很大帮助。因此，本文将系统性地介绍高速动车组列车齿轮箱故障树的基本概念，讨论故障树的构建和分析仿真。

关键词：高速动车；齿轮箱；故障树

引言：

我国对高速铁路等基础交通建设的重视程度不断加强，高速动车的运行安全问题关系到每一位乘客。在国家相关的高速动车运行安全管理标准中，对列车的相关故障评估分析有一定的规范，但仍然缺少完整的分析流程规定。高速动车组列车齿轮箱是动力系统的重要部分，研究者们通过建立故障数据可故障树模型，能够对高铁系统的安全稳定性进行必要的评估，是目前定位高速动车组列车齿轮箱故障点、分析零件重要性的主要方法。

高速动车组列车齿轮箱故障树的构建

高速动车组列车是目前人们出行最经常选择的一种交通工具，为了提高其运行的稳定性和安全性，对发生动力故障的车组进行快速排除定位和维修，需要通过数据库分析和建立故障树模型的方式。故障树是一种将车组故障事件通过逻辑关系排列出的图示。在故障树模型中可以根据时间的因果快速定位故障零件^[1]。

齿轮箱故障树建立

高速动车的动力驱动系统在运行过程中涉及的零件有很多，在构建故障树时主要可以分为两个方面。首先，要根据齿轮箱的轴承系统中主要的失效模式进行分析，辨别齿轮箱故障属于什么类型。齿轮在运行过程中如果出现了发热或振动的情况，说明齿轮运行时间过长，轴承连接的位置出现了松动。此时要将零件拆除进行更换，不能再继续使用。如果齿轮箱的润滑系统因为润滑剂缺失导致的轴承转动不畅或出现跳动，应当及时进行处理，否则会给设备带来严重损坏^[2]。其次，根据齿轮箱的失效模式可以完善和建立故障树模型并进行分析。在高速动车组列车中，故障来源不是某一辆动车，而是动车车组中的某个连接部件的功能溶于给整个车组带来的问题。在建立模型的过程中要分组分情况，并寻找树状图之间的关联性，快速定位故障点和故障情况。

故障边界条件的确定

对故障系统边界分析模型的建立和边界条件的确定能够及时发现并解决车组的齿轮箱故障问题。首先，在由8辆车组成的高速动车组列中，超过3辆动车的制动问题发生故障后才会在车组运行的速度变化中找到问题。车辆制动时会合轮轴之间发生较大的摩擦，紧急制动带来了力量变化十分迅速，会引起乘客摔伤等安全问题。经过数据库对比分析发现，高速动车组列车的制动极限为0.75m/s³。其次，高速动车组列车的防滑功能需要依靠安装车轴防滑阀来实现，8辆次的车组需要安装32个防滑阀同时工作^[3]。防滑阀失效会引发车辆的动力系统产生问题，导致车轴的受力增大，影响列车组整体的运行安全。最后，在高速动车组列车中还存在一些其他的边界条件，如清洁制动中车辆需要施加70kPa的压力，车辆停放时需要有4节车辆安装控制装置等。

高速动车组列车齿轮箱故障树的分析

最小割集

最小割集的概念是指，将高速动车组列车齿轮箱中会造成运行安全故障的事件进行依次罗列，将其中阶数最小的一组作为标准值，即一阶，在此基础上分析出二阶和其他的更高阶。在不同阶数表中反复出现的某个齿轮箱故障可以认定为是最小割集列表中的故障点位置。

定性分析

高速动车组列车齿轮箱故障树的定性分析是一种预判环节，主要是通过定性分析快速找到故障系统中可能存在问题的部分，以便更有针对性地展开故障定位和判断。故障树的定性分析和确定最小割集之间有十分密切的联系，在故障树模型中，可能发生故障的事件相互存在“或”的关系，根据布尔运算理论可以判断出故障树中涉及的所有基本事件，并将其认定为一个最小割集，那么该车族系统可能发生的故障模式数量就和最小割集的数量相等^[4]。

定量分析

高速动车组列车齿轮箱故障树的定量分析主要是指通过对故障树中涉及事件的平均寿命计算的过程。在定量分析的过程中，要根据已经可测得的基础数据，联系故障树模型中数据的最小割集，计算出平均寿命数值。高速动车组列车齿轮箱故障树定量计算中涉及的基础数据内容很多，包括车辆的运行时间、故障发生的时间区间、列车组动力系统的功率输出。由于车辆运行的时间较长，计算制动输出的数据点也很多，依靠最小割集分析能够缩小计算范围。

计算机仿真分析

由于一些高速动车组列车的零件众多，通过人工的方式进行建模分析工作量较大，一般使用计算机来进行仿真分析，提高工作效率。计算机仿真技术的主要原理是，对输入的基础事件数据进行反复仿真，以最大的工作时间来分析系统，找到仿真结果中包含基础事件最多、平均寿命最低的零件，这个零件就是出现故障概率最高的部分，动车维修人员可以根据仿真结果快速找到故障零件进行维修处理。计算机仿真结果中还有一项可靠性分析，是根据故障数据库录入的历史数据进行对比，判断出此次仿真分析结果的可靠性，数值一般在0.66-0.73之间被认定为有效。

结束语

总之，高速动车在运行过程中的安全问题十分重要，齿轮箱是动车动力系统中的元件之一，对齿轮箱的故障分析有一定的现实意义。研究者们针对高速动车组列车齿轮箱相关状态的分析，构建了故障树的分析方式，可以通过计算机仿真模拟的方式对其进行分析，对比数据库中的数据，能够有效提高齿轮箱工作的稳定性。这种综合分析故障的方式能够快速定位故障点，节约维修时间，为高速动车的平稳运行提供支持。

参考文献：

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