机车紧急制动功能的ETF分析

引言

随着自主化机车制动技术的快速发展,自主化制动系统产品装车上线运行的数量也逐步增加,产品的安全性需要有科学的方法和手段来进行评估管控。为评估机车紧急制动功能风险,对紧急制动功能采用事件树分析与故障树分析相结合的综合分析法(ETF）,逐层找出故障事件必要而充分的直接原因,给出产品的改进建议。

本文利用ETF方法评估某型机车紧急制动的风险水平,根据机车紧急制动功能原理建造事件树和故障树进行分析,计算各后果事件的概率,并进行风险评估。

1事件树分析

机车在运行过程中,由于某些紧急情况常用制动不足以保证行车安全,司机此时会采取紧急制动措施确保机车能安全停下来,一般是操作人员通过制动控制器触发紧急制动,若紧急制动不发生,操作人员触发紧急制动按钮紧急制动,若上述两种措施都不产生紧急制动,则操作人员拉紧急制动阀进行紧急制动。根据上述原理分析,建造机车紧急制动功能事件树如下:

1.1确定初因事件

根据可能引发机车制动故障安全性后果的内部故障或外部事件,确定机车初因事件为"常用制动不上闸"。

1.2确定后续事件

初因事件确定后,再对各安全环节进行分析,以确定后续事件:（1）制动控制器触发紧急制动故障:（2）紧急制动按钮触发紧急制动故障:（3）紧急制动阀触发紧急制动故障。

1.3确定后果事件

假设"某型机车紧急制动故障"引起的后果事件如表1所示。

1.4建造某型机车紧急制动故障的事件树

某型机车紧急制动故障的事件树如图1所示。

2故障树分析

机车紧急制动功能故障树顶事件计算需要底事件的数据,统计在线1000套机车制动机累计运行23360000h的数据,结果表明机车紧急制动功能出现的故障很少且为偶发故障,可假设其为指数分布。各部件的故障率通过以下两种计算方式获得:

（1）若机车紧急制动故障树底事件的概率中有部分部件出现了故障,统计其故障率为A=故障数/部件运用时间。

（2）若机车紧急制动故障树底事件的概率中有部分部件无故障出现,通过指数分布下的无故障数据分析故障率。参考《可靠性数据分析》[2]关于指数分布下的无故障数据分析,指数分布时无故障数据的平均寿命④的最优置信下限为:

通过这两种方法获得的机车紧急制动底事件数据如表2所示。

对图1所示的事件树,进一步分析初因事件T0和后续事件T1、T2、T3的原因,如表3所示,进而建造相应的故障树,如图2、图3、图4和图5所示。

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对于常用制动不上闸的故障树T0,由上行法求T0最小割集:

由于最小割集发生概率较低,两个割集之间是相互独立的,即两个以上割集同时发生的情况忽略不计。参考《RMs型号可靠性维修性保障性技术规范》,顶事件T0发生的概率用下列公式计算:

式中,P(T）为顶事件发生概率:P(Ki）为第i个最小割集的发生概率:N(Ki）为最小割集数。

根据表2的底事件数据,可得:

对于制动控制器触发紧急制动故障的故障树71,求71最小割集,具体如下:

(1）故障树的最下一级为:

(2）往上一级为:

由于最小割集发生概率很小,零部件的可靠度比较高,精确概率计算公式中起主要作用的是首项及第二项,参考《RMS型号可靠性维修性保障性技术规范》,顶事件T1发生的概率用下列公式计算:

式中,P(T）为顶事件发生概率:P(Ki）为第i个最小割集的发生概率:N为最小割集数。

根据表2的底事件数据计算,可得:

对于紧急制动按钮触发紧急制动故障的故障树T2,由上行法求T2最小割集,具体如下:

(1）故障树的最下一级为:

(2）往上一级为:

顶事件72发生的概率用公式(3）计算,根据表2的底事件数据计算,可得:

对于紧急制动阀触发紧急制动故障的故障树73,由上行法求73最小割集,具体如下:

(1）故障树的最下一级为:

(2）往上一级为:

顶事件T3发生的概率用公式(3）计算,根据表2的底事件数据计算,可得:

在建造ETFT后,绘制"机车紧急制动故障"的ETF分析图,如图6所示。T0T1T2和T3分别表示初因事件和后续事件的故障树:P1P2P3和P4分别表示初因事件和后续事件发生的概率。

3后果事件的概率

根据图6的ETF分析图,结合和谐型电力机车C5修修程周期(以先到为准）100×(1±10%）万km,不超过6年,假设部件运行了6年时间,计算C1、C2C3和C4发生的概率:

4风险评估

评价后果事件的风险,应对每一个后果事件进行风险评估。后果事件的风险R定义为该事件的发生概率和其损失值的乘积:

式中,R为后果事件的风险值:P为单位事件内后果事件的发生概率:C为后果事件的损失值,如费用。

一般情况下,后果事件所造成的损失以费用来表示其损失值,以便计算出每个后果事件的风险值。经计算与整理,将所求的各种事件的损失(Ci）、概率(Pi）及风险(Ri）结果列为表4。

若所有后果事件的风险均不超过9800元(6年）,则系统及安全措施是可靠的,否则必须加强改进与补偿措施,并对有关安全设施重新进行可靠性分析或设计,直至满足要求为止。至于超出等风险多少范围就算不满足要求,这可在分析总结该系统过去的经验基础上,视具体情况而定。

5结语

本文介绍了机车紧急制动ETF方法分析,包括建造事件树分析、建造故障树分析和计算各后果事件概率。最后对机车紧急制动进行了风险评估,根据某型机车紧急制动故障引起的后果事件的假设,分析表明:若所有后果事件的风险均不超过9800元(6年）,系统及安全措施是可靠的,风险是可接受的。若在后续的机车紧急制动功能设计中发现其风险较高,则需要对其安全措施重新进行可靠性分析和设计。