軌道扣件失效故障樹(shù)分析方法研究*

李文豪 王安斌 高曉剛

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 上海 201620)

0 引 言

扣件是軌道重要組成部件，是鋼軌與軌枕聯(lián)結(jié)的關(guān)鍵，起到固定鋼軌正確位置的作用[1].扣件的工作狀態(tài)，影響著軌道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和行車安全性，預(yù)防扣件失效的基礎(chǔ)是要找出導(dǎo)致扣件失效的主要因素.羅曉勇[2]分析研究Ⅲ型扣件扣壓力與彈程、硬度和殘余變形之間的關(guān)系.得出彈程一定時(shí)，在荷載作用下，隨著硬度的增大，彈條扣壓力增大，其塑性和韌性下降，彈條最大應(yīng)力在彈條跟端圓弧處，此處易發(fā)生斷裂的結(jié)論.杜茂金[3]認(rèn)為DT Ⅵ2型扣件彈條折斷發(fā)生在荷載超過(guò)彈條強(qiáng)度，變形超過(guò)彈條彈程時(shí).該事件發(fā)生的主要原因是鋼軌波浪型磨耗使鋼軌產(chǎn)生高頻振動(dòng).齊少軒等[4]認(rèn)為絕緣橡膠墊在列車荷載作用下被壓裂是由于錨固螺栓扣壓力過(guò)大且絕緣橡膠墊材質(zhì)的抗老化性能較差造成的.目前對(duì)于扣件失效的研究大都是針對(duì)扣件某一部件開(kāi)展的，而基于扣件整體分析導(dǎo)致扣件失效因素的研究較少.因此，提出了一種采用故障樹(shù)分析法從整體去分析扣件失效的主要因素.

該方法以w型扣件失效作為頂事件, 以可能導(dǎo)致扣件失效發(fā)生的因素為底事件,建立扣件失效故障樹(shù)模型；對(duì)所建故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，求出所有最小割集；基于最小割集得到底事件重要度排序，找出導(dǎo)致扣件失效主要因素.為扣件檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)維修提供指導(dǎo)依據(jù)，對(duì)縮減維護(hù)成本、預(yù)防事故發(fā)生具有重要意義.

1 扣件失效

1.1 扣件常見(jiàn)失效類型

扣件常見(jiàn)失效大體上有七類，分別為：彈條失效、T型螺栓失效、軌距塊失效、軌下墊板失效、錨固螺栓失效及絕緣緩沖墊板失效.彈條失效表現(xiàn)為彈條斷裂、彈條銹蝕等；螺栓失效表現(xiàn)為螺栓斷裂、螺栓松動(dòng)等；軌下墊板失效表現(xiàn)為軌下膠墊竄出、軌下膠墊壓潰，等等.在某地鐵線路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，e型扣件鐵墊板在鐵墊板凸臺(tái)與絕緣塊的交接處出現(xiàn)裂紋；在國(guó)內(nèi)某線上發(fā)現(xiàn)福斯羅300型扣件主要傷損類型是彈條部件的損傷；在上海某地鐵線路發(fā)現(xiàn)，w型扣件絕緣塊有損壞現(xiàn)象；在某地鐵線路鋪設(shè)的軌道減振器存在橡膠層和墊板之間開(kāi)裂的現(xiàn)象；在國(guó)內(nèi)某地鐵區(qū)段調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在其下行線有軌下墊板竄出的現(xiàn)象發(fā)生.扣件常見(jiàn)失效以彈條斷裂事故所占比例最大.

1.2 w型扣件的組成

w型扣件由彈條、絕緣塊、鐵墊板、軌下墊板、T型螺栓、螺母、平墊圈、絕緣緩沖墊板、重型彈簧墊圈、平墊塊、錨固螺栓，以及預(yù)埋套管等組成[5].彈條具備足夠的彈性和扣壓力，以保證鋼軌的幾何形位；T型螺栓為彈條提供預(yù)壓力，保證鋼軌、軌下墊板與鐵墊板間的連接；絕緣塊用來(lái)調(diào)整一定軌距，有絕緣作用；錨固螺栓有效的保證鐵墊板等部件緊密連接，提供一定的縱橫向阻力；絕緣緩沖墊板是緩沖輪軌間的振動(dòng)沖擊作用，減少鐵墊板與承軌臺(tái)間的剛性接觸.w型扣件各零部件的布置圖見(jiàn)圖1.

圖1 w型扣件各零部件布置示意圖

2 w型扣件的故障樹(shù)模型

故障樹(shù)分析方法是以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件作為分析的目標(biāo)(即頂事件)，找出系統(tǒng)中可能發(fā)生的部件失效、人為失誤等因素(各底事件)與系統(tǒng)失效之間的邏輯聯(lián)系，最后用倒立的樹(shù)狀圖表示出來(lái)[6-8].w型扣件故障樹(shù)建立劃定的邊界原則是:①不考慮泥石流、地震、爆炸等破壞性事件對(duì)鐵路w型扣件失效的影響;②不考慮高寒地區(qū)、沿海地區(qū)對(duì)系統(tǒng)失效的影響;③去掉對(duì)系統(tǒng)影響不大的邏輯事件,抓住重點(diǎn),盡量簡(jiǎn)化,以便定性分析.

2.1 w型扣件的失效因子

失效因子的確定對(duì)故障樹(shù)中的各個(gè)中間事件之間的邏輯關(guān)系有直接影響[9].依據(jù)實(shí)地考察和查閱相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)出失效因子，見(jiàn)表1.

表1 w型扣件的失效因子

2.2 w型扣件失效故障樹(shù)

在故障樹(shù)分析中，系統(tǒng)是指能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能的零部件構(gòu)成的整體.那么在故障樹(shù)分析中，便不是對(duì)扣件每個(gè)零部件進(jìn)行分析，因此扣件根據(jù)模塊化理論進(jìn)行劃分，分為七個(gè)組成部分：彈條、T型螺栓、軌距塊、軌下墊板、錨固螺栓及絕緣緩沖墊板[10-11].

以w型扣件失效為頂事件，失效因子總結(jié)了包含七個(gè)組成部分等中間事件及底事件，建立的故障樹(shù)見(jiàn)圖2.

圖2 w型扣件失效故障樹(shù)模型

3 故障樹(shù)定性分析

3.1 最小割集

在故障樹(shù)中，最小割集是使頂事件發(fā)生的集合，該集合由一個(gè)或多個(gè)底事件組成，若高階最小割集中所有底事件均發(fā)生，則故障發(fā)生.本文運(yùn)用上行法對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析.

自下而上寫(xiě)出各底事件的邏輯表達(dá)式

M1=x2+x3+x4;M2=x5×x6;M3=x7+x8;

M4=M1×x1;M5=M2+M3;M6=x5×x22;

Lapinska等[28]應(yīng)用HDACI聯(lián)合鈣蛋白酶抑制劑作用于卵巢癌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)受到明顯抑制，且聯(lián)合方案中藥物的有效劑量明顯低于每種藥物單獨(dú)使用時(shí)的劑量。實(shí)驗(yàn)采用兩種結(jié)構(gòu)不同的HDACI(SAHA和丁酸鈉)分別聯(lián)合鈣蛋白酶抑制劑發(fā)現(xiàn)，本來(lái)沉默的腫瘤抑制基因ARHI、p21和視黃酸受體β2基因在聯(lián)合治療后被重新表達(dá)，并且不同程度地抑制胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶及Akt的磷酸化，并不同程度地誘導(dǎo)細(xì)胞周期停止、細(xì)胞自噬及凋亡。

M7=M4×M5;M8=x9+x10+x11;

M9=x8+x13;M10=x5×x14;M11=x21+M6;

M12=M7+M8;M13=M9+x12;M14=x9×M10;

M15=x13+x15;M16=x1×x16;

M17=x9×x17;M18=x9×x18;

M19=x19+x20;M20=x9×M11;

M21=x23+x24;M22=x9×x26;

M23=M12+M13;M24=M14+M15;

M27=M20+M21;M28=x25+M22;

T=M23+M24+M25+M26+M27+M28

運(yùn)用事件邏輯運(yùn)算中的冪等律將上述表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)化，再運(yùn)用吸收律得出頂事件的表達(dá)式為

T=x1×x6+x1×x2×x5×x6+x1×x2×

x7+x1×x3×x5×x6+x1×x3×x7+x1×

x4×x5×x6+x1×x4×x7+x8+x9+x10+

x11+x12+x13+x15+x19+x20+x23+x24+x25

由上述求解過(guò)程可知w型扣件失效故障樹(shù)模型的最小割集見(jiàn)表2.

表2 最小割集統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得出致使w型扣件失效發(fā)生的最小割集有三種類型：12個(gè)一階最小割集，1個(gè)二階最小割集，3個(gè)三階最小割集，3個(gè)四階最小割集共有19個(gè).在這些割集中，任何一個(gè)割集發(fā)生都可以致使頂事件的發(fā)生.例如，X12的發(fā)生意味著彈條殘余變形過(guò)大，使得彈條扣壓力不足，即彈條失效，進(jìn)而導(dǎo)致扣件失效；X1×X4×X7的發(fā)生意味著在不均勻沉降路段，安裝預(yù)緊力過(guò)大，造成彈條應(yīng)力集中，在車輛荷載作用下，彈條就容易斷裂，導(dǎo)致彈條失效，從而引起扣件失效.

3.2 底事件的結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度有兩種分析方法：①按結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)由大到小排序，需計(jì)算出各底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；②根據(jù)最小割集近似判斷各底事件的結(jié)構(gòu)重要度大小，進(jìn)行排序.結(jié)構(gòu)重要度越大，則其對(duì)頂事件的影響就越大.

本文基于所求最小割集，采用最小割集判斷系數(shù)的方法對(duì)底事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序，即

(1)

式中：I(i)為底事件xi的結(jié)構(gòu)重要度的近似判別值；xi(Kj為底事件xi屬于最小割集Kj；nj為底事件xi所在最小割集Kj中所含有的底事件個(gè)數(shù)[12-13].

由式(1)對(duì)w型扣件失效故障樹(shù)的底事件結(jié)構(gòu)重要度大小進(jìn)行排序?yàn)?/p>

I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=

I(13)=I(15)=I(19)=I(20)=I(23)=

I(24)=I(25)>I(1)>I(7)>I(16)>

I(2)=I(3)=I(4)>I(5)=I(6)

由式(1)可得,彈條偏轉(zhuǎn)、彈條殘余變形過(guò)大、預(yù)緊力不足、安裝應(yīng)力集中等底事件的結(jié)構(gòu)重要度為1.00.這說(shuō)明只要此類底事件發(fā)生便會(huì)導(dǎo)致w型扣件失效.其故障主要集中在由預(yù)緊力不足、安裝應(yīng)力集中等促使彈條斷裂導(dǎo)致扣件失效.

4 結(jié) 論

1) 運(yùn)用故障樹(shù)分析法對(duì)導(dǎo)致w型扣件失效的主要原因進(jìn)行歸納總結(jié)，建立了扣件失效故障樹(shù)，且該故障樹(shù)由17個(gè)邏輯或門(mén)和11個(gè)邏輯與門(mén)，27個(gè)中間事件，26個(gè)底事件組成.

2) 運(yùn)用上行法對(duì)w型扣件失效故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，在故障樹(shù)中劃分出扣件的最小割集19個(gè).通過(guò)定性分析得出預(yù)緊力不足、安裝應(yīng)力集中等促使彈條斷裂是導(dǎo)致扣件失效的主要因素.

3) 通過(guò)對(duì)w型扣件失效故障樹(shù)底事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析比較，為扣件檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)維修提供了指導(dǎo)方向.