全自动车钩机械安全等级评估与优化

【摘  要】全自动车钩是地铁车辆的重要部件，是连接车体、接通电气路、实现车体连挂和信号控制的关键部件，直接影响地铁车辆运行的可靠性、可控性、平稳性和舒适安全性。安全性分析作为确保系统安全性的重要手段，对全自动车钩的设计、制造、运营、维护都具有重要意义。本文将基于项目需求，对全自动车钩进行功能分解以及结构分析，结合FMEA与FTA方法进行定性与定量评估，说明全自动车钩进行安全分析的必要性。

【关键词】全自动车钩；功能分解；安全性；

1 前 言

近年来，地铁列车运行速度不断提高、载客量不断上升，车辆连挂速度、出车率也在不断提高，全自动车钩同时具备机械、电气、气路自动连接功能，且在司机室就可控制完成解钩与连挂等操作的车钩缓冲装置。[1]然而对于传统的性能检测、电气性能检测，现有的方式只能对机械部分进行连挂检测，无法进行机械连挂程度、电气线缆通断、信号控制是否正常，以及车钩装车后的整车机械、电气、信号性能检测，这些不可靠性将会遗留在列车运行阶，造成非常大的安全及运营隐患，这些方法已经不能满足全自动车钩的安全要求。例如在大连地铁5号线中，由于车辆长时间运动振动，导致车钩安装吊挂系统发生偏移；在郑州地铁2号线地铁车辆全自动车钩连挂试验时，出现多起按下解钩按钮后电子钩顺利分开，而机械钩未顺利解开的故障[2]。因此，各新造车辆应对车钩的安全性要求也应进一步提高。

本文将从项目需求分析入手，结合功能分解与量化评估，以全自动车钩为例，梳理对全自动车钩的功能要求，从正向设计出发，分析满足功能的系统组成，对全自动车钩进行功能分解及安全性分析，最终依据既有项目以及供应商提供的车钩故障率进行最终失效率的确定，对照安全完整性等级要求说明安全性分析的必要性。

2 全自动车钩需求分析

根据项目要求明确全自动车钩的应用场景、性能要求、安全标准以及用户特殊需求，全自动车钩的核心需求功能实现车辆之间的自动连接和分离，同时确保机械、气路和电路的自动联挂和解钩。具体包括：

自动连接：当两辆车靠近时，全自动车钩能够自动对准并连接，实现车辆的自动机械连挂、自动气路连挂、自动电路连挂，确保信号和能源的传输。

自动解钩：在需要分离车辆时，全自动车钩可以通过司机室的控制或手动操作实现自动解钩，可在紧急操作台操作，实现自动气动解钩；如气动有故障，可用手动解钩。

吸能缓冲：全自动车钩通常配备有缓冲装置，以减少车辆连接和分离时的冲击和振动。

自动对中：通过机械或气动方式，自动调节车钩的位置，使其保持在对中状态，从而确保牵引车和挂车之间的连接稳定、安全。

安装连接：保证全自动车钩的各部件之间能够进行紧密连接，并且能够安装在车体结构上。

为实现上述需求，建立需求-功能关系矩阵，以此确定车钩的关键功能，如下表所示：

通过矩阵形式，系统地分析每个需求对应的产品功能，跟踪需求到产品实现的实施过程，能够有效指导产品的设计和研发，优化资源配置，降低研发成本。

3 全自动车钩系统功能及结构

根据需求要求设计全自动车钩系统的架构和功能方案。包括采用冗余设计、安全监控等措施来提高系统的安全完整性。同时，对关键组件进行选型、测试和验证以确保其满足功能安全要求。

将全自动车钩主要功能进一步分解为更具体的子功能或组件。这个分解过程应该是层次化的，以便能够清晰地理解每个子功能如何支持上一级功能。功能分解过程如下：

①功能识别：确定系统完成的基本功能、从属功能、安全保护功能、服务等功能等；

②功能分解：将功能分解到复杂程度较低的子功能以及层级更低的功能元（需要多层级分解）；

③确定功能元：功能分解到LRU/SRU，定位功能元对应的部件（可能是多个部件）。

其次，依据FMECA分析进行逆向功能归类，具体步骤如下：

④系统识别：确定分析的对象；

⑤结构分解：将产品结构分成子部件，可参考BOM分解到LRU/SRU；

⑥部件功能：确定部件的功能，可以理解为部件通过某种行为来实现什么功能，例如压溃管是吸收碰撞过程中产生的过载力，传递牵引力和压力；

⑦功能元归类：根据部件功能确定功能元，将功能元与上述功能检验对应。

全自动车钩功能分解如图1所示，全自动车钩基本功能是实现连挂与解钩功能，连挂功能是由机械、气路、电气三种功能实现两列车电气线路的自动连挂和。解钩时，按下自动解钩按钮或者人工扳动解钩手柄，控制机械车钩钩舌等机构顺时针旋转到全开位，两车钩分离后在拉簧的作用下，钩舌等机构回到待连挂位。附加功能包括调节功能、固定连接功能等，保证车钩稳定安装在车体上以及车辆运行转弯时提供回复力。安全保护功能中过载保护功能除了保证钩缓装置受到的冲击载荷力时，与车体牵引梁分离，车钩头向后方退行实现过载功能外，还有缓冲功能保证钩缓装置能够具备缓冲作用。

基于上述功能分解到子功能元，需要确定各子功能元的实现方式，将系统划分若干模块，每一个模块对应一组功能元，最终形成清晰的结构体系，如图2所示。全自动车钩由机械车钩、电气车钩、压溃装置、缓冲系统、安装吊挂系统、连接卡环、风管连接器、推送机构、气路控制系统、接地系统、车钩安装紧固件（与车体）等部件组成。

4 安全评估

4.1定性分析

故障模式与影响分析（FMEA）是确认识别产品各子系统、组件、零部件存在的潜在危险，分析其产生的原因、影响，根据风险水平矩阵确定其风险水平，对每个子功能和部件进行风险分析，识别可能导致功能失效的潜在因素，包括硬件故障、软件错误、人为因素等。结合功能分解的结果，识别各种故障模式及其对系统安全性能的影响。分析过程如下图3所示：

4.2定量分析

通过定性分析筛选的最严重的功能失效情况，确定分析顶事件，根据量化风险评估，分析出导致安全性顶事件发生的概率和割集，为设计方案选择、元件选型及措施制定提供依据。常用的方法为故障树（FTA）分析方法。以运营中意外脱钩为例，脱钩是风险影响最严重的功能失效，需要对此进行定量计算分析，确保此事件不会发生，列出可能导致这一事故的所有关键部件并考虑可能的故障模式。构建全自动车钩脱钩/断裂故障树，根据供应商数据进行定量计算，如图4所示，FTA定量分析的目的是在底事件相互独立和已知其发生概率的条件下，计算底事件重要度和顶事件发生概率等定量指标。通过定量分析主要得到顶事件发生概率，通过输入每个底事件的参数计算得到顶事件的故障频率，计算结果为1.67E-05/h。

由此可见，对于运营过程中全自动车钩脱钩事件的发生概率还是不容小觑，尽管机械系统无需符合SIL等级，但其失效可能导致车钩意外分离、信号中断等严重后果。以德国铁路ET 422标准为例，明确要求车钩连挂系统需通过PL认证，证明机械安全完整性分析与电子系统同等重要。目前全自动车钩故障率（1.67E-5/次）超出机械安全目标（PL=d，PFH≤1E-6/h）在后续设计上应该加强安全性设计，提高维护频率，保证全自动车钩的安全使用。

参 考 文 献：

吴英帅.全自动车钩电气系统在城轨车辆上的应用[J].铁道机车车辆，2008.

朱建国.全自动车钩连挂故障原因分析与探讨[J].电力机车与城轨车辆，2017-03-17 17：49.