轨道扣件失效故障树分析方法研究*

李文豪 王安斌 高晓刚

(上海工程技术大学城市轨道交通学院 上海 201620)

0 引 言

扣件是轨道重要组成部件，是钢轨与轨枕联结的关键，起到固定钢轨正确位置的作用[1].扣件的工作状态，影响着轨道整体结构的稳定性和行车安全性，预防扣件失效的基础是要找出导致扣件失效的主要因素.罗晓勇[2]分析研究Ⅲ型扣件扣压力与弹程、硬度和残余变形之间的关系.得出弹程一定时，在荷载作用下，随着硬度的增大，弹条扣压力增大，其塑性和韧性下降，弹条最大应力在弹条跟端圆弧处，此处易发生断裂的结论.杜茂金[3]认为DT Ⅵ2型扣件弹条折断发生在荷载超过弹条强度，变形超过弹条弹程时.该事件发生的主要原因是钢轨波浪型磨耗使钢轨产生高频振动.齐少轩等[4]认为绝缘橡胶垫在列车荷载作用下被压裂是由于锚固螺栓扣压力过大且绝缘橡胶垫材质的抗老化性能较差造成的.目前对于扣件失效的研究大都是针对扣件某一部件开展的，而基于扣件整体分析导致扣件失效因素的研究较少.因此，提出了一种采用故障树分析法从整体去分析扣件失效的主要因素.

该方法以w型扣件失效作为顶事件, 以可能导致扣件失效发生的因素为底事件,建立扣件失效故障树模型；对所建故障树进行定性分析，求出所有最小割集；基于最小割集得到底事件重要度排序，找出导致扣件失效主要因素.为扣件检测、养护维修提供指导依据，对缩减维护成本、预防事故发生具有重要意义.

1 扣件失效

1.1 扣件常见失效类型

扣件常见失效大体上有七类，分别为：弹条失效、T型螺栓失效、轨距块失效、轨下垫板失效、锚固螺栓失效及绝缘缓冲垫板失效.弹条失效表现为弹条断裂、弹条锈蚀等；螺栓失效表现为螺栓断裂、螺栓松动等；轨下垫板失效表现为轨下胶垫窜出、轨下胶垫压溃，等等.在某地铁线路现场调查发现，e型扣件铁垫板在铁垫板凸台与绝缘块的交接处出现裂纹；在国内某线上发现福斯罗300型扣件主要伤损类型是弹条部件的损伤；在上海某地铁线路发现，w型扣件绝缘块有损坏现象；在某地铁线路铺设的轨道减振器存在橡胶层和垫板之间开裂的现象；在国内某地铁区段调查发现，在其下行线有轨下垫板窜出的现象发生.扣件常见失效以弹条断裂事故所占比例最大.

1.2 w型扣件的组成

w型扣件由弹条、绝缘块、铁垫板、轨下垫板、T型螺栓、螺母、平垫圈、绝缘缓冲垫板、重型弹簧垫圈、平垫块、锚固螺栓，以及预埋套管等组成[5].弹条具备足够的弹性和扣压力，以保证钢轨的几何形位；T型螺栓为弹条提供预压力，保证钢轨、轨下垫板与铁垫板间的连接；绝缘块用来调整一定轨距，有绝缘作用；锚固螺栓有效的保证铁垫板等部件紧密连接，提供一定的纵横向阻力；绝缘缓冲垫板是缓冲轮轨间的振动冲击作用，减少铁垫板与承轨台间的刚性接触.w型扣件各零部件的布置图见图1.

图1 w型扣件各零部件布置示意图

2 w型扣件的故障树模型

故障树分析方法是以系统最不希望发生的事件作为分析的目标(即顶事件)，找出系统中可能发生的部件失效、人为失误等因素(各底事件)与系统失效之间的逻辑联系，最后用倒立的树状图表示出来[6-8].w型扣件故障树建立划定的边界原则是:①不考虑泥石流、地震、爆炸等破坏性事件对铁路w型扣件失效的影响;②不考虑高寒地区、沿海地区对系统失效的影响;③去掉对系统影响不大的逻辑事件,抓住重点,尽量简化,以便定性分析.

2.1 w型扣件的失效因子

失效因子的确定对故障树中的各个中间事件之间的逻辑关系有直接影响[9].依据实地考察和查阅相关资料统计出失效因子，见表1.

表1 w型扣件的失效因子

2.2 w型扣件失效故障树

在故障树分析中，系统是指能够实现相应功能的零部件构成的整体.那么在故障树分析中，便不是对扣件每个零部件进行分析，因此扣件根据模块化理论进行划分，分为七个组成部分：弹条、T型螺栓、轨距块、轨下垫板、锚固螺栓及绝缘缓冲垫板[10-11].

以w型扣件失效为顶事件，失效因子总结了包含七个组成部分等中间事件及底事件，建立的故障树见图2.

图2 w型扣件失效故障树模型

3 故障树定性分析

3.1 最小割集

在故障树中，最小割集是使顶事件发生的集合，该集合由一个或多个底事件组成，若高阶最小割集中所有底事件均发生，则故障发生.本文运用上行法对故障树进行定性分析.

自下而上写出各底事件的逻辑表达式

M1=x2+x3+x4;M2=x5×x6;M3=x7+x8;

M4=M1×x1;M5=M2+M3;M6=x5×x22;

Lapinska等[28]应用HDACI联合钙蛋白酶抑制剂作用于卵巢癌细胞的研究发现，肿瘤细胞生长受到明显抑制，且联合方案中药物的有效剂量明显低于每种药物单独使用时的剂量。实验采用两种结构不同的HDACI(SAHA和丁酸钠)分别联合钙蛋白酶抑制剂发现，本来沉默的肿瘤抑制基因ARHI、p21和视黄酸受体β2基因在联合治疗后被重新表达，并且不同程度地抑制胞外信号调节激酶及Akt的磷酸化，并不同程度地诱导细胞周期停止、细胞自噬及凋亡。

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

运用事件逻辑运算中的幂等律将上述表达式进行简化，再运用吸收律得出顶事件的表达式为

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

由上述求解过程可知w型扣件失效故障树模型的最小割集见表2.

表2 最小割集统计表

经过统计得出致使w型扣件失效发生的最小割集有三种类型：12个一阶最小割集，1个二阶最小割集，3个三阶最小割集，3个四阶最小割集共有19个.在这些割集中，任何一个割集发生都可以致使顶事件的发生.例如，X12的发生意味着弹条残余变形过大，使得弹条扣压力不足，即弹条失效，进而导致扣件失效；X1×X4×X7的发生意味着在不均匀沉降路段，安装预紧力过大，造成弹条应力集中，在车辆荷载作用下，弹条就容易断裂，导致弹条失效，从而引起扣件失效.

3.2 底事件的结构重要度分析

结构重要度有两种分析方法：①按结构重要度系数由大到小排序，需计算出各底事件的结构重要度系数；②根据最小割集近似判断各底事件的结构重要度大小，进行排序.结构重要度越大，则其对顶事件的影响就越大.

本文基于所求最小割集，采用最小割集判断系数的方法对底事件的结构重要度进行排序，即

(1)

式中：I(i)为底事件xi的结构重要度的近似判别值；xi(Kj为底事件xi属于最小割集Kj；nj为底事件xi所在最小割集Kj中所含有的底事件个数[12-13].

由式(1)对w型扣件失效故障树的底事件结构重要度大小进行排序为

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,弹条偏转、弹条残余变形过大、预紧力不足、安装应力集中等底事件的结构重要度为1.00.这说明只要此类底事件发生便会导致w型扣件失效.其故障主要集中在由预紧力不足、安装应力集中等促使弹条断裂导致扣件失效.

4 结 论

1) 运用故障树分析法对导致w型扣件失效的主要原因进行归纳总结，建立了扣件失效故障树，且该故障树由17个逻辑或门和11个逻辑与门，27个中间事件，26个底事件组成.

2) 运用上行法对w型扣件失效故障树进行定性分析，在故障树中划分出扣件的最小割集19个.通过定性分析得出预紧力不足、安装应力集中等促使弹条断裂是导致扣件失效的主要因素.

3) 通过对w型扣件失效故障树底事件的结构重要度进行分析比较，为扣件检测、养护维修提供了指导方向.