基于故障树分析法的高速铁路钢轨断裂机理分析 基于故障树分析法的高速铁路钢轨断裂机理分析
杨 凯1，2，瞿福林1，邱秀姣1，陈 嵘1，2
(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)
摘 要：依据国际铁路联盟和我国铁路标准中对钢轨伤损的分类，采用静态故障树的分析方法对高速铁路钢轨断裂的类型和原因进行总结和归纳。求出所有最小割集，底事件的重要度排序，据此得出：未及时更换钢轨和检测养护维修不及时为导致断轨的最主要原因；钢轨标记应力集中和轮轨接触应力过大为主要原因；钢轨强度偏低，曲线钢轨未润滑和未调边为重要原因。通过改进现有的钢轨检测、监测手段，提高铁路工人的业务素质，及时对钢轨进行养护维修，预防应力集中和接触应力过大，选取强度适宜的钢轨，对钢轨及时润滑和调边可在一定程度上减少断轨事故的发生。
关键词：高速铁路；故障树；断轨；最小割集
根据我国新修编的《中长期铁路网规划》，到2025年我国高速铁路里程将达到3.8万km左右。钢轨作为行车的基础，在众多因素的作用下会产生包括断裂在内的多种伤损形式[1-3]。找出导致钢轨断裂的主要因素是预防钢轨断裂的基础。李磊[2]将导致钢轨断裂的最主要因素归结为：钢轨的制造缺陷、钢轨的焊接缺陷、外界因素，冯宝锐[4]认为低温和焊缝在钢轨断裂事故的发生中起着比较显著的作用，于胜利[5]认为导致断轨产生的主要原因是钢轨自身因素和设备的管理不当。以上文献的研究存在断裂原因不够细化、原因处理没有区分，分析程序固化，没有突出断裂原因重要性差异，无法体现其对钢轨断裂的影响大小等不足。针对传统断裂原因分析方法的不足，根据文献[6]，提出了一种采用故障树分析[7-9]高速铁路钢轨断裂原因的方法。
该方法的主要研究思路是：以钢轨断裂作为顶事件，对钢轨断裂的原因进行总结归纳，建立故障树；利用故障树的定性分析，求出所有最小割集[10]，最小割集中组成单元的结构重要度排序；依据排序结果提供最重要的风险与最薄弱环节的完整信息，最终给出预防和改进建议。
1 故障树的建立
故障树的建立基于图形演绎法，将系统最不希望发生的事件—高速铁路钢轨断裂作为顶事件，应用逻辑演绎法分析找出导致顶事件发生的各种中间事件和底事件[11-12]，并用逻辑门[16]将各个事件连接，通过层层分析，建立起一个倒立的树状图。
1.1 拟解决的关键问题及边界条件的确定
在建立故障树的过程中需解决3个关键问题：中间事件依据什么标准进行分类；如何对各级中间事件进行归类，各事件之间的相互关系如何；底事件应细化到何种程度。
为了减少诊断过程中的开资和复杂性，在能满足分析要求的前提下应尽可能的少设诊断事件。考虑到现实中铁道运行情况，对于破坏性等低概率事件获取准确充分的失效证据是非常困难的。为尽可能准确找出导致钢轨断裂的潜在故障模式，故障树建立之前确定系统边界条件如下：
(1)不考虑桥上无缝线路钢轨断裂问题，仅考虑路基上的断轨问题；
(2)所有钢轨全部假定为60 kg/m钢轨；
(3)不考虑扣件阻力变化对钢轨断缝值的影响；
(4)不考虑地震、泥石流、爆炸等破坏性事件对高速铁路钢轨断裂问题的影响[11]。
1.2 各级事件的分类
本文依据文献[6]和文献[13]介绍的108种钢轨伤损，从中筛选出导致断轨的全部伤损原因，并将其归纳为中间事件和底事件。根据文献，确定如下4种一级中间事件，其余事件分类如表1～表3所示。
(1)钢轨全截面断裂；
(2)裂纹贯通整个轨头截面；
(3)裂纹贯通整个轨底截面；
表1 中间事件的分类及编号(一)
一级中间事件钢轨全截面断裂M1裂纹贯通整个轨头截面M2裂纹贯通整个轨底截面M3引起钢轨失效的严重掉块M4二级中间事件编号三级中间事件编号碾边处形成裂纹源横向疲劳断裂M5——轨腰表面裂纹M6钢轨制造缺陷M27全表面锈蚀M7——钢轨脆性断裂M8——焊补层表面裂纹、碎裂掉块和横向疲劳断裂M9——焊补层处轨头内部裂纹和横向疲劳断裂M10——接续线焊接部位表面裂纹和横向疲劳断裂M11——横向疲劳裂纹M28闪光焊、铝热焊和气压焊接头伤损M12轨腰裂纹M29脆性断裂M30轨距角处鱼鳞状剥离裂纹、掉块和疲劳断裂M13钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头踏面斜线状裂纹、局部凹陷和疲劳断裂M14钢轨接触疲劳强度偏低M31曲线下股轨头踏面剥离裂纹和浅层剥离掉块M15钢轨接触疲劳强度偏低M31钢轨踏面局部接触疲劳伤损M16钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头内部核伤M17纵横型核伤横裂型核伤M32M33轨头表面纵向裂纹M18钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头表面缺陷M19钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头下颚纵向水平裂纹M20钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头外伤M21——轨底表面缺陷M22钢轨接触疲劳强度偏低M31轨底锈蚀M23——轨端轨头纵向水平裂纹、碎裂掉块或揭盖M24——轨端踏面裂纹和碎裂掉块M25——螺栓孔裂纹M26钢轨接触疲劳强度偏低M31
表2 中间事件的分类及编号(二)
三级中间事件横向疲劳裂纹M28轨腰裂纹M29脆性断裂M30纵横型核伤M32横裂型核伤M33四级中间事件编号五级中间事件编号轨头内部核伤M34轨头下颚横向疲劳裂纹M35表面缺陷使应力集中M43轨底横向疲劳裂纹M36焊接缺陷M44轨腰纵向裂纹M37形成裂纹源M45闪光焊、气压焊的缺陷M38铝热焊的缺陷M39轮轨接触剪应力分布区存在缺陷M40钢轨存在冶金缺陷M41应力集中M42
表3 底事件编号
底事件编号底事件编号曲线上股钢轨轮轨接触摩擦力和侧向力过大X1轨底电极灼伤X34曲线下股钢轨接触应力过大X2轨腰推凸X35钢轨强度偏低X3气孔X36检测养护维修不及时X4冷却速度控制不当X37曲线钢轨未润滑和调边X5焊剂成分不稳定X38碾边出现后未及时打磨X6缩孔X39未及时更换钢轨X7钢轨轨头硬度偏低X40氧化皮X8钢轨轨头表面脱碳层较深X41轧痕X9轮轨接触应力过大X42划痕X10没有及时预防性打磨X43碰伤X11没有及时矫正打磨X44折叠X12沿轧制方向分布夹杂物X45钢轨标记处应力集中X13热处理钢轨轨头横截面存在硬度急剧变化X46检测养护维修不及时X14低倍夹杂X47铺设在有腐蚀作用的环境中X15白点X48运输有腐蚀作用的货物区间X16翻皮X49电锈蚀X17低倍组织缺陷X50动弯应力作用X18运输、铺设过程中表面碰撞X51运输、装卸、铺设、矫直和起道作业过程中,局部收到较大弯曲应力作用X19钢轨表面摩擦、打磨、电击、火焰加热等使表面形成热损伤X52表面缺陷处(碾边、擦伤)形成微裂纹并快速扩展X20车轮空转使轨头踏面擦伤X53内部缺陷(白点、成分偏析)处形成微裂纹并快速扩展X21车轮不圆顺而撞击钢轨使踏面出现周期性碰痕X54轨腰标记处应力集中形成微裂纹快速扩展X22车轮辗过道砟使钢轨踏面留下压痕X55外伤处形成微裂纹快速扩展X23轨底表面局部擦伤X56焊补前伤损处裂纹未完全清除X24轨端热处理钢轨硬化层深度不够X57未完全焊合X25轨端热处理钢轨硬化层硬度过度不均匀X58焊前预热不够X26硬化层局部形成马氏体组织X59灰斑X27螺栓孔未倒棱X60光斑X28局部冶金缺陷X61成分偏析X29螺栓孔锈蚀X62推凸飞边X30接头养护不良X63溢流飞边X31夹板松动X64打磨外伤X32轨腰中心成分偏析X65轨底角灰斑X33
(4)引起钢轨失效的严重掉块。
1.3 故障树的建立
根据表1～表3建立故障树如图1所示。
图中Di表示虚事件，无实际含义，只表示逻辑关系。
图1 高铁钢轨断裂故障树及子故障树图
2 故障树定性分析
2.1 最小割集
故障树定性分析[14]的目的在于找出所有可能导致高铁断轨事件的故障模式，也即求解出故障树的全部最小割集[15]，以便帮助指导故障诊断、辨明潜在风险、加强薄弱环节。
在故障树中，最小割集是能使顶事件发生的一些底事件的集合，若最小割集中某一底事件不发生，顶事件便不会发生。通常通过上行法和下行法求解最小割集。本文通过下行法求解最小割集。
上行法自上而下，顺次将上级事件换位下级事件，遇到与门时，将门的输入横向排列输出；遇到或门时，每个或门输入竖向串列写出，每个或门都引出一个割集；递归执行直至全部转换为底事件。求解结果见表4。
由表4可知：导致钢轨断裂发生的最小割集有3种类型：27个二阶最小割集，26个三阶最小割集，8个四阶最小割集。
最小割集在一定程度上表示系统危险性的大小，割集阶数(最小割集所包含的底事件个数)越大，其发生的可能性就越小。在分析高速铁路钢轨的断裂事件时，应首先考虑发生概率或危害性较大的小阶数最小割集。因此，27个二阶最小割集为高速铁路钢轨断裂系统中概率最大的潜在风险，其包含的底事件为该系统中的薄弱环节。
2.2 底事件结构重要度分析
在故障树中，不同地位的事件对顶事件的影响不同，某个底事件的结构重要度是指在不考虑其发生概率值的情况下，观察故障树的结构以决定该事件的位置重要程度。结构重要度越大，则其对顶事件影响越大，越应得到重视。
一般采用两种方法分析结构重要度：精确求出各个底事件的重要度系数；根据最小割集对各个底事件进行重要度排序。本文基于所求最小割集和文献[17]，采用第二种方法排出各个底事件重要度的顺序如下：
I7>I4>I42>I13>I3>I5=I65>I2=I18=I40=I41>I1=I6=I8=I9=I10=I11=I12=I63=I64>I15=I16=I17=I56=I57=I58=I59=I60=I61=I62
表4 最小割集统计
序号最小割集序号最小割集序号最小割集1X24,X722X50,X743X15,X18,X42X25,X723X51,X744X16,X18,X43X26,X724X52,X745X17,X18,X44X27,X725X53,X746X40,X42,X435X28,X726X54,X747X40,X42,X446X29,X727X55,X748X40,X42,X57X30,X728X1,X3,X549X41,X42,X438X31,X729X1,X3,X650X41,X42,X449X32,X730X2,X3,X551X41,X42,X510X33,X731X2,X3,X652X56,X42,X411X34,X732X2,X3,X753X57,X58,X5912X35,X733X8,X13,X454X13,X63,X65,X413X36,X734X8,X42,X455X13,X64,X65,X414X37,X735X9,X13,X456X60,X63,X65,X415X38,X736X9,X42,X457X60,X64,X65,X416X39,X737X10,X13,X458X61,X63,X65,X417X45,X738X10,X42,X459X61,X64,X65,X418X46,X739X11,X13,X460X62,X63,X65,X419X47,X740X11,X42,X461X62,X64,X65,X420X48,X741X12,X13,X462X15,X18,X421X49,X742X12,X42,X4
据此排序结果可知，底事件X7(未及时更换钢轨)和X4(检测养护维修不及时)的重要度最大，是导致钢轨断裂的最主要因素；底事件X13(钢轨标记处应力集中)、X42(轮轨接触应力过大)的重要性系数排序次之，是造成断轨的主要原因；同时底事件X3(钢轨强度偏低)，X5(曲线钢轨未润滑和调边)也对钢轨的断裂有着较大影响，是比较重要的原因，这些因素虽然不及养护维修重要，但是必须重视。
3 结论
(1)对导致钢轨断裂的主要原因进行了辨识和归纳，建立了钢轨断裂的故障树模型。
(2)在故障树的基础上，通过求解最小割集并对其分析可知，该系统的薄弱环节为28个二阶最小割集所包含的底事件。对61个最小割集所包含的底事件进行了结构重要度排序。
(3)未及时更换钢轨和检测养护维修不及时为导致断轨的最主要因素，钢轨标记应力集中和轮轨接触应力过大为导致断轨的主要因素，同时钢轨强度偏低，曲线钢轨未润滑和调边为导致断轨的重要因素。
(4)改进现有的钢轨检测、监测手段，提高铁路工务人员业务素质，及时对钢轨进行养护维修，预防应力集中，防止接触应力过大，选取强度适宜的钢轨，对钢轨及时润滑和调边可减少断轨事故的发生。
参考文献：
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Rail Breakage Mechanism Analysis of High Speed Railway Based on Fault Tree
YANG Kai1，2， QU Fu-lin1， QIU Xiu-jiao1， CHENG Rong1，2
(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031， China)
Abstract：According to the rail defects classification based on UIC Code and GB railway standards， types and causes of rail breakage are summarized through Static Fault Tree Analysis and the minimum cut sets and the relative importance of bottom events are determined. The results show that non-timely replacement of rail and inspection maintenance are the most primary causes of rail breakage; stress concentration and big contact stress are the main causes; low rail strength， non-timely lubrication and adjustment of edges are also major contributors. By improving testing and monitoring methods and workers’ efficiency， repairing the rail timely， preventing stress concentration and big contact stress， selecting suitable rails， lubricating rails and adjusting edges in a timely manner， rail accidents could be reduced.
Key words：High-speed railway; FTA; Rail breakage; Minimum cut set
文章编号：1004-2954(2017)04-0033-05
收稿日期：2016-07-11；
修回日期：2016-07-31
基金项目：铁道部科技计划重点项目(2012G013-A)；国家自然科学基金委高铁联合基金重点项目(U1234201)
作者简介：杨 凯(1990—)，男，博士研究生，主要研究方向：高速铁路线路工程，E-mail：[email protected]。
通讯作者：陈 嵘(1981—)，男，副教授，博士，博士生导师，主要研究方向：高速铁路线路工程，E-mail：[email protected]。
中图分类号：U238; U213.4+2
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.008
基于故障树分析法的高速铁路钢轨断裂机理分析 基于故障树分析法的高速铁路钢轨断裂机理分析
杨 凯1，2，瞿福林1，邱秀姣1，陈 嵘1，2
(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)
摘 要：依据国际铁路联盟和我国铁路标准中对钢轨伤损的分类，采用静态故障树的分析方法对高速铁路钢轨断裂的类型和原因进行总结和归纳。求出所有最小割集，底事件的重要度排序，据此得出：未及时更换钢轨和检测养护维修不及时为导致断轨的最主要原因；钢轨标记应力集中和轮轨接触应力过大为主要原因；钢轨强度偏低，曲线钢轨未润滑和未调边为重要原因。通过改进现有的钢轨检测、监测手段，提高铁路工人的业务素质，及时对钢轨进行养护维修，预防应力集中和接触应力过大，选取强度适宜的钢轨，对钢轨及时润滑和调边可在一定程度上减少断轨事故的发生。
关键词：高速铁路；故障树；断轨；最小割集
根据我国新修编的《中长期铁路网规划》，到2025年我国高速铁路里程将达到3.8万km左右。钢轨作为行车的基础，在众多因素的作用下会产生包括断裂在内的多种伤损形式[1-3]。找出导致钢轨断裂的主要因素是预防钢轨断裂的基础。李磊[2]将导致钢轨断裂的最主要因素归结为：钢轨的制造缺陷、钢轨的焊接缺陷、外界因素，冯宝锐[4]认为低温和焊缝在钢轨断裂事故的发生中起着比较显著的作用，于胜利[5]认为导致断轨产生的主要原因是钢轨自身因素和设备的管理不当。以上文献的研究存在断裂原因不够细化、原因处理没有区分，分析程序固化，没有突出断裂原因重要性差异，无法体现其对钢轨断裂的影响大小等不足。针对传统断裂原因分析方法的不足，根据文献[6]，提出了一种采用故障树分析[7-9]高速铁路钢轨断裂原因的方法。
该方法的主要研究思路是：以钢轨断裂作为顶事件，对钢轨断裂的原因进行总结归纳，建立故障树；利用故障树的定性分析，求出所有最小割集[10]，最小割集中组成单元的结构重要度排序；依据排序结果提供最重要的风险与最薄弱环节的完整信息，最终给出预防和改进建议。
1 故障树的建立
故障树的建立基于图形演绎法，将系统最不希望发生的事件—高速铁路钢轨断裂作为顶事件，应用逻辑演绎法分析找出导致顶事件发生的各种中间事件和底事件[11-12]，并用逻辑门[16]将各个事件连接，通过层层分析，建立起一个倒立的树状图。
1.1 拟解决的关键问题及边界条件的确定
在建立故障树的过程中需解决3个关键问题：中间事件依据什么标准进行分类；如何对各级中间事件进行归类，各事件之间的相互关系如何；底事件应细化到何种程度。
为了减少诊断过程中的开资和复杂性，在能满足分析要求的前提下应尽可能的少设诊断事件。考虑到现实中铁道运行情况，对于破坏性等低概率事件获取准确充分的失效证据是非常困难的。为尽可能准确找出导致钢轨断裂的潜在故障模式，故障树建立之前确定系统边界条件如下：
(1)不考虑桥上无缝线路钢轨断裂问题，仅考虑路基上的断轨问题；
(2)所有钢轨全部假定为60 kg/m钢轨；
(3)不考虑扣件阻力变化对钢轨断缝值的影响；
(4)不考虑地震、泥石流、爆炸等破坏性事件对高速铁路钢轨断裂问题的影响[11]。
1.2 各级事件的分类
本文依据文献[6]和文献[13]介绍的108种钢轨伤损，从中筛选出导致断轨的全部伤损原因，并将其归纳为中间事件和底事件。根据文献，确定如下4种一级中间事件，其余事件分类如表1～表3所示。
(1)钢轨全截面断裂；
(2)裂纹贯通整个轨头截面；
(3)裂纹贯通整个轨底截面；
表1 中间事件的分类及编号(一)
一级中间事件钢轨全截面断裂M1裂纹贯通整个轨头截面M2裂纹贯通整个轨底截面M3引起钢轨失效的严重掉块M4二级中间事件编号三级中间事件编号碾边处形成裂纹源横向疲劳断裂M5——轨腰表面裂纹M6钢轨制造缺陷M27全表面锈蚀M7——钢轨脆性断裂M8——焊补层表面裂纹、碎裂掉块和横向疲劳断裂M9——焊补层处轨头内部裂纹和横向疲劳断裂M10——接续线焊接部位表面裂纹和横向疲劳断裂M11——横向疲劳裂纹M28闪光焊、铝热焊和气压焊接头伤损M12轨腰裂纹M29脆性断裂M30轨距角处鱼鳞状剥离裂纹、掉块和疲劳断裂M13钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头踏面斜线状裂纹、局部凹陷和疲劳断裂M14钢轨接触疲劳强度偏低M31曲线下股轨头踏面剥离裂纹和浅层剥离掉块M15钢轨接触疲劳强度偏低M31钢轨踏面局部接触疲劳伤损M16钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头内部核伤M17纵横型核伤横裂型核伤M32M33轨头表面纵向裂纹M18钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头表面缺陷M19钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头下颚纵向水平裂纹M20钢轨接触疲劳强度偏低M31轨头外伤M21——轨底表面缺陷M22钢轨接触疲劳强度偏低M31轨底锈蚀M23——轨端轨头纵向水平裂纹、碎裂掉块或揭盖M24——轨端踏面裂纹和碎裂掉块M25——螺栓孔裂纹M26钢轨接触疲劳强度偏低M31
表2 中间事件的分类及编号(二)
三级中间事件横向疲劳裂纹M28轨腰裂纹M29脆性断裂M30纵横型核伤M32横裂型核伤M33四级中间事件编号五级中间事件编号轨头内部核伤M34轨头下颚横向疲劳裂纹M35表面缺陷使应力集中M43轨底横向疲劳裂纹M36焊接缺陷M44轨腰纵向裂纹M37形成裂纹源M45闪光焊、气压焊的缺陷M38铝热焊的缺陷M39轮轨接触剪应力分布区存在缺陷M40钢轨存在冶金缺陷M41应力集中M42
表3 底事件编号
底事件编号底事件编号曲线上股钢轨轮轨接触摩擦力和侧向力过大X1轨底电极灼伤X34曲线下股钢轨接触应力过大X2轨腰推凸X35钢轨强度偏低X3气孔X36检测养护维修不及时X4冷却速度控制不当X37曲线钢轨未润滑和调边X5焊剂成分不稳定X38碾边出现后未及时打磨X6缩孔X39未及时更换钢轨X7钢轨轨头硬度偏低X40氧化皮X8钢轨轨头表面脱碳层较深X41轧痕X9轮轨接触应力过大X42划痕X10没有及时预防性打磨X43碰伤X11没有及时矫正打磨X44折叠X12沿轧制方向分布夹杂物X45钢轨标记处应力集中X13热处理钢轨轨头横截面存在硬度急剧变化X46检测养护维修不及时X14低倍夹杂X47铺设在有腐蚀作用的环境中X15白点X48运输有腐蚀作用的货物区间X16翻皮X49电锈蚀X17低倍组织缺陷X50动弯应力作用X18运输、铺设过程中表面碰撞X51运输、装卸、铺设、矫直和起道作业过程中,局部收到较大弯曲应力作用X19钢轨表面摩擦、打磨、电击、火焰加热等使表面形成热损伤X52表面缺陷处(碾边、擦伤)形成微裂纹并快速扩展X20车轮空转使轨头踏面擦伤X53内部缺陷(白点、成分偏析)处形成微裂纹并快速扩展X21车轮不圆顺而撞击钢轨使踏面出现周期性碰痕X54轨腰标记处应力集中形成微裂纹快速扩展X22车轮辗过道砟使钢轨踏面留下压痕X55外伤处形成微裂纹快速扩展X23轨底表面局部擦伤X56焊补前伤损处裂纹未完全清除X24轨端热处理钢轨硬化层深度不够X57未完全焊合X25轨端热处理钢轨硬化层硬度过度不均匀X58焊前预热不够X26硬化层局部形成马氏体组织X59灰斑X27螺栓孔未倒棱X60光斑X28局部冶金缺陷X61成分偏析X29螺栓孔锈蚀X62推凸飞边X30接头养护不良X63溢流飞边X31夹板松动X64打磨外伤X32轨腰中心成分偏析X65轨底角灰斑X33
(4)引起钢轨失效的严重掉块。
1.3 故障树的建立
根据表1～表3建立故障树如图1所示。
图中Di表示虚事件，无实际含义，只表示逻辑关系。
图1 高铁钢轨断裂故障树及子故障树图
2 故障树定性分析
2.1 最小割集
故障树定性分析[14]的目的在于找出所有可能导致高铁断轨事件的故障模式，也即求解出故障树的全部最小割集[15]，以便帮助指导故障诊断、辨明潜在风险、加强薄弱环节。
在故障树中，最小割集是能使顶事件发生的一些底事件的集合，若最小割集中某一底事件不发生，顶事件便不会发生。通常通过上行法和下行法求解最小割集。本文通过下行法求解最小割集。
上行法自上而下，顺次将上级事件换位下级事件，遇到与门时，将门的输入横向排列输出；遇到或门时，每个或门输入竖向串列写出，每个或门都引出一个割集；递归执行直至全部转换为底事件。求解结果见表4。
由表4可知：导致钢轨断裂发生的最小割集有3种类型：27个二阶最小割集，26个三阶最小割集，8个四阶最小割集。
最小割集在一定程度上表示系统危险性的大小，割集阶数(最小割集所包含的底事件个数)越大，其发生的可能性就越小。在分析高速铁路钢轨的断裂事件时，应首先考虑发生概率或危害性较大的小阶数最小割集。因此，27个二阶最小割集为高速铁路钢轨断裂系统中概率最大的潜在风险，其包含的底事件为该系统中的薄弱环节。
2.2 底事件结构重要度分析
在故障树中，不同地位的事件对顶事件的影响不同，某个底事件的结构重要度是指在不考虑其发生概率值的情况下，观察故障树的结构以决定该事件的位置重要程度。结构重要度越大，则其对顶事件影响越大，越应得到重视。
一般采用两种方法分析结构重要度：精确求出各个底事件的重要度系数；根据最小割集对各个底事件进行重要度排序。本文基于所求最小割集和文献[17]，采用第二种方法排出各个底事件重要度的顺序如下：
I7>I4>I42>I13>I3>I5=I65>I2=I18=I40=I41>I1=I6=I8=I9=I10=I11=I12=I63=I64>I15=I16=I17=I56=I57=I58=I59=I60=I61=I62
表4 最小割集统计
序号最小割集序号最小割集序号最小割集1X24,X722X50,X743X15,X18,X42X25,X723X51,X744X16,X18,X43X26,X724X52,X745X17,X18,X44X27,X725X53,X746X40,X42,X435X28,X726X54,X747X40,X42,X446X29,X727X55,X748X40,X42,X57X30,X728X1,X3,X549X41,X42,X438X31,X729X1,X3,X650X41,X42,X449X32,X730X2,X3,X551X41,X42,X510X33,X731X2,X3,X652X56,X42,X411X34,X732X2,X3,X753X57,X58,X5912X35,X733X8,X13,X454X13,X63,X65,X413X36,X734X8,X42,X455X13,X64,X65,X414X37,X735X9,X13,X456X60,X63,X65,X415X38,X736X9,X42,X457X60,X64,X65,X416X39,X737X10,X13,X458X61,X63,X65,X417X45,X738X10,X42,X459X61,X64,X65,X418X46,X739X11,X13,X460X62,X63,X65,X419X47,X740X11,X42,X461X62,X64,X65,X420X48,X741X12,X13,X462X15,X18,X421X49,X742X12,X42,X4
据此排序结果可知，底事件X7(未及时更换钢轨)和X4(检测养护维修不及时)的重要度最大，是导致钢轨断裂的最主要因素；底事件X13(钢轨标记处应力集中)、X42(轮轨接触应力过大)的重要性系数排序次之，是造成断轨的主要原因；同时底事件X3(钢轨强度偏低)，X5(曲线钢轨未润滑和调边)也对钢轨的断裂有着较大影响，是比较重要的原因，这些因素虽然不及养护维修重要，但是必须重视。
3 结论
(1)对导致钢轨断裂的主要原因进行了辨识和归纳，建立了钢轨断裂的故障树模型。
(2)在故障树的基础上，通过求解最小割集并对其分析可知，该系统的薄弱环节为28个二阶最小割集所包含的底事件。对61个最小割集所包含的底事件进行了结构重要度排序。
(3)未及时更换钢轨和检测养护维修不及时为导致断轨的最主要因素，钢轨标记应力集中和轮轨接触应力过大为导致断轨的主要因素，同时钢轨强度偏低，曲线钢轨未润滑和调边为导致断轨的重要因素。
(4)改进现有的钢轨检测、监测手段，提高铁路工务人员业务素质，及时对钢轨进行养护维修，预防应力集中，防止接触应力过大，选取强度适宜的钢轨，对钢轨及时润滑和调边可减少断轨事故的发生。
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Rail Breakage Mechanism Analysis of High Speed Railway Based on Fault Tree
YANG Kai1，2， QU Fu-lin1， QIU Xiu-jiao1， CHENG Rong1，2
(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031， China)
Abstract：According to the rail defects classification based on UIC Code and GB railway standards， types and causes of rail breakage are summarized through Static Fault Tree Analysis and the minimum cut sets and the relative importance of bottom events are determined. The results show that non-timely replacement of rail and inspection maintenance are the most primary causes of rail breakage; stress concentration and big contact stress are the main causes; low rail strength， non-timely lubrication and adjustment of edges are also major contributors. By improving testing and monitoring methods and workers’ efficiency， repairing the rail timely， preventing stress concentration and big contact stress， selecting suitable rails， lubricating rails and adjusting edges in a timely manner， rail accidents could be reduced.
Key words：High-speed railway; FTA; Rail breakage; Minimum cut set
文章编号：1004-2954(2017)04-0033-05
收稿日期：2016-07-11；
修回日期：2016-07-31
基金项目：铁道部科技计划重点项目(2012G013-A)；国家自然科学基金委高铁联合基金重点项目(U1234201)
作者简介：杨 凯(1990—)，男，博士研究生，主要研究方向：高速铁路线路工程，E-mail：[email protected]。
通讯作者：陈 嵘(1981—)，男，副教授，博士，博士生导师，主要研究方向：高速铁路线路工程，E-mail：[email protected]。
中图分类号：U238; U213.4+2
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.008