邱星慧，楊建偉

(北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044)

基于GO法的高速動車組受電弓系統(tǒng)可靠性評估

邱星慧，楊建偉

(北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044)

在列車牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)的電能通過受電弓流入牽引傳動系統(tǒng)，受電弓其可靠性對整個列車的安全運(yùn)行有很大影響. 使用GO法對受電弓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估，介紹了受電弓的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而分析了受電弓的故障類型，給出了受電弓系統(tǒng)部件的歷史維修數(shù)據(jù)，利用GO法對受電弓氣路系統(tǒng)進(jìn)行定量分析和定性分析. 通過定量分析，得到受電弓系統(tǒng)的可靠性參數(shù)值，通過定性分析，指出了受電弓系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為碳滑板.

GO法； 受電弓； 可靠性評估； 定量計(jì)算； 定性計(jì)算

發(fā)展高速鐵路是我國現(xiàn)代化進(jìn)程中重要的一步，而電力牽引是高速鐵路列車的動力來源，電力牽引系統(tǒng)能否正常工作是整個列車運(yùn)行的必要條件. 要保證列車運(yùn)行的絕對可靠并最大限度的減少維修成本，必然要求供電的絕對可靠. 從接觸網(wǎng)流出的電能必須經(jīng)過受電弓進(jìn)入牽引傳動系統(tǒng)，其可靠性決定了供電的穩(wěn)定性，對列車的正常運(yùn)行有直接的影響. 因此，對受電弓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估對高速列車的正常運(yùn)行具有重大的現(xiàn)實(shí)意義.

相關(guān)學(xué)者在利用GO法或?qū)κ茈姽到y(tǒng)進(jìn)行可靠性評估方面做了很多研究. 陳民武利用GO法對牽引變電所的可靠性進(jìn)行評估，編寫了實(shí)用的GO法計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所可靠性評估，并指出了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1]. 趙健利用GO法對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了全方面的評估，并把GO法同傳統(tǒng)的故障樹分析方法做了對比，得出了相關(guān)的可靠性指標(biāo)[2]. 曹景雷將GO法應(yīng)用到地鐵牽引供電系統(tǒng)中，并把模糊理論引入到GO法中，采用成功狀態(tài)概率算法對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析計(jì)算[3]. 蔡國強(qiáng)等對GO模型的并聯(lián)操作進(jìn)行了改進(jìn)，并將改進(jìn)的GO法應(yīng)用到城市軌道交通車門系統(tǒng)可靠性分析中，簡化了計(jì)算過程[4]. 王煒俊和宋龍龍利用故障樹法對受電弓系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析[5-6]. 但這些研究主要都是利用GO法對牽引供電系統(tǒng)的可靠性分析，利用GO法對牽引傳動系統(tǒng)及其中的子系統(tǒng)研究則非常少. 對于牽引傳動系統(tǒng)中的受電弓系統(tǒng)的可靠性分析，主要使用的都是傳統(tǒng)的故障樹分析方法.

本文基于GO法對高速動車組中的受電弓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估分析，分析了受電弓的故障類型后，給出了受電弓系統(tǒng)部件的歷史維修數(shù)據(jù)，接著利用GO法畫出系統(tǒng)原理圖對應(yīng)的GO圖，最后運(yùn)用可修系統(tǒng)GO法計(jì)算公式，對受電弓系統(tǒng)進(jìn)行定量評估，得到整個受電弓系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，同時對受電弓系統(tǒng)進(jìn)行了定性評估，指出了受電弓系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié).

1 受電弓故障模式分析及部件可靠性數(shù)據(jù)

1.1 受電弓結(jié)構(gòu)組成及氣路控制工作原理分析

廣泛應(yīng)用于“和諧號”動車組的DSA250型受電弓由充氣彈簧、下臂桿、平衡桿、弓頭、上框架、拉桿、阻尼器等部分組成. 其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1[6]. 受電弓中的各個部件通過鉸鏈連接而成，每處鉸接的地方都裝有滾動軸承，軸承之間再通過金屬軟管編織線短接起來，這樣可以避免軸承的電氣損毀，受電弓系統(tǒng)中平衡桿的作用是使碳滑板面處于受電弓的工作平面內(nèi)，進(jìn)而保證系統(tǒng)的平衡. 詳見文獻(xiàn)[7]. CRH2型動車組是由兩個動力單元組成的，每個動力單元又是由兩動兩拖組成. 受電弓是與接觸網(wǎng)直接接觸的部件，通常安裝在列車頂部.

表1 受電弓主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

受電弓的升降是通過氣動來進(jìn)行控制的，要了解受電弓的工作原理可以通過分析其氣路控制方式. 受電弓氣路控制原理如圖1所示. 當(dāng)電控閥處于開啟狀態(tài)時，風(fēng)缸中的壓縮空氣通過升弓塞門、電控閥進(jìn)入到空氣過濾器中，空氣過濾器的作用是去除壓縮空氣中的固液體雜質(zhì)，起到過濾作用，過濾之后的壓縮空氣進(jìn)入升弓節(jié)流閥，通過控制升弓節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)升弓的速度. 隨后，壓縮空氣由升弓節(jié)流閥到達(dá)調(diào)壓閥. 調(diào)壓閥的輸出壓力即為氣囊壓力，它直接影響弓網(wǎng)接觸壓力，對整個牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響. 由調(diào)壓閥出來的壓縮空氣進(jìn)入降弓節(jié)流閥，與升弓節(jié)流閥類似，降弓節(jié)流閥也影響降弓速度. 由降弓節(jié)流閥流出的壓縮空氣流經(jīng)安全閥到達(dá)絕緣軟管. 安全閥的作用是平衡受電弓氣路系統(tǒng)中的空氣壓力，此外，當(dāng)調(diào)壓閥不能正常工作時，安全閥便可以進(jìn)行工作補(bǔ)償. 經(jīng)安全閥流出的壓縮空氣通過絕緣軟管到達(dá)氣囊，氣囊是升弓執(zhí)行元件. 在升弓壓力控制回路中，壓縮空氣一邊經(jīng)過快速降弓閥到達(dá)碳滑板底部(碳滑板是直接與接觸網(wǎng)接觸的受流部件，它的厚度會因?yàn)槟Σ敛粩嗟淖儽?，一邊通過絕緣軟管到達(dá)壓力開關(guān)，使觸電閉合.

動車組運(yùn)行過程中，ADD關(guān)閉閥處于開啟狀態(tài)，即受電弓自動降弓系統(tǒng)處于工作狀態(tài). 當(dāng)受電弓出現(xiàn)因碳滑板磨損過度或者控制回路漏氣而導(dǎo)致控制回路壓力降低等弓網(wǎng)問題時，空氣輸入管路與空氣控制管路就會出現(xiàn)壓力差，此時換向閥打開，管路中的空氣便通過換向器排入大氣，氣囊收縮，受電弓降弓. 同時，壓力開關(guān)通過電信號使計(jì)算機(jī)關(guān)閉主斷路器，電控閥關(guān)閉，避免降弓時產(chǎn)生電弧.

1.2 受電弓故障模式及部件可靠性數(shù)據(jù)

在列車受電弓歷史維修記錄中，其工作出現(xiàn)的問題主要集中在受電弓滑板條與接觸網(wǎng)摩擦的位置，兩者的摩擦?xí)?dǎo)致滑板條的磨損消耗. 由于受電弓系統(tǒng)既是機(jī)械系統(tǒng)又屬于電氣系統(tǒng)，因此滑板條的磨耗也分為這兩種磨耗. 前者一般出現(xiàn)在新的弓網(wǎng)系統(tǒng)中，對于新的線路，毛刺比較多，導(dǎo)致滑板條急劇磨耗，這種情況隨著運(yùn)行次數(shù)的增多會減緩. 電氣磨耗是由于滑板條與新建線路接觸不佳，致使電火花比較嚴(yán)重，產(chǎn)生磨耗. 受電弓的另一種故障模式是弓網(wǎng)拉弧，在受電弓與接觸網(wǎng)之間的的壓力過小時，兩者便會產(chǎn)生微小的距離，在這瞬間會產(chǎn)生電弧，這種電弧會使碳滑板出現(xiàn)電氣損耗，此類故障也是造成受電弓工作失常的重要原因. 滑板偏磨，由于碳滑板與接觸網(wǎng)的不正常接觸導(dǎo)致的滑板偏磨是影響受電弓壽命的一個很大因素. 刮弓，如果將電力機(jī)車駛?cè)霟o電線路，不及時降弓就會導(dǎo)致刮弓. 瓷瓶損壞，瓷瓶損壞會導(dǎo)致電網(wǎng)直接接地，造成機(jī)車故障. 受電弓機(jī)械連接部件損壞也是其中的一個故障原因.

根據(jù)歷史維修信息獲取了上述的故障原因，并得到了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)編訂的受電弓系統(tǒng)部件可靠性數(shù)據(jù). 如表2所示[8].

應(yīng)用GO法進(jìn)行可修系統(tǒng)可靠性分析時，可修單元的可靠性參數(shù)是已知的[9]. 以上受電弓系統(tǒng)部件可靠性數(shù)據(jù)將用于GO法運(yùn)算.

表2 受電弓系統(tǒng)部件可靠性參數(shù)

2 基于GO法的受電弓氣路系統(tǒng)可靠性建模

GO法是根據(jù)GO圖進(jìn)行可靠性分析的，而GO圖是根據(jù)系統(tǒng)圖繪制得到，GO圖與系統(tǒng)圖基本處于一一對應(yīng)的關(guān)系. 系統(tǒng)部件對應(yīng)GO圖中的操作符，系統(tǒng)中的物流對應(yīng)GO圖中的信號流. 利用GO法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析的兩大要素是操作符和信號流. 目前GO法已經(jīng)定義了17種操作符.

根據(jù)圖1畫出受電弓電氣控制系統(tǒng)GO圖. GO圖中的不同位置的數(shù)字表示不同的含義，操作符類型及其編號在下文給出. 在受電弓系統(tǒng)中，風(fēng)缸相當(dāng)于信號發(fā)生器，用類型5操作符表示. 電空閥需要信號激勵才讓輸入通過，所以用類型6操作符表示. 在受電弓氣路系統(tǒng)中，除風(fēng)缸及電空閥之外的部件都是單輸入單輸出的情形，其工作類型只有正常與非正常兩種，根據(jù)GO法概述，用類型1操作符表示即可. 受電弓系統(tǒng)GO圖如圖2所示. 圖2中的編號與表2中的編號一一對應(yīng).

受電弓系統(tǒng)屬于可修系統(tǒng). 受電弓系統(tǒng)可修是指在受電弓氣路系統(tǒng)中，假如電空閥出現(xiàn)故障，進(jìn)而對整個系統(tǒng)進(jìn)行停工維修時，其它例如空氣過濾器等原件由于系統(tǒng)的停止運(yùn)行并不再出現(xiàn)工作失常狀況的情形. 受電弓氣路系統(tǒng)中的除了風(fēng)缸之外的每個部件的工作狀態(tài)都受到其他部件工作狀態(tài)的影響，各個部件并不是相互獨(dú)立的個體，部件之間具有停工相關(guān)性. GO法中規(guī)定，每個操作符的輸入信號，操作符本身及輸出信號的失效率、維修率都有對應(yīng)的表示，分別記為λs，μs，λc，μc，λR，μR.

2.1 兩狀態(tài)單元

兩狀態(tài)單元的輸入信號和操作符有停工相關(guān)，停工故障數(shù)I=1，輸入信號和操作符有一個故障停工時，另一個也停工運(yùn)行，不會發(fā)生故障. 此時輸出信號的失效率與等效維修率的計(jì)算公式為：

λR=λS+λC

(1)

(2)

2.2 單信號發(fā)生器

在GO法中，處于首端的單信號發(fā)生器是輸入裝置，因此，該操作符的失效率和等效維修率與輸出信號的失效率、等效維修率是相同的，其計(jì)算公式如下：

λR=λC

(3)

μR=μC

(4)

2.3 有條件信號而導(dǎo)通的元件

該操作符有兩個輸入信號，主輸入信號和次輸入信號(條件信號). 在受電弓系統(tǒng)中，該操作符兩個輸入信號和操作符有停工相關(guān)，停工故障數(shù)，兩個輸入信號和操作符中有一個停工故障時，另兩個也停止運(yùn)行，不會發(fā)生故障. 兩個輸入信號和操作符有停工相關(guān)時的計(jì)算公式如下：

λR=λS1+λS2+λC

(5)

(6)

3 基于GO法的受電弓氣路系統(tǒng)可靠性定量分析

根據(jù)串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等效故障率的算法和串聯(lián)結(jié)構(gòu)故障率與維修率的比值算法，有以下公式：

(7)

(8)

式中：λi和μi分別表示串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各單元的故障率和維修率.

下面給出經(jīng)過足夠長的時間，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后的可靠性特征量計(jì)算公式.

平均無故障工作時間：

(9)

平均維修時間：

(10)

平均壽命周期：

(11)

穩(wěn)態(tài)可用度(平均工作概率)：

(12)

穩(wěn)態(tài)不可用度(平均停工概率)：

(13)

單位時間平均故障次數(shù)：

(14)

根據(jù)表2中受電弓系統(tǒng)部件可靠性數(shù)據(jù)和以上給出的計(jì)算公式，通過計(jì)算機(jī)可以算出受電弓系統(tǒng)可靠性參數(shù)值，如表3所示.

表3 受電弓系統(tǒng)可靠性特征值

4 基于GO法的受電弓氣路系統(tǒng)可靠性定性分析

此受電弓系統(tǒng)有15個操作符代表系統(tǒng)的部件，通過狀態(tài)概率直接定性分析[10]. 得到受電弓系統(tǒng)的最小割集有13個，且都為一階割集. 各一階割集內(nèi)操作符編號以及割集發(fā)生的概率列于表4.

表4 受電弓系統(tǒng)定性評估得出的一階割集

由表4中計(jì)算結(jié)果表明一階割集中，每一個割集發(fā)生的概率都不小，這說明每一個部件故障都會很大程度上影響整個受電弓系統(tǒng)的正常工作. 其中，碳滑板的割集發(fā)生概率為0.107×10-5，是整個系統(tǒng)中割集發(fā)生概率最大的. 因此，找出受電弓系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為碳滑板.

通過定性分析得到的一階割集發(fā)生概率總和為0.308×10-5，對比定量計(jì)算得到的系統(tǒng)平均停工概率0.296×10-5，兩者相差不大. 并且通過定量計(jì)算得到的精確值比定性分析得到的近似值大，是符合割集發(fā)生概率總和作為系統(tǒng)故障概率上限這一基本情況的.

5 結(jié)論

本文以高速動車組牽引系統(tǒng)用受電弓為研究對象，利用GO法對受電弓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模，畫出受電弓系統(tǒng)對應(yīng)的GO圖模型，并且給出了繪制過程中所遵循的依據(jù). 通過對受電弓氣路系統(tǒng)的定量分析，得到了受電弓系統(tǒng)可靠性一系列特征值，完成了受電弓系統(tǒng)可靠性評估. 利用GO法對受電弓氣路系統(tǒng)的定性計(jì)算得到系統(tǒng)最小割集，通過分析系統(tǒng)中各個部件對整體的影響程度，指出了受電弓系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為碳滑板，同時也驗(yàn)證了GO法的適用性和準(zhǔn)確性.

[1] 陳民武. 基于GO法的高速鐵路牽引變電所可靠性評估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011,39(18):56-61

[2] 趙健. 基于GO法的交流牽引供電系統(tǒng)可靠性研究[D]. 西安：西安理工大學(xué), 2010

[3] 曹景雷. 基于GO法的地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2009

[4] 蔡國強(qiáng), 周莉茗, 李熙, 等. 基于GO法的城市軌道交通車門系統(tǒng)可靠性分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2011,46(2):264-270

[5] 王煒俊. 基于故障樹法的城市軌道交通受電弓可靠性分析[J]. 工業(yè)技術(shù), 2016(1):59-61

[6] 宋龍龍, 王太勇, 宋曉文, 等. 基于Petri網(wǎng)建模與FTA的動車組受電弓故障診斷[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2014,35(9):1990-1997

[7] 馬果壘. 受電弓系統(tǒng)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2006

[8] 李永華, 李嘉文, 明鑒, 等. 高速動車組受電弓系統(tǒng)RAMS評估[J]. 高速鐵路技術(shù), 2015,5(6):18-21

[9] 沈祖培, 黃祥瑞. GO法原理及應(yīng)用：一種系統(tǒng)可靠性分析方法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2004:121

[10] 沈祖培, 高佳. GO法原理和改進(jìn)的定量分析方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1999，39(6)：15-19

[責(zé)任編輯：牛志霖]

Reliability Evaluation of Pantograph System of High-Speed EMU Based on GO Methodology

Qiu Xinghui，Yang Jianwei

(School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

The power of contact line flows into the traction tramsmission system directly by the pantograph in vehicle power-supply system, and the reliability of pantogragh has a great influence on the working performance of the whole traction system of the high-speed EMU. The reliability of the pantogragh system is evaluated by using the GO method in the paper. GO method is a success-oriented method of reliability calculation, and it translates the system schematic diagram into GO figure directly, so it can reflect the relationship between system function well. Firstly, the structure and operational principle of pantogragh are introduced, the fault type is analyzed, and the historical maintenance data is given, so that the weaknesses of pantogragh system are pointed out. Then, the GO figure can be drawn through the schematic diagram. Finally, the reliability parameter can be calculated through GO methodology which is suitable for repairable system. A certain references to the reliability evaluation of pantogragh system of high-speed EMU are provided in this paper. Key words: GO method; pantogragh; reliability evaluation; quantitative calculation; qualitative calculation

2016-09-07

長城學(xué)者培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(CIT&TCD20150312)； 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51605023)

邱星慧(1992—)，女，碩士研究生，研究方向： 軌道交通車輛可靠性.

1004-6011(2016)04-0047-05

U268.3

A