高速鐵路接觸網(wǎng)零部件的重要度分析

林裕華

0 前言

在牽引供電接觸網(wǎng)的安全評估中，即風(fēng)險(xiǎn)評估中，需通過對接觸網(wǎng)進(jìn)行可靠性水平的分析來確定各項(xiàng)設(shè)備的安全評估指標(biāo)。

對既有成熟的接觸網(wǎng)設(shè)備或體系，通常采用接觸網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)的方法得到各個(gè)部件的故障率，根據(jù)故障率統(tǒng)計(jì)結(jié)合概率重要度或統(tǒng)計(jì)損失的規(guī)律分析，可返算得到整體系統(tǒng)的可靠性水平。對新建的高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)獲得數(shù)據(jù)值顯然只能是事后的、無法滿足現(xiàn)代高可靠性、耐久性用戶要求的，需要采取新的科學(xué)方法事先獲得新開發(fā)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性水平并評估薄弱環(huán)節(jié)，以指導(dǎo)控制工程實(shí)施，達(dá)到系統(tǒng)安全性目標(biāo)。

1 重要度的概念

首先定義可靠性分析中的各零部件的重要度：底事件或最小割集對頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)。由此可確定薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。重要度分為概率重要度和結(jié)構(gòu)重要度。

概率重要度：第i 個(gè)部件不可靠度的變化引起系統(tǒng)不可靠度變化的程度，公式表達(dá)為

式中，Δgi(t)為概率重要度；Fi(t)為元、部件不可靠度；為頂事件發(fā)生概率；Fs(t)為系統(tǒng)不可靠度。

結(jié)構(gòu)重要度：零部件在系統(tǒng)中所處位置的重要程度，與零部件本身故障概率好壞無關(guān)。

2 接觸網(wǎng)零部件的概率重要度

國內(nèi)高速鐵路接觸網(wǎng)正定位典型零部件安裝示意見圖1，并據(jù)此定義接觸網(wǎng)零部件的不可靠度和對其概率重要度進(jìn)行排序。

2.1 接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)的不可靠度

接觸網(wǎng)腕臂各零部件的不可靠度計(jì)算公式定義如下：

圖1 國內(nèi)高速鐵路接觸網(wǎng)正定位典型零部件安裝示意圖

2.2 接觸網(wǎng)腕臂零部件的概率重要度排序

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)法的公式計(jì)算可以得出接觸網(wǎng)各零部件概率重要度的排序。很多情況下，統(tǒng)計(jì)法對于新型開發(fā)的系統(tǒng)往往獲取不到足夠的可靠性數(shù)據(jù)。通過采用基于測試的數(shù)據(jù)得到接觸網(wǎng)零部件重要度排序更為直接和準(zhǔn)確。

3 基于測試數(shù)據(jù)的零部件重要度排序分析

3.1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析處理

對試運(yùn)行中的350 km/h 高鐵線路，通過穩(wěn)定性測試獲得的接觸網(wǎng)動態(tài)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到單弓和雙弓2 種工況下的弓網(wǎng)抬升量、振動頻率。某高鐵線路的接觸網(wǎng)測試數(shù)據(jù)如下。

單弓測試數(shù)據(jù)：最大抬升量 25.447 ～63.283 mm；振動典型值為1～3 階頻率0.938 3～2.834 Hz，振幅0.793 2～0.168 3 mm。

雙弓測試數(shù)據(jù)：最大抬升量37.23～92.72 mm；振動典型值為1～3 階頻率1.468～3.856 Hz，振幅1.365～0.251 5 mm。

3.2 等效載荷及其應(yīng)力測試分析

通過實(shí)測得到某工況的零部件等效應(yīng)力時(shí)程圖或結(jié)合列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的弓網(wǎng)接觸荷載、列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)載，也可以通過有限元仿真計(jì)算得到應(yīng)力峰值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差較大的零部件荷載分布，單弓和雙弓工況下定位管的測試數(shù)據(jù)分析見圖2和圖3。

圖2 單弓工況定位管等效應(yīng)力時(shí)程圖

圖3 雙弓工況定位管等效應(yīng)力時(shí)程圖

3.3 直接影響運(yùn)行可靠性的零部件重要度分析

表1 和表2 分別給出了根據(jù)單弓和雙弓2 種工況下5 種零部件的接觸網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)測試數(shù)據(jù)。這些零部件在工作過程中所受的應(yīng)力較大，將會直接影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

表1 單弓工況5 種零部件的應(yīng)力典型值表 單位：MPa

表2 雙弓工況5 種零部件的應(yīng)力典型值表 單位：MPa

根據(jù)基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的有限元分析結(jié)果得到的零部件重要度排序。其中，單弓工況重要度排列順序依次為：定位管、斜腕臂、水平腕臂、絕緣子和定位環(huán)；雙弓工況重要度排列順序依次為：定位管、水平腕臂、斜腕臂、絕緣子和定位環(huán)。

為便于對比分析，根據(jù)2007 年度到2010 年度間故障率，計(jì)算出零部件重要度排序，見表3。

表3 由故障率得到的零部件重要度指標(biāo)表

對比上述各表可知，斜腕臂、水平腕臂、定位管、絕緣子、定位環(huán)等零部件，即是結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的零部件，也是牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中故障率較高的零部件。

4 接觸網(wǎng)零部件重要度排序的應(yīng)用

接觸網(wǎng)零部件重要度排序分析，可以辨別實(shí)際運(yùn)行中故障率較高的零部件，確定高速鐵路接觸網(wǎng)各零部件工作狀態(tài)和可靠性規(guī)律，以便采取有效冗余的設(shè)計(jì)措施，加強(qiáng)日常運(yùn)營維護(hù)管理。

綜合以上分析表中所提供的接觸網(wǎng)重要度排序，結(jié)合FEMA 專家打分等方法加權(quán)計(jì)算還可以最終較為科學(xué)地確定設(shè)備的安全評估指標(biāo)，計(jì)算分配各零部件的重要性安全性比例，可得到相應(yīng)零部件的安全評估指標(biāo)，對完善牽引供電系統(tǒng)安全評估技術(shù)體系有重大意義。

[1] 戚廣楓.可靠性理論在接觸網(wǎng)領(lǐng)域的初步應(yīng)用研究[J].電氣化鐵道，2006，z1.

[2] 鄂科鑒字[2006].接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維修性（RAMS）分析與研究[R].

[3] IEC 60300-3-9 1997.可靠性管理 第3-9 部分：應(yīng)用指南技術(shù)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析[S].

[4] IEC 62278-1 2002.鐵路設(shè)施.可靠性,有效性,維修性和安全性(RAMS)的規(guī)范和論證[S].