CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)可靠性分析

談立成，李永華，高磊，田雪艷，兆文忠

(1.中國(guó)北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山063035;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著機(jī)車速度的不斷加大，改善輪軌之間的潤(rùn)滑性能，對(duì)提高動(dòng)車組的功率運(yùn)用具有重要意義.所以CRH3動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架采用輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)，改善了輪軌之間的潤(rùn)滑性能.輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)用于頭車的第一個(gè)動(dòng)力輪對(duì)上，該系統(tǒng)的作用是防止車輪輪緣貼靠鋼軌時(shí)引起的輪軌磨耗［1］.

輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性是指該系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，安全、可靠地完成潤(rùn)滑的能力.為了有效地延長(zhǎng)輪緣修磨的間隔時(shí)間，大幅提高軌道的使用壽命，減少列車脫軌的危險(xiǎn)，有必要進(jìn)行CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)可靠性分析.

常見(jiàn)的系統(tǒng)可靠性分析方法主要有解析法、Monte Carlo法、Bayesian 法和混合法四種［2］，其中解析法主要有網(wǎng)絡(luò)圖法、FTA法、FMEA法、狀態(tài)空間法和GO法.網(wǎng)絡(luò)圖法主要應(yīng)用于兩狀態(tài)元件組成的系統(tǒng)，不能模擬共因失效等多狀態(tài)元件系統(tǒng)［3-4］.FTA法是一種倒樹(shù)狀的邏輯因果關(guān)系圖，其缺點(diǎn)是復(fù)雜產(chǎn)品的定量分析難度很大［5］.FMEA是一種歸納性的方法，是系統(tǒng)地分析產(chǎn)品各組成單元所有可能的故障模式、故障原因及后果，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的薄弱環(huán)節(jié)，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法.它常有相對(duì)固定的表格格式，只能進(jìn)行定性分析［6］.狀態(tài)空間法以馬爾可夫模型為數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，在元件的故障率和修復(fù)率都是常數(shù)的情況下可以求解得到系統(tǒng)狀態(tài)的概率等指標(biāo).但當(dāng)系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)其狀態(tài)空間圖的結(jié)構(gòu)會(huì)非常復(fù)雜，不太實(shí)用［3］.而GO法是一種以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)概率分析技術(shù)［7-10］，通過(guò)部件的GO操作碼直接把原理圖翻譯成GO模型圖，并用GO法程序計(jì)算所分析系統(tǒng)各種狀態(tài)的發(fā)生概率，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的可靠度.對(duì)于有多狀態(tài)、有時(shí)序系統(tǒng)的可靠性和安全性分析更為合適［8］.

有關(guān)GO法在動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，本文結(jié)合CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作原理，基于GO法的運(yùn)算規(guī)則及GO法狀態(tài)概率公式，按照GO法的具體分析步驟，采用信號(hào)流和操作符建立GO圖模型，并進(jìn)行精確的定量分析.

1 輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理

輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.在單向運(yùn)行的車輛上，輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)［1］包括:油箱、氣動(dòng)泵、油氣混合塊、電磁閥、Turbolub油氣分配器、噴嘴、電控箱、管路和潤(rùn)滑劑等.其工作原理［1］是:通過(guò)一個(gè)氣動(dòng)柱塞泵將潤(rùn)滑劑打入油氣混合塊中，同時(shí)潤(rùn)滑劑和壓縮空氣在油氣混合塊中混合.借助于壓縮空氣的作用，潤(rùn)滑劑沿著管道內(nèi)壁輸送并經(jīng)TURBOLUB分配器分配后送到噴嘴、噴射到輪緣上.

圖1 輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

2 建立輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)GO圖模型

基于GO法的系統(tǒng)可靠性分析和運(yùn)算以成功為準(zhǔn)則［7］.對(duì)于輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)，其成功準(zhǔn)則就是輪緣潤(rùn)滑時(shí)各元件工作正常，保證潤(rùn)滑劑噴射到輪緣上.根據(jù)輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理建立輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的GO圖模型，如圖2所示.

由輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作過(guò)程，確定系統(tǒng)的范圍從壓縮空氣和油箱開(kāi)始，直到潤(rùn)滑劑噴射到輪緣上.首先按照組成元部件的功能選擇對(duì)應(yīng)類型的操作符來(lái)代表各個(gè)元部件.系統(tǒng)的初始輸入為壓縮空氣和油箱，以及電磁閥和氣動(dòng)泵的控制信號(hào)，因此用類型5輸入操作符來(lái)表示這些輸入;電磁閥和氣動(dòng)泵不僅需要主信號(hào)，還需要控制信號(hào)才能導(dǎo)通，因此用類型6有條件信號(hào)而導(dǎo)通的操作符代表;潤(rùn)滑劑和壓縮空氣要在油氣混合塊中混合，兩者都導(dǎo)通才能實(shí)現(xiàn)在油氣混合塊中混合，因此用類型10與門(mén)的操作符表示;其他部件如空氣過(guò)濾器、油氣混合塊、過(guò)濾器、Turbolub油氣分配器、噴嘴等都是有成功和故障兩狀態(tài)，用類型1兩狀態(tài)單元操作符代表.操作符按照GO法的建模規(guī)則確定后，即可由系統(tǒng)圖直接生成輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的GO圖.

輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的兩狀態(tài)系統(tǒng)，各部件只有成功和故障兩個(gè)狀態(tài)，沒(méi)有提前狀態(tài)，信號(hào)流也只有成功和故障兩個(gè)狀態(tài)，用狀態(tài)值1和2表示.輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)有4個(gè)輸入操作符，8個(gè)功能操作符和一個(gè)與門(mén)操作符，其成功和故障狀態(tài)概率數(shù)據(jù)列于表1.

圖2 輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)GO圖

表1 輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)操作符數(shù)據(jù)

3 輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)GO法定量分析

輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)GO圖模型是簡(jiǎn)單的兩狀態(tài)系統(tǒng)，故N=2，沒(méi)有提前狀態(tài).因此信號(hào)流的狀態(tài)概率P(0)=0.0，P(1)為成功狀態(tài)概率，P(2)為故障狀態(tài)概率.信號(hào)流的狀態(tài)累積概率為:

輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)中，輸入信號(hào)操作符1、4、6和7的狀態(tài)概率直接由輸入操作符數(shù)據(jù)給出，然后按照GO圖中信號(hào)流序列，對(duì)操作符逐個(gè)進(jìn)行定量計(jì)算即得到所有信號(hào)流的狀態(tài)概率.

輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的定量計(jì)算過(guò)程如下:

(1)輸入操作符定量計(jì)算，輸入操作符1、4、6和7的輸出信號(hào)狀態(tài)概率就等于操作符的狀態(tài)概率，因此直接可得到信號(hào)1、4、6和7的狀態(tài)概率，見(jiàn)表2.

表2 輸入操作符1、4、6和7的狀態(tài)概率計(jì)算

(2)操作符2是類型1操作符，由其輸入信號(hào)和操作符2的狀態(tài)概率直接計(jì)算輸出信號(hào)2的狀態(tài)概率，計(jì)算表達(dá)式為:

計(jì)算結(jié)果列于表3.

表3 操作符2的狀態(tài)概率計(jì)算

(3)操作符3和操作符2，其輸出信號(hào)3的狀態(tài)概率計(jì)算結(jié)果列于表4，計(jì)算表達(dá)式為:

表4 操作符3的狀態(tài)概率計(jì)算

(4)操作符5是類型6操作符，主輸入信號(hào)3，次輸入信號(hào)4，由類型6操作符狀態(tài)累積概率公式計(jì)算，計(jì)算表達(dá)式為:

計(jì)算結(jié)果列于表5.

表5 操作符5的狀態(tài)概率計(jì)算

(5)操作符8和操作符5，其輸出信號(hào)8的狀態(tài)概率計(jì)算結(jié)果列于表6，計(jì)算表達(dá)式為:

計(jì)算結(jié)果列于表6.

表6 操作符8的狀態(tài)概率計(jì)算

(6)操作符9的狀態(tài)概率計(jì)算，操作符9是類型10與門(mén)操作符，按與門(mén)的概率計(jì)算公式，得到輸出信號(hào)9的狀態(tài)概率，計(jì)算表達(dá)式為:

計(jì)算結(jié)果列于表7.

表7 操作符9的狀態(tài)概率計(jì)算

(7)操作符10和操作符2，其輸出信號(hào)10的狀態(tài)概率計(jì)算結(jié)果列于表8，計(jì)算表達(dá)式為:

表8 操作符10的狀態(tài)概率計(jì)算

(8)操作符11和操作符2，其輸出信號(hào)11的狀態(tài)概率計(jì)算結(jié)果列于表9，計(jì)算表達(dá)式為:

表9 操作符11的狀態(tài)概率計(jì)算

(9)操作符12和操作符2，其輸出信號(hào)12的狀態(tài)概率計(jì)算結(jié)果列于表10，計(jì)算表達(dá)式為:

表10 操作符12的狀態(tài)概率計(jì)算

(10)操作符13和操作符2，其輸出信號(hào)13的狀態(tài)概率計(jì)算結(jié)果列于表11，計(jì)算表達(dá)式為:

表11 操作符13的狀態(tài)概率計(jì)算

綜上所述，得到系統(tǒng)全部信號(hào)流的狀態(tài)概率P和狀態(tài)累計(jì)概率A，見(jiàn)表12.

表12 系統(tǒng)信號(hào)流狀態(tài)概率和狀態(tài)累計(jì)概率表

輸出信號(hào)13代表系統(tǒng)，故系統(tǒng)的狀態(tài)概率如表13.

表13 系統(tǒng)狀態(tài)概率

由表13可以看出，輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)正常工作的概率為0.9154，其可靠性不高，有必要采取措施提高其可靠性水平.利用GO法得到的運(yùn)算結(jié)果和采用FTA法得到的系統(tǒng)正常工作的可靠度值也基本相同，但與故障樹(shù)分析法相比GO法可以減少工作量和降低建模差錯(cuò).

4 結(jié)論

基于CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)模型，將GO法引進(jìn)到軌道設(shè)備領(lǐng)域.本文對(duì)CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)建立對(duì)應(yīng)的GO圖，采用狀態(tài)概率公式算法，進(jìn)行了定量分析計(jì)算，得到了該系統(tǒng)的狀態(tài)概率，對(duì)CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性分析和評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的量化根據(jù)，進(jìn)而論證了利用GO法分析輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)可靠性是可行的.

由以上分析可知，GO法能夠較好的體現(xiàn)系統(tǒng)功能關(guān)系，操作符與元件幾乎是一一對(duì)應(yīng)，GO法的操作碼和信號(hào)流可以準(zhǔn)確地表示系統(tǒng)的多個(gè)狀態(tài)，以及模擬有序列過(guò)程的狀態(tài)系統(tǒng).GO法思路清晰明了，易于理解.較好地解決了傳統(tǒng)可靠性分析方法模型的復(fù)雜性、計(jì)算量大等問(wèn)題，因此更適用于規(guī)模較大得系統(tǒng)可靠性分析計(jì)算.

采用GO法對(duì)CRH3動(dòng)車組輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析是實(shí)際可行.在軌道列車系統(tǒng)設(shè)備可靠性分析中，發(fā)展GO法的應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

［1］張曙光.CRH3型動(dòng)車組［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［2］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)，2012.

［3］游專，何仁.基于GO法的汽車EPS系統(tǒng)可靠性分析［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(1):220-224.

［4］NABIL S，HAMID D.Reliability analysis of discrete event dynamic systems with Petri nets［J］.Reliability Engineering and System Safety，2009，9(11):1848-1861.

［5］BERESH R，CIUFO J，ANDERS G.Basic fault tree analysis for use in protection reliability［J］.International Journal of Reliability and Safety，2008，2(1-2):64-78.

［6］ARABIAN H，ORAEEA H，TAVNERB P J.Failure Modes and Effects Analysis(FMEA)for wind turbines［J］.International Journal of Electrical Power＆ Energy Systems，2010，32(7):817-824.

［7］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(bào)(自然科學(xué)版)，1999，39(6):15-19.

［8］沈祖培，黃樣瑞.GO法原理及應(yīng)用［M］.北京:淸華大學(xué)出版社，2004.

［9］MATSUOKA T，KOBAYASHI M.The GO-FLOW reliability analysis methodology-analysis of common cause failures with uncertainty［J］.Nuclear Engineering and Design，1997，175(3):205-214.

［10］高振清，孫厚芳，吳瓊.基于GO法的制造系統(tǒng)可靠性分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26(3):320-323.