一種電力機(jī)車用受電弓全壽命周期可靠性分析

霍肖偉,陳玉芬,蒯冠明

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心研究院，山西 大同 037038)*

近年來(lái)隨著我國(guó)高速鐵路的迅猛發(fā)展，電力機(jī)車的出現(xiàn)給人們的出行帶來(lái)了極大的方便.現(xiàn)役電力機(jī)車運(yùn)行的可靠性和安全性已成為人們關(guān)注的首要問(wèn)題，如何保證其安全可靠的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，直接關(guān)系著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以對(duì)機(jī)車相關(guān)重要部件的可靠性分析至關(guān)重要.

受電弓作為電力機(jī)車關(guān)鍵部件，直接影響列車運(yùn)行的安全性和可靠性.過(guò)去一直停留在對(duì)受電弓整件的可靠性分析，并沒(méi)有對(duì)影響受電弓功能的各分解部件進(jìn)行分析[1]，本文以DSA200型受電弓為例，通過(guò)多種可靠性分析方法分析影響其可靠性的敏感部件，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用數(shù)據(jù)情況，選取適合的評(píng)估方法，開(kāi)展可靠性評(píng)估，為完善受電弓的維護(hù)保養(yǎng)及檢修規(guī)程、產(chǎn)品的技術(shù)提升提供有力的數(shù)據(jù)支撐.

1 產(chǎn)品可靠性影響因素分析

1.1 受電弓功能說(shuō)明

受電弓是電力機(jī)車從接觸網(wǎng)獲取電能的重要電氣部件[2].HXD2系列機(jī)車均采用DSA200型單臂受電弓.

1.2 受電弓結(jié)構(gòu)分解

圖1是DSA200型受電弓結(jié)構(gòu)示意圖，表1為DSA200型受電弓結(jié)構(gòu)樹(shù).

圖1 DSA200受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

表1 DSA200型受電弓結(jié)構(gòu)分解

表1 DSA200型受電弓結(jié)構(gòu)分解 續(xù)表

受電弓主要由底架、阻尼器、升弓裝置、下臂、弓裝配、下導(dǎo)桿、上臂、上導(dǎo)桿、弓頭、碳滑板、控制閥板及空氣管路組成.底架、下臂、上臂、下導(dǎo)桿、上導(dǎo)桿、弓頭構(gòu)成受電弓的框架結(jié)構(gòu)，是受電弓運(yùn)行過(guò)程中各種載荷及沖擊的承載機(jī)構(gòu).升弓裝置是受電弓的驅(qū)動(dòng)裝置，負(fù)責(zé)受電弓的升降，在受電弓工作過(guò)程中，緩沖來(lái)自接觸網(wǎng)的振動(dòng)沖擊，保證弓網(wǎng)間接觸良好，為電力機(jī)車提供穩(wěn)定受流.

1.3 受電弓檢修規(guī)程

表2為DSA200型受電弓檢修規(guī)程.C1修為3個(gè)月檢修內(nèi)容；C2修為6個(gè)月檢修內(nèi)容；C3修為年檢內(nèi)容；C4修為3年檢內(nèi)容；C5修為6年檢內(nèi)容；C6修為12年檢內(nèi)容.

表2 DSA200型受電弓檢修規(guī)程

1.4 影響因素初步識(shí)別

鋼絲繩是是受電弓升弓裝置的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)將氣囊的驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為力矩，傳遞給受電弓的框架結(jié)構(gòu)，配合線導(dǎo)板保證受電弓在工作范圍內(nèi)的靜態(tài)接觸力恒定.

底架，下臂，上臂為受電弓框架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，有大量的焊接結(jié)構(gòu)，其可靠性是受電弓安全運(yùn)行的關(guān)鍵.

阻尼器是受電弓在運(yùn)行過(guò)程中的減震部件，其性能對(duì)于受電弓的動(dòng)態(tài)性能具有重要意義，受電弓的阻尼器具有特殊性，不僅要保證受流狀態(tài)下的減震性能，還需保證在降弓時(shí)對(duì)受電弓進(jìn)行緩沖，防止“砸頂”發(fā)生.

減壓閥是受電弓控制閥板的關(guān)鍵部件，將電力機(jī)車提供的壓縮空氣進(jìn)行減壓，供給氣囊使用.受電弓采用的減壓閥為先導(dǎo)式精密減壓閥，根據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，減壓閥長(zhǎng)期工作易受工作介質(zhì)的影響，特別是油污影響使用壽命.減壓閥性能決定了受電弓靜態(tài)接觸力的穩(wěn)定性，對(duì)于受電弓的受流性能具有重要影響.

安全閥是受電弓控制閥板的關(guān)鍵部件，當(dāng)氣壓超過(guò)安全范圍時(shí)啟動(dòng)，對(duì)受電弓氣路提供保護(hù).受電弓采用的安全閥為直動(dòng)式安全閥，安全閥內(nèi)部核心部件為橡膠密封圈及彈簧，密封圈長(zhǎng)期處于壓緊狀態(tài)，易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致密封性能下降出現(xiàn)漏風(fēng)故障，彈簧受到交變載荷作用，易發(fā)生疲勞問(wèn)題.安全閥性能對(duì)于受電弓的安全性具有重要影響.

初步識(shí)別影響受電弓可靠性的部件主要為阻尼器，升弓裝置的氣囊、鋼絲繩，升弓控制閥板的減壓閥、安全閥，受電弓框架的底架、下臂、上臂等.

表3為各部件可靠性影響分析.

表3 部件可靠性影響分析

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 受電弓故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

故障數(shù)據(jù)是可靠性數(shù)據(jù)中的重要部分，它是對(duì)部件故障時(shí)狀況的描寫(xiě)，在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之前，首先需要根據(jù)故障現(xiàn)象、故障原因和處理結(jié)果確定故障屬于責(zé)任故障還是非責(zé)任故障，其中按合同(或協(xié)議)規(guī)定是該研制或生產(chǎn)部門(mén)責(zé)任范圍內(nèi)發(fā)生的故障稱為責(zé)任故障，不在研制或生產(chǎn)部門(mén)責(zé)任范圍內(nèi)發(fā)生的故障稱為非責(zé)任故障.并且只有責(zé)任故障中的耗損型故障才納入故障統(tǒng)計(jì)范圍[3].

由于部件投入使用的時(shí)間不同，觀測(cè)者記錄數(shù)據(jù)時(shí)除故障時(shí)間外，還有一些部件統(tǒng)計(jì)時(shí)仍在完好地工作，以及完好部件使用中途因檢修要求視情更換等，形成了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)隨機(jī)截尾的特性[4]，如圖2所示.

圖2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)隨機(jī)截尾示意圖

統(tǒng)計(jì)新八軸機(jī)車DSA200受電弓實(shí)際使用中的運(yùn)用故障數(shù)據(jù)，各零部件責(zé)任故障數(shù)如表4所示，截尾數(shù)據(jù)1196個(gè).

表4 各零部件責(zé)任故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

責(zé)任故障主要集中在壓力開(kāi)關(guān)、快速降弓閥、減壓閥、升弓閥板管路、安全閥等，其中快速降弓閥故障處理方式以更換膜片與閥板為主，鑒于導(dǎo)致該零部件故障的主要原因?yàn)檫M(jìn)口閥膜片低溫性能不理想，且目前已對(duì)快速降弓閥膜片國(guó)產(chǎn)化，基本解決快速降弓閥膜片故障，故不對(duì)快速降弓閥故障進(jìn)行評(píng)估分析.

2.2 最優(yōu)壽命分布確定

著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家赤池弘次(Hirotugu Akaike)在研究信息論特別是解決時(shí)間序列定階問(wèn)題中提出了赤池信息準(zhǔn)則(Akaike Information Criterion，AIC)[5].其定義為：

AIC代表的是使用該模型描述分布時(shí)所“損失的信息”，因此使用該準(zhǔn)則時(shí)，選取AIC值最小的分布.特別注意的是，AIC數(shù)值的絕對(duì)大小沒(méi)有意義，只有在多個(gè)模型相比時(shí)才有相對(duì)大小的意義，才可得出到某個(gè)模型在所有備選模型中最好的結(jié)論.

2.3 可靠性評(píng)估方法選擇

在得到產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)(截尾樣本等)后根據(jù)殘存比率法或者平均秩次法計(jì)算樣本的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù).

根據(jù)故障數(shù)據(jù)數(shù)量的多少，選取不同的評(píng)估方法得到零部件可靠性評(píng)估結(jié)果[6].對(duì)于故障數(shù)大于等于10的零部件，采用AIC準(zhǔn)則，從被廣泛使用的指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布與對(duì)數(shù)正態(tài)分布中選取最合適的分布對(duì)零部件進(jìn)行可靠性評(píng)估[7]；對(duì)于故障數(shù)小于10的零部件，分別采用指數(shù)分布與威布爾分布對(duì)故障、截尾數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出可靠性指標(biāo)的置信下限，最后選取較為保守的計(jì)算結(jié)果作為該零部件的可靠性評(píng)估結(jié)果.

2.4 各零部件可靠性評(píng)估

2.4.1 壓力開(kāi)關(guān)、減壓閥、升弓閥板管路

壓力開(kāi)關(guān)、減壓閥、升弓閥板管路故障數(shù)大于等于10，截尾數(shù)據(jù)1196個(gè)，故障、截尾數(shù)據(jù)分布如圖3所示.

(a) 壓力開(kāi)關(guān)

(b) 減壓閥

(c)升弓閥板管路

采用不同壽命分布對(duì)壓力開(kāi)關(guān)、減壓閥、升弓閥板管路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的累積分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function，CDF)曲線[4]如圖4所示.

(a) 壓力開(kāi)關(guān)

(b) 減壓閥

(c)升弓閥板管路

各分布類型的AIC值計(jì)算結(jié)果如表5所示，結(jié)合累積分布函數(shù)曲線比較結(jié)果和AIC準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為四種分布中最合適的分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其參數(shù)估計(jì)結(jié)果如表6所示.

表5 零部件各分布AIC準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果

表6 壓力開(kāi)關(guān)對(duì)數(shù)正態(tài)分布參數(shù)估計(jì)結(jié)果

圖5 零部件可靠度曲線

(a)壓力開(kāi)關(guān)

(b)減壓閥、升弓閥板管路

根據(jù)分布參數(shù)估計(jì)結(jié)果，可繪制零部件可靠度及失效率曲線，如圖5、圖6所示；零部件在給定可靠度條件下的可靠壽命點(diǎn)估計(jì)以及不同置信水平下的置信下限，如表7所示.

表7 不同可靠度下的可靠壽命評(píng)估結(jié)果 萬(wàn)公里

2.4.2 安全閥、氣囊、阻尼器

安全閥、阻尼器、氣囊故障數(shù)小于10，截尾數(shù)據(jù)1196個(gè)，故障、截尾數(shù)據(jù)分布如圖7所示.

(a) 安全閥

(b) 阻尼器

(c)氣囊

假設(shè)零部件的壽命服從指數(shù)分布和威布爾分布，分別計(jì)算出各零部件的可靠性指標(biāo)的置信下限，并采用其中較為保守的結(jié)果，見(jiàn)表8.需要指出的是，按照此方法給出的可靠性評(píng)估結(jié)果是基于目前非常有限的運(yùn)行數(shù)據(jù)給出的保守結(jié)果[10].隨著產(chǎn)品的繼續(xù)運(yùn)行，可能出現(xiàn)更多的故障數(shù)據(jù)，還需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行更新.

表8 不同可靠度下的可靠壽命評(píng)估結(jié)果 萬(wàn)公里

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)受電弓及其功能影響部件的可靠性分析，初步判斷受電弓壽命影響因素，并對(duì)運(yùn)行故障數(shù)據(jù)分析，對(duì)主要故障部件進(jìn)行可靠性評(píng)估，評(píng)估結(jié)果相對(duì)保守.

鋼絲繩，受電弓框架的底架、下臂、上臂等部件，在運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生責(zé)任故障，在本文中未進(jìn)行可靠性評(píng)估，后續(xù)可以通過(guò)檢修數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行評(píng)估完善.