軌道列車牽引系統(tǒng)的維護(hù)與分析

潘銀萍

(西安交通工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710330)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大，為了提高城市交通運(yùn)營水平、更好地解決交通堵塞問題和民眾出行困難問題[1-2]，許多大中型城市紛紛選擇將城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分。以地鐵為“骨架”，以公交車、出租車為“毛細(xì)血管”的公交網(wǎng)絡(luò)將成為城市公共交通的主要運(yùn)營方式[3-5]。城市軌道交通具有運(yùn)送量大、速度快、污染少等優(yōu)勢，其作用越重要，一旦發(fā)生故障或事故的后果也越嚴(yán)重。交通事故不僅嚴(yán)重影響市民的正常出行，還會造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。因此，人們對軌道交通系統(tǒng)可靠性和安全性的要求也越來越高。為了防止和減少事故、保證車輛正常運(yùn)行[6-7]，對軌道車輛的牽引系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析、確定牽引系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，對地鐵車輛的可靠性設(shè)計(jì)以及車輛維修具有重要意義[8-9]。

本文結(jié)合某地鐵線路的現(xiàn)場車輛檢修記錄，采用系統(tǒng)可靠性理論分析牽引系統(tǒng)的可靠性。首先，本文根據(jù)現(xiàn)場檢修數(shù)據(jù)建立地鐵牽引系統(tǒng)的故障模型，并對所建立的故障模型進(jìn)行定性、定量分析。其次，本文對地鐵牽引系統(tǒng)進(jìn)行可靠性仿真。最后，本文確定了牽引系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和各部件的重要度。

1 城市軌道交通牽引系統(tǒng)研究

1.1 牽引系統(tǒng)簡介

牽引系統(tǒng)是地鐵車輛可靠運(yùn)行的關(guān)鍵電氣系統(tǒng)，一旦發(fā)生問題，地鐵動力來源會受到影響，將使得列車牽引制動的能力大大降低甚至牽引失敗，會導(dǎo)致列車無法準(zhǔn)時到站以至于造成地鐵運(yùn)營異常甚至停運(yùn)、乘客滯留、交通擁堵等問題。牽引系統(tǒng)可靠性是指在規(guī)定行車條件下，牽引系統(tǒng)能夠在規(guī)定行車時間內(nèi)正常、穩(wěn)定完成列車牽引制動功能的能力?？煽啃栽u估是保證列車牽引系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要手段。牽引系統(tǒng)如果在行駛中發(fā)生某部件或子系統(tǒng)性能降低，而在維修過程中又沒有對該部件或子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)檢測，將增大牽引系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失?？煽啃灶A(yù)測是提高牽引系統(tǒng)檢修水平、優(yōu)化檢修計(jì)劃的有效手段。若能在牽引系統(tǒng)發(fā)生故障之前預(yù)估故障可能發(fā)生的大致時間，對系統(tǒng)性能仔細(xì)檢測評估并修正潛在的不可靠性因素，就可以提高列車運(yùn)行安全性和提高經(jīng)濟(jì)效益[10-11]?？煽啃栽u估之后獲得的經(jīng)濟(jì)效益往往能達(dá)到評估費(fèi)用的3～9倍。

目前，國內(nèi)對地鐵車輛電氣系統(tǒng)的檢修大多基于經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，按照其行駛里程或安全運(yùn)行時間來制定相關(guān)檢修計(jì)劃。維修人員基本按照維修章程對已發(fā)生故障的部件進(jìn)行維修工作，對未發(fā)生故障的其他部件多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行全部寬泛檢修。該檢修方式靈活性不足，缺乏針對性。牽引系統(tǒng)的檢修計(jì)劃和檢修作業(yè)的實(shí)施，目前仍缺乏完善的科學(xué)理論指導(dǎo)。

牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Traction system structure diagram

由圖1可知，牽引系統(tǒng)主要由牽引電機(jī)、牽引控制模塊、牽引逆變模塊、高速斷路器、受電弓、接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)部件組成[12]。一般情況下，受電弓起到接通電源的作用。受電弓通過列車線路向高速斷路器模塊輸入直流電，其具體規(guī)格選定為1 500 V。牽引控制器會通過應(yīng)用牽引逆變器完成相應(yīng)控制信號的輸入，將原本屬性為直流的電力作調(diào)整，繼而生成三相交流電，并以此為準(zhǔn)牽引電機(jī)。需要注意的是，車身與轉(zhuǎn)向架必須借助地刷接地的方式，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電路的構(gòu)建。

1.2 常見的故障

牽引系統(tǒng)常見的故障，一般是由過流或過熱保護(hù)、命令錯誤等原因?qū)е碌?。這些故障都是傳感器通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)反饋至車載顯示器，由列車司機(jī)在駕駛過程中發(fā)現(xiàn)并作相應(yīng)處理的。過流故障可以分為直流過流和逆變過流。直流過流是指牽引逆變器中的電流傳感器到車門控制單元(domain control unit，DCU) 模塊通過車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向車載顯示器反饋時，在LH1電流傳感器和DCU模塊傳輸過程中發(fā)生電流過流的情況。逆變過流是指牽引逆變器中，LH3和LH4電流傳感器、DCU模塊、脈沖分配板、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)驅(qū)動板、IGBT的逆變過程出現(xiàn)問題，即熱保護(hù)-牽引逆變器模塊內(nèi)溫度繼電器信號檢測模塊內(nèi)的溫度過高，向DCU反饋超溫信息，并通過車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向車載顯示屏反饋。電機(jī)內(nèi)設(shè)有電機(jī)溫度傳感器，以檢測電機(jī)工作溫度。當(dāng)傳感器檢測到牽引電機(jī)的工作溫度超過180 ℃或者低于50℃時，電機(jī)溫度傳感器則被視為發(fā)生故障。命令錯誤是地鐵列車司機(jī)操縱列車方向手柄，給出方向指令，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸指令至牽引逆變器中系統(tǒng)管理控制器(system management controller，SMC) 模塊，從而檢測到牽引指令出現(xiàn)錯誤。此時，系統(tǒng)會將反饋信號輸出至SMC模塊，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)顯示于車載顯示器。

1.3 系統(tǒng)可靠性理論

聚焦可靠性在內(nèi)容方面表現(xiàn)為五個層面，具體是可靠度、規(guī)定條件、使用條件、產(chǎn)品、規(guī)定時間。聚焦可靠性存在的指向，往往是服務(wù)于產(chǎn)品可靠度。其中，產(chǎn)品是指具體的分析對象。該詞匯本身存在著一定寬泛性，涵蓋類型眾多，可以是牽引系統(tǒng)中的控制開關(guān)、IGBT、制動電阻等獨(dú)立元件，也可以是組件、接收器、子系統(tǒng)等設(shè)備，甚至是整個設(shè)備。當(dāng)以地鐵牽引系統(tǒng)作為分析對象時，需要關(guān)注其現(xiàn)實(shí)機(jī)理，明確維護(hù)策略和人為判斷因素。規(guī)定是指研究對象的操作條件、工作環(huán)境、存儲運(yùn)輸、使用維護(hù)等。這些控制條件的變化對可靠性有重大影響。規(guī)定時間通常用于評估可靠性的時間指標(biāo)。因?yàn)樵u估主題可靠性是時間調(diào)整的定義，所以時間可以是不同的區(qū)間，也可以是將另一個指標(biāo)分配給予時間對應(yīng)的值，例如服務(wù)周期、使用期限等。規(guī)定功能是可靠性研究中的重要部分，通常代表指定情況或操作條件下，作為研究對象的產(chǎn)品可以保持繼續(xù)正常運(yùn)行而不會出現(xiàn)故障或意外。需要強(qiáng)調(diào)的是，規(guī)定功能失效并不完全等同于不能工作。在某些情況下，即使產(chǎn)品可以運(yùn)行，但一些特定參數(shù)超出規(guī)定范圍，該產(chǎn)品也可以被判斷為功能失效?？煽慷仁侵杆芯繉ο罂煽啃缘母怕剩⑹褂枚鄠€概率來表示作為可靠性技術(shù)持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)的可靠性。概率的數(shù)字表示允許量，用于比較和評估產(chǎn)品或設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，并確保對這種可靠性的質(zhì)量控制。

1.4 可靠性定義參量

牽引系統(tǒng)按是否具有修復(fù)功能，可以分為兩類。對于有修復(fù)功能的系統(tǒng)而言，在出現(xiàn)故障或異常時，系統(tǒng)借助一定的干預(yù)手段介入與修理，是能夠?qū)崿F(xiàn)其功能完全或部分恢復(fù)的。對于沒有修復(fù)功能的系統(tǒng)而言，則是無法通過干預(yù)再次恢復(fù)功能的。對于牽引系統(tǒng)而言，其大部分是有修復(fù)功能的。

可靠度的定義如式(1)所示。

R(t)=P(T≥t),∝>t>0

(1)

式中：R(t)為時間函數(shù);t為指定的某一時刻;T為隨機(jī)量；P為部件正常工作的概率。

與之相對的，不可靠度的定義如式(2)所示。

F(t)=1-R(t)

(2)

系統(tǒng)發(fā)生故障的概率可以用故障率表示。故障率的定義如式(3)所示。

(3)

聚焦修復(fù)率指的是在一定時間范圍內(nèi)，故障問題順利恢復(fù)正常的可能性。該指標(biāo)可以描述故障或組件的修復(fù)難度。修復(fù)率如式(4)所示。

A(t)=A

(4)

式中：A(t)為修復(fù)概率；A為故障率。

平均無故障工作時間(mean time bewteen failure，MTBF)表示系統(tǒng)、組件從出現(xiàn)故障到再一次投切到運(yùn)行所耗費(fèi)的時間均值，也被界定為平均壽命，在本文中被記作B。其可以用式(5)表示。

(5)

式中：θ為平均壽命；N為樣本總量；ni為第i個部件故障；tij為第i個部件從第(j-1)次故障到第j次故障的工作時間。

平均維修時間(mean time to repair，MTTR)在本文中被記作C，如式(6)所示。

(6)

式中：n為樣本;ti為故障時間。

1.5 基于馬爾可夫的可靠性預(yù)測系統(tǒng)

俄國數(shù)學(xué)家馬爾可夫提出馬爾可夫模型，并定義了馬爾可夫過程。馬爾可夫過程中，下一個狀態(tài)僅取決于現(xiàn)在狀態(tài)而與以往的狀態(tài)無關(guān)，即無記憶性。一般采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的方法構(gòu)建馬爾可夫模型。根據(jù)牽引系統(tǒng)的層次分析模型，本文將地鐵牽引系統(tǒng)劃分為五個子系統(tǒng)，分別為受電弓模塊、高速斷路器模塊、牽引逆變模塊、牽引電機(jī)模塊和牽引控制模塊。使用層次分析法分析地鐵牽引系統(tǒng)時，牽引系統(tǒng)中每個模塊的組件都非常復(fù)雜，且相互關(guān)聯(lián)。因此，使用層次分析法評估地鐵牽引系統(tǒng)的可靠性所需時間較長。系統(tǒng)可靠性如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)可靠性框圖Fig.2 System reliability block diagram

本文在馬爾可夫的可靠性預(yù)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了基于馬爾可夫獎勵過程的牽引系統(tǒng)可靠性評估。軌道列車牽引系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌道列車牽引系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)Fig.3 Layered structure of rail trains traction system

軌道列車牽引系統(tǒng)分為系統(tǒng)層、模塊層以及指標(biāo)層三層。系統(tǒng)層用于表達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)。模塊層為系統(tǒng)各模塊的狀態(tài)評估。指標(biāo)層考慮不同模塊的組成特性、運(yùn)行環(huán)境等確定評價(jià)指標(biāo)。

馬爾可夫法采用指數(shù)估值法的最大邊沿原理法確定總權(quán)重，簡單、直觀、方便。估值使用式(7)計(jì)算。

(7)

式中：m為評價(jià)指標(biāo)的最大數(shù)量；a為綜合權(quán)重；b為權(quán)重。

2 軌道列車牽引系統(tǒng)可靠性評估

在面向?qū)ο笞髟u估分析時，需要重點(diǎn)關(guān)注衰減系數(shù)以及補(bǔ)償系數(shù)。衰減系數(shù)又稱衰減常數(shù)，是傳播系數(shù)的實(shí)數(shù)部分。它包括經(jīng)典吸收和分子吸收兩部分。經(jīng)典吸收是由于空氣的粘滯性、熱傳導(dǎo)效應(yīng)以及空氣分子轉(zhuǎn)動等所產(chǎn)生的聲能耗散，大小與聲波頻率的平方成正比例，并且與空氣溫度和氣壓有關(guān)。在對系統(tǒng)進(jìn)行價(jià)值評估時，必須確定不同狀態(tài)的獎勵系數(shù)以及衰減系數(shù)。獎勵系數(shù)表示某系統(tǒng)在某狀態(tài)下的獎勵，具體指某一時刻處在某狀態(tài)下的某系統(tǒng)在下一個時刻能獲得的獎勵期望。衰減系數(shù)定義為未來獎勵在當(dāng)前時刻下的價(jià)值比例。若衰減系數(shù)接近0，則表明本次為“近視”性評估，衰減系數(shù)愈靠近1，則表明偏重考慮遠(yuǎn)期的利益。分別設(shè)衰減系數(shù)為0.2、0.5、0.7[13-15]，并分別對應(yīng)從短期、中期、長期的角度評估牽引系統(tǒng)可靠性。這里定義不同時期指在一定安全裕度下，從安全度和經(jīng)濟(jì)利益兩個方面來評判不同衰減系數(shù)對應(yīng)的時期。短期角度為考慮系統(tǒng)安全度遠(yuǎn)多于其運(yùn)維產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)利益。中期角度為考慮安全度與其運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)利益的程度相當(dāng)。長期角度則指更多地考慮其經(jīng)濟(jì)利益。

2.1 受電弓模塊

受電弓模塊的作用是從接觸網(wǎng)中得到充分的電能。其需要布置在列車頂部。對于列車而言，受電弓模塊是極為關(guān)鍵的受流設(shè)備。關(guān)注其可靠性層面的分析，有助于切實(shí)保障其安全性。受電弓模塊的可靠性對比如圖4所示。

圖4 受電弓模塊的可靠性對比圖Fig.4 Reliability comparison diagram of pantograph module

由圖4可知，各個時間段內(nèi)受電弓模塊可靠性的總體下降幅度相同，但下降速度和穩(wěn)態(tài)逼近值不同?？紤]到短期收益，受電弓模塊可用性下降速率是極為鮮明的，趨近于0.92。關(guān)注長期性，其可用性會隨之下降，接近0.99。關(guān)注中期運(yùn)作，此時下降速率處于中間位置，穩(wěn)態(tài)可靠性趨于0.96。本研究將安全放在首位并關(guān)注短期收益的可靠性曲線，將其作為可靠性維護(hù)周期的基線曲線。研究時，根據(jù)馬爾可夫過程的有條件維修，定義預(yù)防維修閾值，并計(jì)算每月裝配故障數(shù)據(jù)的最佳穩(wěn)定維修期。

2.2 高速斷路器模塊

高速斷路器模塊對于列車而言是一個具體的高壓模塊。一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)了短路或其他電氣問題，該模塊便會快速反應(yīng)，及時關(guān)閉牽引逆變器等用電機(jī)構(gòu)，以免波及到其他設(shè)備或引起設(shè)備溫度過高而燒壞設(shè)備。可靠性評估有助于提高列車的可靠性和子系統(tǒng)中其他設(shè)備的性能。高速斷路器模塊可靠性對比如圖5所示。

圖5 高速斷路器模塊可靠性對比圖Fig.5 Reliability comparison diagram of circuit breaker module

由圖5可知，各時間點(diǎn)高速斷路器模塊可靠性呈整體下降趨勢，但其衰減率和穩(wěn)態(tài)逼近值不同?？紤]到短期收益，高速斷路器模塊可靠性下降速度最快，最終趨于0.83?？紤]到長期收益，可靠性下降表現(xiàn)為最緩慢，最終結(jié)果具體表現(xiàn)為0.92。關(guān)注中期收益，其穩(wěn)態(tài)可靠性趨于0.89。本研究使用將安全放在首位并關(guān)注短期收益的可靠性曲線作為可靠性維護(hù)周期的基線曲線。根據(jù)馬爾可夫過程進(jìn)行狀態(tài)維護(hù)，定義0.95為t=3.5時所對應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)閾值，計(jì)算月度故障數(shù)據(jù)調(diào)整需要3～5個月的最大可靠期。

2.3 牽引逆變模塊

牽引逆變器的關(guān)鍵任務(wù)是面向牽引電機(jī)，提供充分的三相交流電。地鐵車輛的列車牽引系統(tǒng)降低了能耗。

牽引逆變模塊可靠性對比如圖6所示。由圖6可知，牽引逆變模塊的可靠性呈整體下降趨勢，但其下降率和穩(wěn)態(tài)方法是不同的?？紤]到短期收益，牽引逆變模塊可靠性下降最快，結(jié)果表現(xiàn)為0.73。關(guān)注長期收益，其結(jié)果會達(dá)到0.81。關(guān)注中期收益，下降率處于中間，穩(wěn)態(tài)可靠性趨于0.77。本研究保持安全第一的原則，以短期收益為導(dǎo)向的正常運(yùn)行時間曲線作為可靠性維護(hù)周期的基線曲線。根據(jù)馬爾可夫過程狀態(tài)維護(hù)，將0.95設(shè)為t=0.9時所對應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)閾值，以0.9個月計(jì)算月度不合格數(shù)據(jù)并進(jìn)行檢修。

圖6 牽引逆變模塊可靠性對比圖Fig.6 Reliability comparison diagram of traction inverter module

2.4 牽引電機(jī)模塊

對于地鐵而言，牽引電機(jī)是極為關(guān)鍵的，直接關(guān)聯(lián)著列車的移動性能。針對該模塊，也必須給予充分的可靠性探索。牽引電機(jī)模塊可靠性對比如圖7所示。

圖7 牽引電機(jī)模塊可靠性對比圖Fig.7 Reliability comparison diagram of traction motor module

由圖7可知，各時間點(diǎn)主電機(jī)模塊可靠性呈整體下降趨勢，但其下降率和穩(wěn)態(tài)逼近值是不同的?？紤]到短期收益，牽引電機(jī)模塊可靠性下降是最快的，結(jié)果表現(xiàn)為0.84。關(guān)注長期收益，可靠性呈下降態(tài)勢，速度最慢，最終達(dá)到0.98?？紤]中期收益，可靠性下降處于中間，穩(wěn)態(tài)可靠性趨于0.92。本研究以安全為首要考慮，以短期收益為導(dǎo)向的可靠性曲線作為可靠性維護(hù)周期的基線曲線。根據(jù)基于馬爾可夫過程的狀態(tài)維護(hù)，在計(jì)算t=1.6所對應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)閾值和月度不合格數(shù)據(jù)時，可靠性維護(hù)的最佳周期為1.6個月。

2.5 牽引控制模塊

對于牽引系統(tǒng)本身而言，其中的牽引控制模塊承載著指令輸入、參數(shù)界定等關(guān)鍵任務(wù)，包括相關(guān)信號的轉(zhuǎn)換、脈沖參數(shù)的設(shè)置等，以控制牽引馬達(dá)。評估其可靠性有助于降低列車控制故障率并提高列車運(yùn)行性能。牽引控制模塊可靠性對比如圖8所示。由圖8可知，牽引控制模塊可靠性在不同時間段的總體減少量相同，但減少率和穩(wěn)態(tài)逼近值不同。具有短期收益的可靠性下降最快，最終達(dá)到0.83。具有長期收益的可靠性下降最慢，最終達(dá)到0.93。關(guān)注中穩(wěn)態(tài)可靠性趨于0.89。其預(yù)防性維護(hù)閾值為0.95。本研究有條件維護(hù)馬爾可夫過程，使用關(guān)注短期收益的可靠性曲線作為可靠性維護(hù)周期的參考曲線，以安全為首要考慮。設(shè)置t=1.4。在計(jì)算裝配月份的故障數(shù)據(jù)時，1.4個月是最可靠的檢驗(yàn)周期。

圖8 牽引控制模塊可靠性對比圖Fig.8 Reliability comparison diagram of traction control module

2.6 牽引系統(tǒng)可靠性評估

牽引系統(tǒng)可靠性評估曲線如圖9所示。

圖9 牽引系統(tǒng)可靠性評估曲線Fig.9 Reliability evaluation curves of traction system

由圖9可知，牽引系統(tǒng)在不同時間具有相同的整體下降趨勢，但其降速和穩(wěn)態(tài)接近的值不同。所有牽引系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方法的短期收益可用性下降速度最快，低于每個子系統(tǒng)模塊的成本。考慮到長期收益，可靠性最終很可能達(dá)到0.59、趨近于0.63?？紤]到中期收益，可靠性下降率介于兩者之間，穩(wěn)定可靠性趨近于0.62。本研究秉持安全第一的原則，以強(qiáng)調(diào)短期收益的可靠性曲線作為可靠性維修周期的參考曲線。根據(jù)狀態(tài)維修流程設(shè)定t=0.4時所對應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)閾值，計(jì)算每個月份的誤差數(shù)據(jù)時，以0.4個月作為最佳可靠性維護(hù)期。

3 結(jié)論

本文以地鐵線路的主交流電模型鐵路牽引系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)，評估軌道列車的牽引系統(tǒng)可靠性，對系統(tǒng)常見的故障形式和可能的故障原因展開分析，并利用馬爾可夫獎勵過程來提升牽引系統(tǒng)的可靠性。相關(guān)子模塊的存在隨著時間的推移在各種阻尼因素下發(fā)生變化。本文通過對牽引系統(tǒng)水平的評值，首先確定了評價(jià)牽引系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，并計(jì)算整個系統(tǒng)中各子系統(tǒng)模塊的全局權(quán)重；然后利用馬爾可夫模型對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評價(jià)；最后根據(jù)系統(tǒng)可靠性評估模型和評估結(jié)果，提供合理的維護(hù)周期。該模型對地鐵列車牽引系統(tǒng)的可靠性評估及制定維修維護(hù)策略具有重要的參考價(jià)值。