基于可靠性分析的DSA200型受電弓檢修參數(shù)優(yōu)化研究

關(guān)鍵詞：DSA200型受電弓；指數(shù)分布；檢修間隔時(shí)間；備件數(shù)量；故障樹分析法

0 引言

目前，電力機(jī)車受電弓的維修仍然是根據(jù)走行里程或運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行預(yù)防性維修，這種基于經(jīng)驗(yàn)的維修方法，必然會(huì)出現(xiàn)欠維修或過維修的情況。因此需要基于可靠性原理，深入分析受電弓各部件故障維修數(shù)據(jù)，找出部件失效規(guī)律，進(jìn)而可以實(shí)施以可靠度為指標(biāo)的預(yù)防性維修［1］。受電弓故障或失效，就意味著電力機(jī)車無法獲得電能，從而使電力機(jī)車被迫停車。因此，受電弓的可靠性是保證列車安全運(yùn)行的重要條件［2］?？煽啃灾浮爱a(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”［3］。受電弓在使用過程中受力復(fù)雜，曾多次出現(xiàn)受電弓滑板過度磨耗［4］、受電弓框架裂紋［5］等問題。針對(duì)受電弓或其組件失效的問題，霍肖偉等［6］101-106提出了可靠性評(píng)估方法，李興運(yùn)等［7］提出基于T-S模糊故障樹的可靠性分析方法，薛康等［8］提出最小二乘法分析受電弓故障數(shù)據(jù)，宮琦等［9］提出受電弓故障模式綜合評(píng)判法，齊金平等［10］提出超橢球貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評(píng)估方法。林平等［11-12］對(duì)受電弓止擋、受電弓弓頭等部件單獨(dú)展開可靠性計(jì)算。通過文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)專家對(duì)受電弓可靠性研究主要集中在兩個(gè)方面：一是研究如何利用受電弓及其組件故障數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，建立可靠度函數(shù)；二是探究受電弓更為有效的可靠性評(píng)估方法。對(duì)于受電弓重點(diǎn)部件管理、最優(yōu)檢查維修間隔時(shí)間、最優(yōu)備品備件數(shù)量等具體問題研究較少。

目前，受電弓檢修規(guī)程按照運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)度來安排檢修內(nèi)容，其中C1檢修周期為3個(gè)月；C2檢修周期為6個(gè)月；C3檢修周期為1年；C4檢修周期為3年；C5檢修周期為6年；C6 檢修周期為12年［6］101-106。受電弓各檢修周期和檢修內(nèi)容的安排主要基于經(jīng)驗(yàn)，因此必然會(huì)出現(xiàn)欠維修或過維修的情況。欠維修會(huì)使受電弓具有安全隱患，甚至造成機(jī)車事故；過維修會(huì)導(dǎo)致不必要的人力、物力、財(cái)力的投入，使受電弓整體維修費(fèi)用增加。另外，目前受電弓備件以“安全、夠用”為原則，沒有清晰的數(shù)量要求，通常準(zhǔn)備五六套。備件過少會(huì)使待修機(jī)車經(jīng)歷不必要的停機(jī)；備件過多，會(huì)導(dǎo)致不必要的備件庫(kù)存費(fèi)用。為此，以可靠性為基礎(chǔ)、以降低檢查維修費(fèi)用為目標(biāo)，優(yōu)化受電弓檢修周期、備件數(shù)量等參數(shù)，可以為檢查維修人員提升檢修保障效率和降低維修成本提供科學(xué)依據(jù)。

針對(duì)以上問題，利用DSA200型受電弓組件故障維修數(shù)據(jù)，擬合受電弓組件失效概率分布，構(gòu)建受電弓組件可靠性框圖模型，計(jì)算受電弓可靠度。建立受電弓預(yù)防性維修和更換的最小費(fèi)用模型，計(jì)算受電弓最優(yōu)預(yù)防性維修的間隔時(shí)間、維修間隔中的最優(yōu)備件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)降低總維修費(fèi)用的目標(biāo)。并利用故障樹分析法，分析各組成部件故障概率及重要度，指出受電弓檢查維修需要重點(diǎn)關(guān)注的部件，達(dá)到提高維修效率的目的。

1 DSA200型受電弓構(gòu)成及組件失效數(shù)據(jù)分析

1. 1 DSA200 型受電弓構(gòu)成及工作原理

DSA200型受電弓是我國(guó)交流傳動(dòng)貨運(yùn)機(jī)車HXD2型電力機(jī)車使用的一種從接觸網(wǎng)獲取電能的重要電氣部件。當(dāng)受電弓升起時(shí)，其滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸，從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上受取電流，并將其通過車頂母線傳送至機(jī)車內(nèi)部，供機(jī)車使用。由于受電弓極其重要，所以當(dāng)受電弓故障時(shí)，機(jī)車會(huì)選擇降下故障受電弓，升起備用受電弓，繼續(xù)維持機(jī)車運(yùn)行。通常不會(huì)在故障的情況下繼續(xù)使用受電弓，除非備用受電弓也失效了。受電弓通過絕緣子安裝在電力機(jī)車的車頂上，是一種鉸接式的機(jī)械構(gòu)件，主要由碳滑板、弓頭、上臂桿、下臂桿、上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿、升弓裝置、氣源控制裝置、底架等部件組成。DSA200型受電弓如圖1所示。

1. 2 DSA200 型受電弓組成部件失效分布擬合

從某機(jī)務(wù)段經(jīng)營(yíng)的19臺(tái)HXD2型電力機(jī)車為期10年的維修記錄中可以看出，影響電力機(jī)車運(yùn)行的故障記錄共8 023條，其中涉及受電弓及其組件的故障數(shù)占電力機(jī)車部件所有故障數(shù)的近8. 5%。按照故障在一次工作中出現(xiàn)的同一部件或是設(shè)備的間歇性故障或多次報(bào)警，只記錄1次故障的統(tǒng)計(jì)原則，整理后獲得氣囊式氣缸有效的故障數(shù)據(jù)為25條，如表1所示。

通過設(shè)備失效數(shù)據(jù)的整理分析，可以初步確定失效數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，為可靠性指標(biāo)的定量評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)和方向［13］。在置信度為95%的精度下，采用極大似然估計(jì)法對(duì)氣囊式氣缸失效數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分布擬合。圖2～圖5是氣缸失效數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)4種分布的概要圖，圖6是氣缸失效數(shù)據(jù)不同分布的概率圖。圖6中，Anderson-Darling（AD）值越少，表示分布與數(shù)據(jù)似合得越好。概要圖的縱坐標(biāo)中，f（t）為概率密度函數(shù)；u（t）為分布函數(shù)；s（t）為生存函數(shù)；g（t）為故障函數(shù)。橫坐標(biāo)中，t為時(shí)間，單位為h。概要圖可以反映氣囊式氣缸失效時(shí)間的概率密度函數(shù)、生存函數(shù)、故障函數(shù)等。

根據(jù)圖6，氣囊式氣缸失效時(shí)間數(shù)據(jù)擬合的威布爾分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布、最小極值分布的AD值，分別為1. 020、2. 046、1. 010、2. 250，其中指數(shù)分布的AD值最小，表示指數(shù)分布與氣囊式氣缸失效時(shí)間數(shù)據(jù)擬合度最高。因此，可以初步得出結(jié)論：氣囊式氣缸失效時(shí)間規(guī)律符合指數(shù)分布規(guī)律。

1. 3 DSA200 型受電弓組成部件失效分布檢驗(yàn)

采用Bartlett值可以檢驗(yàn)失效數(shù)據(jù)是否服從指數(shù)分布，其統(tǒng)計(jì)量可以表示為

由于13. 848 4lt;23.93lt;36.415 1，所以進(jìn)一步證明B25不能拒絕氣囊式氣缸失效樣本服從指數(shù)分布的假設(shè)。

按照此失效數(shù)據(jù)分析方法，逐一分析受電弓其他組成部件的失效時(shí)間分布規(guī)律，如表2所示。表2給出了受電弓失效類型、失效部件、失效數(shù)、失效時(shí)間分布及根據(jù)失效數(shù)據(jù)估計(jì)的失效時(shí)間。

2 DSA200 型受電弓組件可靠性分析

根據(jù)為期10年統(tǒng)計(jì)的DSA200型受電弓檢查維修數(shù)據(jù)，受電弓故障更換零部件的平均費(fèi)用為1 500元/h，而預(yù)防性更換的費(fèi)用為800元/h。受電弓備件短缺或多余造成費(fèi)用的懲罰函數(shù)為3. 5。據(jù)此確定DSA200型受電弓最優(yōu)預(yù)防性維修時(shí)間間隔和維修間隔時(shí)間中的最優(yōu)備件數(shù)量。

2. 1 計(jì)算DSA200 型受電弓可靠度

依據(jù)DSA200 型受電弓具體組成部件失效數(shù)據(jù)（表2），舍棄不常出現(xiàn)失效的部件，建立受電弓串聯(lián)性質(zhì)的可靠性框圖，如圖7所示。圖7中A2表示氣源控制裝置的節(jié)流閥（表2），其他部件編號(hào)以此類推。

2. 2 DSA200 型受電弓檢修參數(shù)優(yōu)化

由于受電弓具有恒定失效率，故受電弓的失效率可根據(jù)式（2）直接得到

受電弓正常運(yùn)行直至失效，根據(jù)不同失效情況，失效部件被更換或維修恢復(fù)到最初的運(yùn)行水平，這個(gè)過程是更新過程。對(duì)于一個(gè)失效率λ為常數(shù)的部件，在時(shí)間段［0，tp］內(nèi)該部件的更新函數(shù)的漸進(jìn)解可以表示為

3 DSA200 型受電弓組件故障樹分析

3. 1 建立DSA200 型受電弓故障樹

故障樹分析法是將系統(tǒng)故障的原因，由總體至部分，按照樹形結(jié)構(gòu)自上而下按層細(xì)化的分析方法［14］。從受電弓結(jié)構(gòu)入手，分析其故障原因。將受電弓系統(tǒng)故障分為機(jī)械故障、氣路故障和電路故障。機(jī)械故障主要表現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，即組成部件的損壞和部件之間的作用關(guān)系破壞。氣路故障主要表現(xiàn)在受電弓升降弓時(shí)出現(xiàn)無法充排氣或壓縮空氣泄露的情況。電路故障主要表現(xiàn)在電路器件、導(dǎo)線損壞致使控制電路失效的情況。具體頂事件、中間事件，如表3所示。根據(jù)DSA200型受電弓組成結(jié)構(gòu)及工作原理，以及受電弓故障就須換弓運(yùn)行，不得帶“病”使用的原則，采用演繹法構(gòu)建DSA200型受電弓故障樹，如圖9所示。

由表2可知，受電弓組件故障次數(shù)，結(jié)合維修基地10年中統(tǒng)計(jì)的8 023件故障記錄，可推算出受電弓組件發(fā)生故障的概率，具體底事件及其故障發(fā)生概率，如表4所示。

3. 2 DSA200 型受電弓故障樹分析

3. 2. 1 計(jì)算頂事件概率

根據(jù)圖9，利用下行法求故障樹的最小割集為

式中，P 為故障樹頂事件發(fā)生的概率；NG為故障樹最小割集數(shù)；m 為最小割集序數(shù)；j 為頂事件序數(shù)；Xj∈Gm表示第j 個(gè)底事件屬于第m 個(gè)最小割集；qj （j=1，2，3，…，21）為底事件的發(fā)生概率。

通過式（11）可得頂事件發(fā)生的概率為P=0. 060 8。

3. 2. 2 計(jì)算底事件重要度

結(jié)構(gòu)重要度是指不考慮底事件自身發(fā)生的概率，僅從結(jié)構(gòu)上分析各個(gè)底事件對(duì)頂事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度［15］139-142。由于故障樹底事件較多，采用最小割集進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析，底事件結(jié)構(gòu)重要度表達(dá)式為

由表5可知，檢修人員針對(duì)受電弓設(shè)備的檢查維修工作，從底事件位置結(jié)構(gòu)重要度和底事件故障概率對(duì)受電弓的影響程度看，檢修人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氣囊式氣缸、滑板、彈簧、推桿、上部導(dǎo)框、下臂桿、平衡桿、中間鉸鏈、節(jié)流閥、絕緣軟管、管路接頭、繼電器、電路導(dǎo)線、傳感器等部件。從受電弓故障的敏感性來看，氣囊式氣缸和管路接頭的檢查是重中之重。檢修人員以此為參考，嚴(yán)守檢修流程和標(biāo)準(zhǔn)，確保檢修工作“不漏項(xiàng)、不缺項(xiàng)，有順序、有重點(diǎn)”。

4 結(jié)論

結(jié)合DSA200 型受電弓為期10 年的維修統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基于預(yù)防維修和更換最小費(fèi)用模型，優(yōu)化了受電弓檢修參數(shù)，利用故障樹分析法對(duì)受電弓組件重要度進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1）DSA200型受電弓各部件失效時(shí)間服從指數(shù)分布函數(shù)，整個(gè)受電弓的失效率為8. 831×10-3。

2）DSA200型受電弓最優(yōu)檢查維修的時(shí)間間隔為1 414 h，最優(yōu)備件數(shù)量為2套。

3）DSA200型受電弓故障概率為0. 068 0，檢修人員應(yīng)在檢查維修中重點(diǎn)關(guān)注氣囊式氣缸、滑板、彈簧、推桿、上部導(dǎo)框、下臂桿、平衡桿、中間鉸鏈、節(jié)流閥、絕緣軟管、管路接頭、繼電器、電路導(dǎo)線、傳感器等部件。