CRH3動車組輪緣潤滑系統(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) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

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

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

常見的系統(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法是一種倒樹狀的邏輯因果關(guān)系圖，其缺點是復(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)計分析方法.它常有相對固定的表格格式，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)雜時其狀態(tài)空間圖的結(jié)構(gòu)會非常復(fù)雜，不太實用［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法程序計算所分析系統(tǒng)各種狀態(tài)的發(fā)生概率，進(jìn)而計算系統(tǒng)的可靠度.對于有多狀態(tài)、有時序系統(tǒng)的可靠性和安全性分析更為合適［8］.

有關(guān)GO法在動車組輪緣潤滑系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用研究相對較少，本文結(jié)合CRH3動車組輪緣潤滑系統(tǒng)的工作原理，基于GO法的運算規(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 輪緣潤滑系統(tǒng)工作原理

輪緣潤滑系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.在單向運行的車輛上，輪緣潤滑系統(tǒng)［1］包括:油箱、氣動泵、油氣混合塊、電磁閥、Turbolub油氣分配器、噴嘴、電控箱、管路和潤滑劑等.其工作原理［1］是:通過一個氣動柱塞泵將潤滑劑打入油氣混合塊中，同時潤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 輪緣潤滑系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

2 建立輪緣潤滑系統(tǒng)GO圖模型

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

由輪緣潤滑系統(tǒng)的工作過程，確定系統(tǒng)的范圍從壓縮空氣和油箱開始，直到潤滑劑噴射到輪緣上.首先按照組成元部件的功能選擇對應(yīng)類型的操作符來代表各個元部件.系統(tǒng)的初始輸入為壓縮空氣和油箱，以及電磁閥和氣動泵的控制信號，因此用類型5輸入操作符來表示這些輸入;電磁閥和氣動泵不僅需要主信號，還需要控制信號才能導(dǎo)通，因此用類型6有條件信號而導(dǎo)通的操作符代表;潤滑劑和壓縮空氣要在油氣混合塊中混合，兩者都導(dǎo)通才能實現(xiàn)在油氣混合塊中混合，因此用類型10與門的操作符表示;其他部件如空氣過濾器、油氣混合塊、過濾器、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)圖直接生成輪緣潤滑系統(tǒng)的GO圖.

輪緣潤滑系統(tǒng)是一個簡單的兩狀態(tài)系統(tǒng)，各部件只有成功和故障兩個狀態(tài)，沒有提前狀態(tài)，信號流也只有成功和故障兩個狀態(tài)，用狀態(tài)值1和2表示.輪緣潤滑系統(tǒng)有4個輸入操作符，8個功能操作符和一個與門操作符，其成功和故障狀態(tài)概率數(shù)據(jù)列于表1.

圖2 輪緣潤滑系統(tǒng)GO圖

表1 輪緣潤滑系統(tǒng)操作符數(shù)據(jù)

3 輪緣潤滑系統(tǒng)GO法定量分析

輪緣潤滑系統(tǒng)GO圖模型是簡單的兩狀態(tài)系統(tǒng)，故N=2，沒有提前狀態(tài).因此信號流的狀態(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.信號流的狀態(tài)累積概率為:

輪緣潤滑系統(tǒng)中，輸入信號操作符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圖中信號流序列，對操作符逐個進(jìn)行定量計算即得到所有信號流的狀態(tài)概率.

輪緣潤滑系統(tǒng)的定量計算過程如下:

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

表2 輸入操作符1、4、6和7的狀態(tài)概率計算

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

計算結(jié)果列于表3.

表3 操作符2的狀態(tài)概率計算

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

表4 操作符3的狀態(tài)概率計算

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

計算結(jié)果列于表5.

表5 操作符5的狀態(tài)概率計算

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

計算結(jié)果列于表6.

表6 操作符8的狀態(tài)概率計算

(6)操作符9的狀態(tài)概率計算，操作符9是類型10與門操作符，按與門的概率計算公式，得到輸出信號9的狀態(tài)概率，計算表達(dá)式為:

計算結(jié)果列于表7.

表7 操作符9的狀態(tài)概率計算

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

表8 操作符10的狀態(tài)概率計算

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

表9 操作符11的狀態(tài)概率計算

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

表10 操作符12的狀態(tài)概率計算

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

表11 操作符13的狀態(tài)概率計算

綜上所述，得到系統(tǒng)全部信號流的狀態(tài)概率P和狀態(tài)累計概率A，見表12.

表12 系統(tǒng)信號流狀態(tài)概率和狀態(tài)累計概率表

輸出信號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，但與故障樹分析法相比GO法可以減少工作量和降低建模差錯.

4 結(jié)論

基于CRH3動車組輪緣潤滑系統(tǒng)模型，將GO法引進(jìn)到軌道設(shè)備領(lǐng)域.本文對CRH3動車組輪緣潤滑系統(tǒng)建立對應(yīng)的GO圖，采用狀態(tài)概率公式算法，進(jìn)行了定量分析計算，得到了該系統(tǒng)的狀態(tài)概率，對CRH3動車組輪緣潤滑系統(tǒng)的可靠性分析和評價提供了科學(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應(yīng)，GO法的操作碼和信號流可以準(zhǔn)確地表示系統(tǒng)的多個狀態(tài)，以及模擬有序列過程的狀態(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、計算量大等問題，因此更適用于規(guī)模較大得系統(tǒng)可靠性分析計算.

采用GO法對CRH3動車組輪緣潤滑系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析是實際可行.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)實意義.

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