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)*

近年來隨著我國高速鐵路的迅猛發(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)注的首要問題，如何保證其安全可靠的穩(wěn)定運(yùn)營，直接關(guān)系著人們的生命財產(chǎn)安全，所以對機(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.過去一直停留在對受電弓整件的可靠性分析，并沒有對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，通過多種可靠性分析方法分析影響其可靠性的敏感部件，通過現(xiàn)場運(yùn)用數(shù)據(jù)情況，選取適合的評估方法，開展可靠性評估，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.

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)動裝置，負(fù)責(zé)受電弓的升降，在受電弓工作過程中，緩沖來自接觸網(wǎng)的振動沖擊，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個月檢修內(nèi)容；C2修為6個月檢修內(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)行過程中的減震部件，其性能對于受電弓的動態(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，還需保證在降弓時對受電弓進(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)驗可以發(fā)現(xiàn)，減壓閥長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)氣壓超過安全范圍時啟動，對受電弓氣路提供保護(hù).受電弓采用的安全閥為直動式安全閥，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)生疲勞問題.安全閥性能對于受電弓的安全性具有重要影響.

初步識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

故障數(shù)據(jù)是可靠性數(shù)據(jù)中的重要部分，它是對部件故障時狀況的描寫，在開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之前，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)計范圍[3].

由于部件投入使用的時間不同，觀測者記錄數(shù)據(jù)時除故障時間外，還有一些部件統(tǒng)計時仍在完好地工作，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)場數(shù)據(jù)隨機(jī)截尾的特性[4]，如圖2所示.

圖2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)隨機(jī)截尾示意圖

統(tǒng)計新八軸機(jī)車DSA200受電弓實際使用中的運(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.

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

責(zé)任故障主要集中在壓力開關(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為進(jìn)口閥膜片低溫性能不理想，且目前已對快速降弓閥膜片國產(chǎn)化，基本解決快速降弓閥膜片故障，故不對快速降弓閥故障進(jìn)行評估分析.

2.2 最優(yōu)壽命分布確定

著名統(tǒng)計學(xué)家赤池弘次(Hirotugu Akaike)在研究信息論特別是解決時間序列定階問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所“損失的信息”，因此使用該準(zhǔn)則時，選取AIC值最小的分布.特別注意的是，AIC數(shù)值的絕對大小沒有意義，只有在多個模型相比時才有相對大小的意義，才可得出到某個模型在所有備選模型中最好的結(jié)論.

2.3 可靠性評估方法選擇

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算樣本的經(jīng)驗分布函數(shù).

根據(jù)故障數(shù)據(jù)數(shù)量的多少，選取不同的評估方法得到零部件可靠性評估結(jié)果[6].對于故障數(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)分布與對數(shù)正態(tài)分布中選取最合適的分布對零部件進(jìn)行可靠性評估[7]；對于故障數(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算結(jié)果作為該零部件的可靠性評估結(jié)果.

2.4 各零部件可靠性評估

2.4.1 壓力開關(guān)、減壓閥、升弓閥板管路

壓力開關(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，故障、截尾數(shù)據(jù)分布如圖3所示.

(a) 壓力開關(guān)

(b) 減壓閥

(c)升弓閥板管路

采用不同壽命分布對壓力開關(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) 壓力開關(guān)

(b) 減壓閥

(c)升弓閥板管路

各分布類型的AIC值計算結(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)則計算結(jié)果，認(rèn)為四種分布中最合適的分布為對數(shù)正態(tài)分布，其參數(shù)估計結(jié)果如表6所示.

表5 零部件各分布AIC準(zhǔn)則計算結(jié)果

表6 壓力開關(guān)對數(shù)正態(tài)分布參數(shù)估計結(jié)果

圖5 零部件可靠度曲線

(a)壓力開關(guān)

(b)減壓閥、升弓閥板管路

根據(jù)分布參數(shù)估計結(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估計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估結(jié)果 萬公里

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，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，見表8.需要指出的是，按照此方法給出的可靠性評估結(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)實際運(yùn)行情況對評估結(jié)果進(jìn)行更新.

表8 不同可靠度下的可靠壽命評估結(jié)果 萬公里

3 結(jié)論

本文通過對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，并對運(yùn)行故障數(shù)據(jù)分析，對主要故障部件進(jìn)行可靠性評估，評估結(jié)果相對保守.

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