受電弓可靠性分析與研究*

白金花

(蘭州交通大學(xué) 博文學(xué)院，甘肅 蘭州 730101)

0 引 言

受電弓作為電力機車的一個重要電氣部件，它與接觸電網(wǎng)直接接觸，將電流從接觸網(wǎng)上引入機車，為車內(nèi)的電氣設(shè)備提供電力[1]。電氣列車所需的電能，首先由變電所將電送到接觸網(wǎng)上，再經(jīng)過機車的受電弓、主斷路器、避雷器后引入主變壓器原邊繞組，然后通過接地線接到車輪上，最后經(jīng)過鐵軌回流到變電所。因此，在運營過程中，一旦受電弓發(fā)生故障導(dǎo)致停車，這不僅僅會影響故障列車的運營，還有可能會造成其他列車大面積停車，嚴重影響正常運行秩序。所以，如何降低受電弓的故障率、快速找出發(fā)生故障的原因，并給出相應(yīng)的對策就顯得尤為重要。

筆者根據(jù)受電弓的結(jié)構(gòu)及其工作特點，建立了受電弓的串聯(lián)可靠性模型，并運用相關(guān)數(shù)據(jù)進行了可靠性預(yù)計與再分配。通過可靠性預(yù)計與再分配，發(fā)現(xiàn)影響整個受電弓可靠性的主要因素，以便找出薄弱環(huán)節(jié)以采取必要的措施，合理地確定系統(tǒng)中每個單元的可靠度。

1 受電弓的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 受電弓的結(jié)構(gòu)

受電弓的具體結(jié)構(gòu)會受電氣列車的運行速度、負荷大小、接觸網(wǎng)狀況以及各國制造經(jīng)驗和技術(shù)習(xí)慣等因素影響而有所不同[2]。但是不論是何種形式的受電弓，它們的結(jié)構(gòu)大體都是相同的。受電弓主要由底架、支架、平衡桿、下臂桿、弓頭、滑板、傳動風(fēng)缸等部件所構(gòu)成。如圖1所示是單臂受電弓DSA200的組成結(jié)構(gòu)圖。

圖1 單臂受電弓結(jié)構(gòu)

1.2 受電弓的工作原理

當(dāng)壓縮空氣進入傳動風(fēng)缸時，壓縮風(fēng)缸彈簧解除風(fēng)缸對下臂的約束，此時兩組升弓彈簧將使受電弓升起，并使受電弓頭與接觸網(wǎng)保持接觸狀態(tài)[3]。受電弓在工作時，其傳動風(fēng)缸將一直被供以壓縮空氣，受電弓可隨接觸網(wǎng)的高度變化而變化，隨時與接觸網(wǎng)保持接觸。

當(dāng)傳動風(fēng)缸排氣時，風(fēng)缸內(nèi)的壓縮彈簧起作用，將克服升弓彈簧的力，使得受電弓的弓頭下降，并保持落在兩個橡膠止檔上。如若切除供風(fēng)，受電弓會自動地降弓。

2 受電弓的可靠性模型

2.1 可靠性框圖

可靠性模型描述了系統(tǒng)及其組成單元之間的邏輯關(guān)系。由受電弓的結(jié)構(gòu)及工作原理，可建立受電弓的可靠性模型如圖2所示。

圖2 可靠性模型框圖

2.2 受電弓可靠性數(shù)學(xué)模型

從受電弓可靠性框圖可以看出，在該系統(tǒng)中，只要一個元件發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就無法工作，故可以將此系統(tǒng)看作是串聯(lián)模型。根據(jù)上述串聯(lián)模型可得出其所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：RS(t)為系統(tǒng)的可靠度；Ri(t)為單元的可靠度；λi(t)為單元的故障率；n為組成系統(tǒng)的單元數(shù)。

當(dāng)各單元的壽命分布均為指數(shù)分布時，系統(tǒng)的壽命也服從指數(shù)分布。系統(tǒng)的故障率λ為系統(tǒng)中各單元的故障率λi之和，可表示如下：

(2)

系統(tǒng)的平均故障時間TBFS：

(3)

由上式可知，系統(tǒng)的可靠度是各個單元可靠度的乘積。因此，單元數(shù)目越多，系統(tǒng)可靠度就越低[4]。

3 可靠性預(yù)計與再分配

表1 單元故障率

當(dāng)單元的故障服從指數(shù)分布時，故障率為常數(shù)，產(chǎn)品可靠度的表達式為：

R(t)=e-λt

(4)

對于電磁閥，λ=0.046 3×10-6/h-1，t=43 200 h，根據(jù)公式(4)可計算出其可靠度為0.991 3。同理，可得到系統(tǒng)各個單元的可靠度，如表2所列。

表2 單元可靠度

由于系統(tǒng)為串聯(lián)模型，則系統(tǒng)可靠度為：

RS=0.998 0×0.975 0×0.981 5×0.993 4×0.991 6

=0.940 6

(1)根據(jù)各分系統(tǒng)的可靠度大小，由低到高將它們依次排列：

R1

(2)按可靠度再分配的基本思想，把可靠度較低的R1,R2,…,Rk0都提高到某個值R0，而原可靠度較高的Rk0+1,…,Rn保持不變，則系統(tǒng)可靠度為：

(5)

使RS滿足規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標要求，即：

(6)

(3)確定k0及R0，即確定哪些系統(tǒng)的可靠度需要提高并提高到什么程度。

k0可以通過式(6)、(7)不等式求得：

(7)

令：Rn+1=1.0

(8)

k0就是滿足不等式(7)中j的最大值，則：

(9)

根據(jù)上述可靠度再分配的方法步驟，可以對受電弓的各分系統(tǒng)進行可靠性再分配。

(2)把原分系統(tǒng)的可靠度由小到大排列為：

R1=0.975 0，R2=0.981 5，R3=0.991 6，R4=0.993 4，R5=0.998 0

(3)按式(7)確定k0

由式(8)可知：Rn+1=R6=1.0

j=1,

=0.984 6>0.975 0=R1

j=2,

根據(jù)前面所說的k0，就是滿足不等式中j的最大值，因此，k0=1。

(4)按式(9)計算R0：

(5)得到R1=R0=0.984 6，R2=0.981 5，R3=0.991 6，R4=0.993 4，R5=0.998 0。即第1個分系統(tǒng)的可靠度提高到0.984 6。

(6)按式(5)驗算系統(tǒng)的可靠度

經(jīng)過可靠度再分配后，系統(tǒng)滿足了規(guī)定的可靠度指標。

4 結(jié) 論

通過對受電弓可靠性模型的分析，及其可靠性預(yù)計與再分配。可以得出為提高該系統(tǒng)可靠度，在實際應(yīng)用過程中，可從以下幾個方面進行考慮。

(1)盡可能減少串聯(lián)單元數(shù)，并盡可能縮短其工作時間。

(2)增加各個元器件的保養(yǎng)次數(shù)，加強對各個元件工作狀態(tài)的監(jiān)測，提高各個單元可靠性。

(3)在受電弓上，采用可靠度較高的電磁閥。

(4)對臂桿進行必要的技術(shù)的改進，提高其運行可靠性。

(5)使用具有更好特性(機械強度、電氣特性)的滑板材料，以提高滑板壽命。

(6)受電弓的框架應(yīng)盡量簡單、輕便，這對提高受電弓的性能(跟隨性)有利。

綜上所述，為了提高整個受電弓接觸網(wǎng)受流系統(tǒng)的可靠性，只有將組成受電弓的各個部分元器件可靠性得到保證，不僅可以為列車平穩(wěn)、安全、舒適運行創(chuàng)造有利條件，還可以大大減少檢修人員故障診斷、檢修工作量。