中低速磁浮列車懸浮控制系統可靠性分析及優化*

侯 磊 張文躍 高 鋒 梁 濤

(1.中車株洲電力機車有限公司， 412001， 株洲； 2.中國鐵建電氣化局集團第四工程有限公司，410007， 長沙∥第一作者， 工程師)

目前，軌道交通領域中的地鐵、輕軌、高速鐵路等模式下的列車技術相對成熟，對列車可靠性的研究較為充分[1-3]，而中低速磁浮作為新興的交通模式，其運營的車輛數量少、時間短、數據積累不足，因此對中低速磁浮的列車可靠性研究較少;尤其是對中低速磁浮列車的核心系統——懸浮控制系統的可靠性評估、分析、優化較為缺乏。為了抓住磁浮交通大發展的契機，促進中低速磁浮的推廣應用，本文依據積累的實際運營數據，結合懸浮控制系統的組成結構，對其系統的可靠性進行評估，對系統的薄弱點進行優化，從而提升系統的可靠性。

1 懸浮控制系統的結構和可靠性模型

本文以中低速磁浮列車的懸浮控制系統為研究對象，基于其結構組成，采用串聯、并聯系統等可靠性模型對其進行分析。

1.1 懸浮控制系統的結構

中低速磁浮列車的懸浮控制系統用于實現列車穩定懸浮，是列車的核心子系統，直接影響列車運行的穩定性和可靠性。

如圖1所示，中低速磁浮列車有多個懸浮點位，且各懸浮點位的組成結構相同，整車的懸浮控制系統包括整列車所有懸浮點位的懸浮控制單元。單個懸浮點位的懸浮控制單元主要由1臺懸浮控制器和1臺懸浮傳感器組成。

1.2 懸浮控制系統的可靠性模型

中低速磁浮列車由若干節車輛編組而成。以1節中低速磁浮車輛進行可靠性建模分析，其共有10臺懸浮電磁鐵，每臺懸浮電磁鐵由2個懸浮點位的懸浮控制單元共同控制，1節車共包含20個懸浮點位的懸浮控制單元。當某個懸浮控制單元故障時，為了避免懸浮電磁鐵線圈中電流過大，導致線圈燒損，同一臺懸浮電磁鐵的另外1個懸浮點位的懸浮控制單元必須封鎖輸出，即控制同一臺懸浮電磁鐵的2個懸浮控制單元可視為同時失效。

此外，由于不同懸浮電磁鐵的懸浮控制單元相互獨立，為并聯關系，因此，1節車的懸浮控制系統可靠性模型可視為串并聯混合模型，如圖2所示。

圖1 中低速磁浮列車懸浮控制系統結構示意圖

圖2 1節中低速磁浮車輛的懸浮控制系統可靠性模型

對于單個懸浮點位的懸浮控制單元，依據電路結構分析，懸浮傳感器以及懸浮控制器內部的控制電源、懸浮控制板、信號處理板等主要部件中任意部件故障都會引起整個懸浮控制單元故障，因此懸浮控制單元的可靠性模型應為串聯模型，如圖3所示。

注：IO為輸入輸出；IGBT為絕緣柵雙極型晶體管。圖3 懸浮控制單元的可靠性模型

2 可靠性數學模型

2.1 電子產品的可靠性數學模型

電子產品的壽命一般服從指數分布，特征是無記憶性，即前后發生的2個故障之間不存在聯系。其可靠性函數R(t)的計算式為：

R(t)=e-λt

(1)

式中：

t——工作時間；

λ——故障率。

可修復產品的壽命為相鄰2次故障間的工作時間，其平均壽命即平均無故障間隔時間為：

(2)

從式(2)中可知，TMTBF是λ的倒數。

2.2 串聯、并聯系統的可靠性數學模型

假設某系統中有n個相互獨立的單元，每個單元的可靠性為Ri(t)(i=1,2,…,n)，則該串聯系統的可靠性Rs,s(t)為：

(3)

依據式(1)得：

Ri(t)=e-λit

(4)

Rs,s(t)=e-λst

(5)

則串聯系統故障率λs,s(t)為：

(6)

依據式(2)，串聯系統的平均無故障間隔時間Ts,MTBF為：

(7)

類似串聯系統，并聯系統的可靠性Rp,s(t)為：

(8)

并聯系統的故障率λp,s(t)為：

(9)

2.3 懸浮控制系統的可靠性數學模型

根據故障嚴重等級，中低速磁浮列車的故障形式可分為以下3類：

1) 救援故障：列車無法繼續運營，必須進行救援。根據運營經驗，當1節車10臺懸浮電磁鐵中有5臺及以上的懸浮控制單元失效時，列車必須救援。

2) 晚點故障：列車可以降速運行，不需要救援，但會發生晚點。當1節車10臺懸浮電磁鐵中有5臺以下的懸浮控制單元失效時，列車需降速運行。

3) 一般故障：懸浮控制系統中的部件發生輕微故障，未完全失效，不影響運營，列車運營結束后，回庫進行檢修。

r/n(G)表決模型用于任務可靠性建模[4]。如圖4所示，1節車的懸浮控制系統表決模型由10臺懸浮電磁鐵及1個表決器組成，采用5/10(G)表決器，當正常運行的懸浮電磁鐵數量不小于5臺時，表決器將做出判斷，系統不會發生救援故障。

圖4 1節中低速磁浮車輛懸浮控制系統的表決模型

R(t)為單個懸浮控制單元的可靠性，則每組的可靠性為R(t)2。依據文獻[4]可得1節車的懸浮控制系統可靠性Ra,s(t)為：

(10)

式中：

3 懸浮控制系統的可靠性計算與優化

3.1 各部件的可靠性計算

由于僅有一部分部件在運營過程中出現故障，僅基于運營數據無法計算出懸浮控制系統所有部件的可靠性，因此針對運營過程中未發生故障的部件，本文結合標準數據和經驗數據對其可靠性進行了分析和計算。

3.1.1 基于運營數據計算部分部件的故障率

以懸浮控制系統及其組成部件區間估計TMTBF的單側置信下限θL為：

(11)

式中：

Ta——運營總時間；

R——故障次數；

γ——置信水平(取0.75)。

選取某中低速磁浮線路4年的運營數據進行分析。該線路共有4列3節編組的列車，每列車有60個懸浮控制單元。該線路每日運營時間為18 h，4年累計運營總時間Ta為630 720 0 h。該線4年內所有列車的懸浮控制系統共發生了15起故障(見表1)，根據可靠性理論，綜合Ta、表1數據、θL以及圖2～3的可靠性模型，可計算出表1中各部件的故障率。

表1 某中低速磁浮線路所有列車的懸浮控制系統故障數據

3.1.2 參考標準數據計算部分部件的故障率

對于常見的電子元器件(如溫度開關、電源濾波器、支撐電容等)，通過查閱GJB/Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》可得到其通用故障率，進而計算其故障率。

3.1.3 結合經驗數據計算部分部件的故障率

對于電壓傳感器、電流傳感器、IGBT電路、接觸器等部件，根據經驗數據，可估算出其故障率。

3.1.4 懸浮控制單元的主要部件故障率計算值

綜合上述運營數據、標準數據和經驗數據的分析與計算，可得懸浮控制單元的主要部件的故障率計算值如表2所示。其中：序號1～8部件的故障率為基于運營數據的計算值；序號9～11部件的故障率為參考標準數據查表得到的計算值；序號12～15部件的故障率為結合經驗數據得到的計算值。

依據式(6)，由表2可得單個懸浮控制單元故障率計算值為2.475×10-6。

3.2 可靠性的優化設計

從表2中可知，懸浮傳感器、斬波管理板、斬波驅動板等部件的故障率較高，是影響懸浮控制單元可靠性的薄弱環節。結合結構設計經驗，本文提出的可靠性優化設計措施包括：

1) 懸浮傳感器的優化設計。通過在懸浮傳感器內部增加1個間隙探頭和1路獨立供電電源，進一步提高懸浮傳感器的冗余能力。依據可靠性理論進行計算，優化后的可靠性較優化前提升了67%。

2) 斬波驅動板的優化設計。將斬波器電源濾波電容由鉭電容更換為瓷片電容，電容量保持不變。經實際驗證，更換斬波器電源濾波電容后，1年內未發生過類似故障。考慮到斬波驅動板與信號處理板電路結構相似、內部器件數量接近，可認為優化后的斬波驅動板與表2中的信號處理板故障率相當。

表2 懸浮控制單元的主要部件故障率計算值

3) 斬波管理板的優化設計。增加供電電源的隔離和濾波處理，提升其抗電磁干擾能力。

4) 控制電源的優化設計。重新設計控制電源，對電源進行降額設計，以提高電源的可靠性。

優化前后的各部件故障率對比如表3所示。

表3 優化前后的各部件故障率

依據式(6)，與優化前相比，優化后的懸浮控制單元故障率為1.873×10-6，降幅為24.32%。

4 可靠性優化前后對比分析

4.1 救援故障對比分析

結合表2～3可得優化前后懸浮控制單元的故障率分別為2.475×10-6和1.873×10-6，分別計算其在每日運營時間18 h下的可靠性，所得結果都極為接近1，即優化前后出現救援故障的概率都極低。

4.2 晚點故障對比分析

由懸浮控制系統造成的列車晚點故障一般可分為掉點故障、砸軌故障和過流故障3種。

1) 掉點故障分析。懸浮掉點指該懸浮點位不能懸浮，懸浮控制單元無輸出，列車需降速運行，從而造成列車晚點。根據懸浮控制單元的工作原理，控制電源、接觸器、電源濾波器、支撐電容、IO板、懸浮控制板、斬波管理板、斬波驅動板、IGBT電路、陶瓷保險絲等部件發生故障都可能造成掉點故障，因此，掉點故障的故障率為這些部件故障率之和。依據表2～3，可知優化前后因掉點故障引起的列車晚點故障率分別為1.853×10-6和1.429×10-6。

2) 砸軌故障分析。砸軌是指懸浮發生失穩，電磁鐵與軌道之間發生持續撞擊，此時需通過列車降速以保障乘客的安全，從而引起列車晚點。根據懸浮控制單元的工作原理，懸浮控制板、信號處理板、IO接口板、斬波管理板等部件發生故障都可能引起砸軌故障，因此，砸軌故障的故障率為這些部件故障率之和。依據表2～3，可知優化前后因砸軌故障引起的列車晚點故障率分別為0.673×10-6和0.620×10-6。

3) 過流故障分析。過流是指由于輸出短路等原因造成懸浮控制單元輸出電流持續超過安全閾值，此時必須關閉輸出，同時通過降速以保障乘客的乘坐舒適度，從而引起列車晚點。根據懸浮控制單元的工作原理，電源濾波器、電流傳感器、懸浮控制板、IGBT電路、斬波管理板、斬波驅動板等部件發生故障都可能造成過流，因此，過流故障的故障率為這些部件故障率之和。依據表2～3，可知優化前后因過流故障引起的列車晚點故障率分別為1.313×10-6和0.904×10-6。

根據實際經驗，以上3類故障發生概率占比分別為0.4，0.3和0.3，因此，懸浮控制器晚點故障的故障率預計值λ晚點為：

λ晚點=0.4λ掉點+0.3λ砸軌+0.3λ過流

(12)

式中：

λ掉點——發生掉點故障的故障率；

λ砸軌——發生砸軌故障的故障率；

λ過流——發生過流故障的故障率。

依據上述計算方法，并查表2～3中優化前后相關部件的故障率，可計算得到優化前后懸浮控制器的晚點故障率分別為1.337×10-6和1.029×10-6。

依據式(1)，可得晚點故障發生的概率Y為：

Y=1-R(t)=1-e-λt

(13)

將上述優化前后的晚點故障率代入式(13)中，可得到優化前后晚點故障發生的概率對比情況，如圖5所示。

圖5 優化前后晚點故障發生的概率

4.3 一般故障對比分析

懸浮控制單元中任意1個元器件發生故障都會造成一般故障，這類故障雖不影響列車的正常運行，但需要列檢、臨修時進行處理，因此該類故障的故障率之和即為懸浮控制單元的故障率。可將表2～3中的數據進行求和計算，得到優化前后懸浮控制單元的故障率分別為2.475×10-6和1.873×10-6。

將優化前后懸浮控制單元的故障率代入到式(1)中，可得到優化前后的懸浮控制單元的可靠性變化曲線,如圖6所示。將優化前后懸浮控制單元的故障率代入到式(1)和式(10)中，可得到優化前后1節車的懸浮控制系統的可靠性變化曲線，如圖7所示。

圖6 優化前后懸浮控制單元的可靠性

圖7 優化前后1節車懸浮控制系統的可靠性

5 結語

本文針對中低速磁浮交通這一前景廣闊的新興軌道交通模式，研究了業內目前較少涉及、但直接影響運營的懸浮控制系統可靠性問題。基于運營數據、標準數據和經驗數據，結合控制系統的組成結構和相關的可靠性模型，在找出懸浮控制系統可靠性薄弱環節的基礎上，對懸浮控制系統的主要部件進行了優化，并分析對比了優化前后各個部分對系統可靠性的影響，可為中低速磁浮列車的可靠性提升提供指導。