軌道交通接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件健康管理研究

許捷墀 徐礪鋒 史文釗 潘志群

1. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 上海 201103；2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 上海 201418

1 研究概述

隨著軌道交通的飛速發(fā)展，其對牽引供電系統(tǒng)的要求大幅提高。接觸網(wǎng)作為直接向列車傳輸電能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工作狀況將直接關(guān)系到列車行駛的安全。因此，對接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件的健康狀態(tài)進(jìn)行研究對軌道交通部門具有重要意義。如果維護(hù)不足會導(dǎo)致其可靠性較低，無法保障安全穩(wěn)定地運(yùn)行[1]。而維護(hù)過剩會帶來人力、物力上大幅度的浪費(fèi)，并且會增加接觸網(wǎng)閘刀和接觸網(wǎng)聯(lián)絡(luò)閘刀的機(jī)械損傷。

對于接觸網(wǎng)的零部件狀態(tài)的研究，視頻分析法[2]采用攝像頭對接觸網(wǎng)進(jìn)行視頻檢測，通過人工智能，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速實時分析。該方法雖然分析速度快，但是分析內(nèi)容有限，且容易受天氣等環(huán)境因素的影響，從而在實際應(yīng)用中會降低準(zhǔn)確性。采用熵權(quán)法和層次分析法的線性組合[3-5]，可以得到主客觀兼具的初始權(quán)重，但是太復(fù)雜，不便于維保現(xiàn)場推廣應(yīng)用。采用數(shù)據(jù)分析的方法[6-8]，雖然對來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析建模，但是沒有提出可以供現(xiàn)場實際使用的評估方法。本文針對上海城市軌道交通供電系統(tǒng)的柔性接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件的實際使用壽命、性能指標(biāo)和故障狀況進(jìn)行分析，分別提出了吊弦和接觸線的健康模型，以及狀態(tài)計算和管理評估方法，該方法與實際規(guī)范結(jié)合，具有可操作性，為制定與各條線路相適應(yīng)的管理規(guī)范指南提供依據(jù)。

2 關(guān)鍵零部件健康狀態(tài)分析

2.1零部件運(yùn)營臨界點

上海城市軌道交通運(yùn)營里程逐年增加，設(shè)備維護(hù)工作量逐步加大。隨著運(yùn)行年限的增長，設(shè)備逐步老化。不同設(shè)備設(shè)施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不均衡，差異化明顯，并且新老線路之間差異也較大。因此，統(tǒng)一的檢測和維修規(guī)范會帶來維修不足或者維修過度，需要針對不同線路、不同設(shè)施設(shè)備進(jìn)行評估分析，制定差異化維保規(guī)程。

關(guān)于設(shè)備設(shè)施的維修和更換，并非設(shè)備設(shè)施徹底損毀后才進(jìn)行，而是在其發(fā)生故障或者其狀態(tài)達(dá)到某一臨界點時進(jìn)行。臨界點的設(shè)置一方面是避免即將可能發(fā)生的故障，減少故障發(fā)生的數(shù)量以保障地鐵穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。另一方面是維修成本和安全隱患的控制，設(shè)備設(shè)施在使用周期中存在一個臨界點，在臨界點之前，維修成本小于更換成本。而過了這個臨界點后，不僅設(shè)備設(shè)施的維修成本大于更換成本，而且頻繁的維修帶來的安全隱患會越來越大。因此需要找到不同線路、不同設(shè)備設(shè)施對應(yīng)的到達(dá)臨界點的使用壽命。

2.2柔性接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件選取

柔性接觸網(wǎng)由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置和支柱基礎(chǔ)組成，采集上海地鐵各條線路供電設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測、故障和維修數(shù)據(jù)。然后篩選出關(guān)于柔性接觸網(wǎng)區(qū)段的數(shù)據(jù)，將其歸類為10年物耗數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和異常磨耗數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得到上海地鐵全網(wǎng)柔性接觸網(wǎng)零部件10年物耗數(shù)據(jù)分布，如圖1所示。

圖1 上海地鐵全網(wǎng)柔性接觸網(wǎng)零部件10年物耗數(shù)據(jù)分布

圖1是上海地鐵總線路的柔性接觸網(wǎng)零部件10年物耗數(shù)據(jù)，由于柔性接觸網(wǎng)的零部件種類較多，物耗的差異也比較大，如圖2所示，其中排在最前面的物耗有接觸線、吊弦線、下錨補(bǔ)償線以及電連接線。本文依據(jù)上述物耗數(shù)據(jù)，選取了物耗數(shù)量較大的前2種關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析。

圖2 排名前四的地鐵零部件物耗情況

2.3吊弦線健康模型分析

吊弦線是柔性接觸網(wǎng)的關(guān)鍵零部件之一，對其進(jìn)行分析，吊弦經(jīng)典分析方法為[5]：

吊弦力與速度的平方呈線性關(guān)系，地鐵列車的受電弓速度越快，吊弦移動加速度越快，吊弦力越大，吊弦也越容易發(fā)生疲勞破壞。受電弓移動速度越大可等效為在相同的壓縮幅度下，振動頻率越大，吊弦由壓縮位置恢復(fù)到平衡位置的時間越短。所以在疲勞過程中，振動頻率越大，吊弦力越大，吊弦越容易發(fā)生疲勞破壞。

另外，疲勞破壞常發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)或材料缺陷處。在受電弓高速通過時，吊弦動態(tài)力較大，吊弦反復(fù)彎曲位置為高應(yīng)力區(qū)，尤其是側(cè)絲與芯絲接觸位置呈現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力越集中，越容易發(fā)生疲勞破壞。同時壓縮幅度越大，吊弦的彎曲角度越大，吊弦的作用力面積越小，在同等吊弦力作用下，作用應(yīng)力就越大。故壓縮幅度越大，在吊弦彎曲位置越容易發(fā)生疲勞破壞。

經(jīng)過對實際運(yùn)營中的故障點分布情況進(jìn)行分析，吊弦線故障點分布如圖3所示。采用人工巡檢，重點觀察進(jìn)出站區(qū)段。檢修標(biāo)準(zhǔn)為吊弦出現(xiàn)燒傷、斷股、散股現(xiàn)象[9]，備品備件數(shù)量參考上一年度更換數(shù)量。

圖3 實際應(yīng)用中吊弦線故障點分布

2.4接觸線健康模型分析

接觸線是柔性接觸網(wǎng)長度最長的關(guān)鍵零部件，對其健康管理采用AHP（analytic hierarchy process）進(jìn)行分析[3-5]，分析框架如圖4所示。

圖4 接觸線健康管理AHP層次分析示意

將接觸線健康管理方向分為3個層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。其中準(zhǔn)則層分為偶發(fā)性、周期性、可預(yù)測性和必然性。方案層分為漏水、閘刀、異物侵限、指示燈和磨耗。

構(gòu)建上述層次關(guān)系的成對比較矩陣：

組合權(quán)重：C1＝0.280×0.196＋0.055×0.071＋0.507×0.138＋0.158×0.119＝0.148，C2＝0.280×0.114＋0.055×0.138＋0.507×0.071＋0.158×0.119＝0.094，C3＝0.280×0.062 ＋0.055×0.071＋0.507×0.071＋0.158×0.061＝0.067，C4＝0.280×0.062＋0.055×0.071＋0.507×0.071＋0.158×0.119＝0.076，C5＝0.280×0.566＋0.055×0.649＋0.507×0.649＋0.158×0.582＝0.615

經(jīng)過上述分析，對接觸線健康管理的指南方向為磨耗預(yù)測。

3 關(guān)鍵零部件健康管理預(yù)測

3.1接觸線健康狀態(tài)計算

對實際系統(tǒng)中的接觸線磨耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，接觸線異常磨耗區(qū)域主要集中在出站加速區(qū)域，弓網(wǎng)沖擊對整個接觸線所有點造成的磨耗基本是均衡的。而在出站加速區(qū)域會有較多的高磨耗點，后續(xù)將通過增大磨損比來更新評估模型。

本文關(guān)于接觸線健康狀態(tài)的衡量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，為業(yè)界通用的接觸線殘余高度與其磨耗的關(guān)系[10-12]。

表1 接觸線殘余高度與其磨耗的關(guān)系

經(jīng)過測量數(shù)據(jù)以及實際驗證，地鐵弓網(wǎng)接觸壓力T是120 N±10 N，為便于計算，取T為120 N。

式中：K——磨耗規(guī)律系數(shù)；

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]，銀銅合金接觸線平均磨損達(dá)到30%時進(jìn)行更換，上海地鐵使用的是120 mm2的CTHA120銀銅合金接觸線，需要更換的磨耗為0.3×120＝36 mm2。所以接觸線的最大壽命為Z小于等于36，這是通過數(shù)據(jù)評估接觸線壽命的重要的條件。

3.2接觸線健康管理預(yù)測

在實際應(yīng)用中，各線路接觸線的健康狀態(tài)和磨損程度與該線路的弓架次和使用年限直接相關(guān)，上海地鐵各線路的平均日弓架次如圖5所示。

圖5 上海地鐵各線路每天平均弓架次

依據(jù)上述弓架次，計算得軌道交通1號線柔性接觸網(wǎng)接觸線健康壽命約為12年4個月。同理，計算出各條線路柔性接觸網(wǎng)接觸線健康壽命，如圖6所示。

圖6 上海軌道交通各線路柔性接觸線健康壽命

圖6展示了上海地鐵各條線路柔性接觸網(wǎng)接觸線的健康壽命，接觸線磨耗與弓架次呈線性正相關(guān)，接觸線磨耗與使用年限呈非線性正相關(guān)，接觸線健康壽命大致在12～16年間。為保障軌道交通安全可靠地運(yùn)行，并考慮經(jīng)濟(jì)性，建議使用壽命，即大修更換年限為健康壽命減去1個季度。在實際運(yùn)營中，受氣候、溫濕度、雷擊以及墜物纏繞等因素的影響，導(dǎo)致接觸線的健康壽命縮短，或造成局部接觸線的損壞，因此，圖6中的接觸線健康壽命預(yù)測結(jié)果為參考模型健康管理預(yù)測。在該參考預(yù)測壽命的前提下，結(jié)合定期人工測量接觸線的磨耗數(shù)據(jù)，以及對特殊區(qū)段的監(jiān)測，評估各線路柔性接觸線的健康等級，根據(jù)健康等級，制定差異化的維保規(guī)程，以及各線路柔性接觸線的大修更新改造計劃。經(jīng)分析，在接觸線磨耗比低于13.86%時，處于A類健康狀態(tài)，一般是投用初期且運(yùn)行狀態(tài)合格，建議檢修周期為1年1次。在接觸線磨耗比達(dá)到13.86%時，處于B類健康狀態(tài)，一般是運(yùn)行期且運(yùn)行狀態(tài)合格，建議檢修周期為6個月1次。當(dāng)接觸線磨耗比達(dá)到19.97%時，處于C類健康狀態(tài)，一般是運(yùn)行期但運(yùn)行狀態(tài)不合格或是超年限但運(yùn)行狀態(tài)合格，建議檢修周期為3個月1次，并進(jìn)行大修更新改造報備。當(dāng)接觸線磨耗比達(dá)29.77%時，歸為D類，一般是超年限且運(yùn)行狀態(tài)不合格，建議在1個月內(nèi)完成接觸線的大修更新改造或安裝加強(qiáng)線并納入設(shè)施設(shè)備差異化管理。

4 零部件總體評價

柔性接觸網(wǎng)零部件的損壞往往是由于線索馳度發(fā)生變化、長期工作過程中的振動疲勞和外界沖擊力導(dǎo)致，采用上述分析方法，對各條線路接觸網(wǎng)健康狀態(tài)進(jìn)行分級評估，制定現(xiàn)場可操作的健康狀態(tài)分級表，如表2所示，將健康狀態(tài)歸為A、B、C、D共4類。其中A類為投用初期且運(yùn)行狀態(tài)合格。B類為運(yùn)行期且運(yùn)行狀態(tài)合格。C類為運(yùn)行期但運(yùn)行狀態(tài)不合格或是超年限但運(yùn)行狀態(tài)合格。D類為超年限且運(yùn)行狀態(tài)不合格。評估精度要求最小顆粒化，即每條線路每個接觸網(wǎng)錨段都需1張分級評估表。評估表改進(jìn)了以往的評估標(biāo)準(zhǔn)，為下一年的設(shè)備評估及今后健康狀態(tài)預(yù)測打下基礎(chǔ)。

表2 健康狀態(tài)評估

依據(jù)當(dāng)前健康狀態(tài)及歷史故障的分析，一般情況下，電連接線和各線路弓架次以及磨耗無關(guān)，各線路之間存在的差異與新老線路及環(huán)境相關(guān)，仍保持原有規(guī)范。下錨鋼絲繩和受電弓不直接相連，間接受力，與各線路弓架次及磨耗關(guān)系不大，仍保持原有規(guī)范。接觸線和吊弦線與各線路弓架次及磨耗直接相關(guān)，需要采用與弓架次關(guān)聯(lián)的健康管理。

5 結(jié)語

接觸網(wǎng)供電是城市軌道交通主要的供電方式，接觸網(wǎng)的穩(wěn)定可靠直接影響著地鐵的運(yùn)行狀況。本文通過對接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件的監(jiān)測、故障維修等的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，引入臨界點的概念，采用AHP算法進(jìn)行權(quán)重賦值和分析。結(jié)合實際運(yùn)營數(shù)據(jù)，預(yù)估各條線路關(guān)鍵零部件的健康狀態(tài)和使用壽命，為人工檢修規(guī)范的制定提供了依據(jù)和參考規(guī)范。一方面可以預(yù)估壽命，減少故障的發(fā)生；另一方面也可以避免由于過度維修帶來的浪費(fèi)，更好地保障軌道交通的安全運(yùn)行。