基于可靠性分析的DSA200型受電弓檢修參數優化研究

關鍵詞：DSA200型受電弓；指數分布；檢修間隔時間；備件數量；故障樹分析法

0 引言

目前，電力機車受電弓的維修仍然是根據走行里程或運行時間進行預防性維修，這種基于經驗的維修方法，必然會出現欠維修或過維修的情況。因此需要基于可靠性原理，深入分析受電弓各部件故障維修數據，找出部件失效規律，進而可以實施以可靠度為指標的預防性維修［1］。受電弓故障或失效，就意味著電力機車無法獲得電能，從而使電力機車被迫停車。因此，受電弓的可靠性是保證列車安全運行的重要條件［2］?？煽啃灾浮爱a品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力”［3］。受電弓在使用過程中受力復雜，曾多次出現受電弓滑板過度磨耗［4］、受電弓框架裂紋［5］等問題。針對受電弓或其組件失效的問題，霍肖偉等［6］101-106提出了可靠性評估方法，李興運等［7］提出基于T-S模糊故障樹的可靠性分析方法，薛康等［8］提出最小二乘法分析受電弓故障數據，宮琦等［9］提出受電弓故障模式綜合評判法，齊金平等［10］提出超橢球貝葉斯網絡評估方法。林平等［11-12］對受電弓止擋、受電弓弓頭等部件單獨展開可靠性計算。通過文獻查閱發現，目前國內專家對受電弓可靠性研究主要集中在兩個方面：一是研究如何利用受電弓及其組件故障數據進行可靠性分析，建立可靠度函數；二是探究受電弓更為有效的可靠性評估方法。對于受電弓重點部件管理、最優檢查維修間隔時間、最優備品備件數量等具體問題研究較少。

目前，受電弓檢修規程按照運行時間長度來安排檢修內容，其中C1檢修周期為3個月；C2檢修周期為6個月；C3檢修周期為1年；C4檢修周期為3年；C5檢修周期為6年；C6 檢修周期為12年［6］101-106。受電弓各檢修周期和檢修內容的安排主要基于經驗，因此必然會出現欠維修或過維修的情況。欠維修會使受電弓具有安全隱患，甚至造成機車事故；過維修會導致不必要的人力、物力、財力的投入，使受電弓整體維修費用增加。另外，目前受電弓備件以“安全、夠用”為原則，沒有清晰的數量要求，通常準備五六套。備件過少會使待修機車經歷不必要的停機；備件過多，會導致不必要的備件庫存費用。為此，以可靠性為基礎、以降低檢查維修費用為目標，優化受電弓檢修周期、備件數量等參數，可以為檢查維修人員提升檢修保障效率和降低維修成本提供科學依據。

針對以上問題，利用DSA200型受電弓組件故障維修數據，擬合受電弓組件失效概率分布，構建受電弓組件可靠性框圖模型，計算受電弓可靠度。建立受電弓預防性維修和更換的最小費用模型，計算受電弓最優預防性維修的間隔時間、維修間隔中的最優備件數量，實現降低總維修費用的目標。并利用故障樹分析法，分析各組成部件故障概率及重要度，指出受電弓檢查維修需要重點關注的部件，達到提高維修效率的目的。

1 DSA200型受電弓構成及組件失效數據分析

1. 1 DSA200 型受電弓構成及工作原理

DSA200型受電弓是我國交流傳動貨運機車HXD2型電力機車使用的一種從接觸網獲取電能的重要電氣部件。當受電弓升起時，其滑板與接觸網導線直接接觸，從接觸網導線上受取電流，并將其通過車頂母線傳送至機車內部，供機車使用。由于受電弓極其重要，所以當受電弓故障時，機車會選擇降下故障受電弓，升起備用受電弓，繼續維持機車運行。通常不會在故障的情況下繼續使用受電弓，除非備用受電弓也失效了。受電弓通過絕緣子安裝在電力機車的車頂上，是一種鉸接式的機械構件，主要由碳滑板、弓頭、上臂桿、下臂桿、上導桿、下導桿、升弓裝置、氣源控制裝置、底架等部件組成。DSA200型受電弓如圖1所示。

1. 2 DSA200 型受電弓組成部件失效分布擬合

從某機務段經營的19臺HXD2型電力機車為期10年的維修記錄中可以看出，影響電力機車運行的故障記錄共8 023條，其中涉及受電弓及其組件的故障數占電力機車部件所有故障數的近8. 5%。按照故障在一次工作中出現的同一部件或是設備的間歇性故障或多次報警，只記錄1次故障的統計原則，整理后獲得氣囊式氣缸有效的故障數據為25條，如表1所示。

通過設備失效數據的整理分析，可以初步確定失效數據的分布規律，為可靠性指標的定量評價提供基礎和方向［13］。在置信度為95%的精度下，采用極大似然估計法對氣囊式氣缸失效數據進行概率分布擬合。圖2～圖5是氣缸失效數據對應4種分布的概要圖，圖6是氣缸失效數據不同分布的概率圖。圖6中，Anderson-Darling（AD）值越少，表示分布與數據似合得越好。概要圖的縱坐標中，f（t）為概率密度函數；u（t）為分布函數；s（t）為生存函數；g（t）為故障函數。橫坐標中，t為時間，單位為h。概要圖可以反映氣囊式氣缸失效時間的概率密度函數、生存函數、故障函數等。

根據圖6，氣囊式氣缸失效時間數據擬合的威布爾分布、正態分布、指數分布、最小極值分布的AD值，分別為1. 020、2. 046、1. 010、2. 250，其中指數分布的AD值最小，表示指數分布與氣囊式氣缸失效時間數據擬合度最高。因此，可以初步得出結論：氣囊式氣缸失效時間規律符合指數分布規律。

1. 3 DSA200 型受電弓組成部件失效分布檢驗

采用Bartlett值可以檢驗失效數據是否服從指數分布，其統計量可以表示為

由于13. 848 4lt;23.93lt;36.415 1，所以進一步證明B25不能拒絕氣囊式氣缸失效樣本服從指數分布的假設。

按照此失效數據分析方法，逐一分析受電弓其他組成部件的失效時間分布規律，如表2所示。表2給出了受電弓失效類型、失效部件、失效數、失效時間分布及根據失效數據估計的失效時間。

2 DSA200 型受電弓組件可靠性分析

根據為期10年統計的DSA200型受電弓檢查維修數據，受電弓故障更換零部件的平均費用為1 500元/h，而預防性更換的費用為800元/h。受電弓備件短缺或多余造成費用的懲罰函數為3. 5。據此確定DSA200型受電弓最優預防性維修時間間隔和維修間隔時間中的最優備件數量。

2. 1 計算DSA200 型受電弓可靠度

依據DSA200 型受電弓具體組成部件失效數據（表2），舍棄不常出現失效的部件，建立受電弓串聯性質的可靠性框圖，如圖7所示。圖7中A2表示氣源控制裝置的節流閥（表2），其他部件編號以此類推。

2. 2 DSA200 型受電弓檢修參數優化

由于受電弓具有恒定失效率，故受電弓的失效率可根據式（2）直接得到

受電弓正常運行直至失效，根據不同失效情況，失效部件被更換或維修恢復到最初的運行水平，這個過程是更新過程。對于一個失效率λ為常數的部件，在時間段［0，tp］內該部件的更新函數的漸進解可以表示為

3 DSA200 型受電弓組件故障樹分析

3. 1 建立DSA200 型受電弓故障樹

故障樹分析法是將系統故障的原因，由總體至部分，按照樹形結構自上而下按層細化的分析方法［14］。從受電弓結構入手，分析其故障原因。將受電弓系統故障分為機械故障、氣路故障和電路故障。機械故障主要表現在機械結構上，即組成部件的損壞和部件之間的作用關系破壞。氣路故障主要表現在受電弓升降弓時出現無法充排氣或壓縮空氣泄露的情況。電路故障主要表現在電路器件、導線損壞致使控制電路失效的情況。具體頂事件、中間事件，如表3所示。根據DSA200型受電弓組成結構及工作原理，以及受電弓故障就須換弓運行，不得帶“病”使用的原則，采用演繹法構建DSA200型受電弓故障樹，如圖9所示。

由表2可知，受電弓組件故障次數，結合維修基地10年中統計的8 023件故障記錄，可推算出受電弓組件發生故障的概率，具體底事件及其故障發生概率，如表4所示。

3. 2 DSA200 型受電弓故障樹分析

3. 2. 1 計算頂事件概率

根據圖9，利用下行法求故障樹的最小割集為

式中，P 為故障樹頂事件發生的概率；NG為故障樹最小割集數；m 為最小割集序數；j 為頂事件序數；Xj∈Gm表示第j 個底事件屬于第m 個最小割集；qj （j=1，2，3，…，21）為底事件的發生概率。

通過式（11）可得頂事件發生的概率為P=0. 060 8。

3. 2. 2 計算底事件重要度

結構重要度是指不考慮底事件自身發生的概率，僅從結構上分析各個底事件對頂事件發生所產生的影響程度［15］139-142。由于故障樹底事件較多，采用最小割集進行結構重要度分析，底事件結構重要度表達式為

由表5可知，檢修人員針對受電弓設備的檢查維修工作，從底事件位置結構重要度和底事件故障概率對受電弓的影響程度看，檢修人員應重點關注氣囊式氣缸、滑板、彈簧、推桿、上部導框、下臂桿、平衡桿、中間鉸鏈、節流閥、絕緣軟管、管路接頭、繼電器、電路導線、傳感器等部件。從受電弓故障的敏感性來看，氣囊式氣缸和管路接頭的檢查是重中之重。檢修人員以此為參考，嚴守檢修流程和標準，確保檢修工作“不漏項、不缺項，有順序、有重點”。

4 結論

結合DSA200 型受電弓為期10 年的維修統計數據，基于預防維修和更換最小費用模型，優化了受電弓檢修參數，利用故障樹分析法對受電弓組件重要度進行了分析，得出如下結論：

1）DSA200型受電弓各部件失效時間服從指數分布函數，整個受電弓的失效率為8. 831×10-3。

2）DSA200型受電弓最優檢查維修的時間間隔為1 414 h，最優備件數量為2套。

3）DSA200型受電弓故障概率為0. 068 0，檢修人員應在檢查維修中重點關注氣囊式氣缸、滑板、彈簧、推桿、上部導框、下臂桿、平衡桿、中間鉸鏈、節流閥、絕緣軟管、管路接頭、繼電器、電路導線、傳感器等部件。