李杰波

( 中國鐵道科學(xué)研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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動車組牽引系統(tǒng)部件故障分布規(guī)律評估方法研究

李杰波

( 中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

基于可靠性理論和動車組牽引系統(tǒng)故障特點，對動車組牽引系統(tǒng)的故障分布規(guī)律的分析方法進行了探討，闡述了用可靠性理論識別系統(tǒng)故障分布規(guī)律的模型。提出對動車組牽引系統(tǒng)故障樣本極少的部件采用平均故障率描述，對故障規(guī)律不明顯的部件采用經(jīng)驗分布函數(shù)方法，對多種故障模式相互作用部件采用理論分布估計，可以得到較為理想的部件壽命規(guī)律。

動車組； 可靠性； 故障分布

根據(jù)2011年京津城際CRH3C型動車組運營故障統(tǒng)計分析結(jié)果，牽引系統(tǒng)(包括高壓子系統(tǒng)和牽引傳動系統(tǒng))故障數(shù)占動車組總故障數(shù)(牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、制動、轉(zhuǎn)向架等系統(tǒng))的32.3%[1]。牽引系統(tǒng)故障凸顯為動車組運用的主要故障，牽引系統(tǒng)的可靠性直接影響了動車組的運行準(zhǔn)點。

日本新干線檢修充分考慮車輛各部件發(fā)生故障的概率確定檢修周期；德國ICE列車和法國TGV列車已經(jīng)不約而同地采用RCM理論和方法，最重要的是通過運用中對關(guān)鍵部件和系統(tǒng)的監(jiān)測分析獲得部件或子系統(tǒng)實際可靠性指標(biāo)和潛在壽命，根據(jù)故障率變化規(guī)律決定維修方式，避免直接采用供貨商給出的不準(zhǔn)確的或過于保守的可靠性指標(biāo)和壽命參數(shù)決定維修時機，并逐步開展修程優(yōu)化工作，延長部件工作壽命。歐洲和日本的高速鐵路已經(jīng)運用可靠性理論逐步實行RCM維修制度、優(yōu)化修程，可靠性工程深入地應(yīng)用到了維修體制中[2]。

與國外動車組相比，我國動車組服役時間短，不僅缺乏準(zhǔn)確的可靠性設(shè)計指標(biāo)，并且由于運用條件的復(fù)雜性造成實際可靠性指標(biāo)不匹配。因此，對于故障率較高的牽引系統(tǒng)，通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)按照可靠性理論對其故障規(guī)律進行分析，以得到較為貼近實際的可靠性運用指標(biāo)指導(dǎo)檢修，意義重大。

1　動車組牽引系統(tǒng)現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)分析方法

由于我國動車組的運用時間較短，收集到的牽引系統(tǒng)零部件故障信息僅表現(xiàn)出牽引系統(tǒng)前期的故障情況，因此可以通過借鑒其他行業(yè)零部件的壽命分布研究經(jīng)驗，對牽引系統(tǒng)中具有較明顯壽命分布類型的零部件采用經(jīng)典統(tǒng)計方法來確定分布模型，擬合成理論分布函數(shù)是首選方法。

此外，在找不到能充分反映數(shù)據(jù)特征的理論分布函數(shù)情況下，可以采用經(jīng)驗分析法(又稱非參數(shù)法或自由分布法)，其目標(biāo)是直接從故障時間序列推斷出故障分布、可靠性函數(shù)和故障率函數(shù)。

分布假設(shè)方法首先應(yīng)識別判斷數(shù)據(jù)的分布類型，通過參數(shù)估計的方法給出表征可靠性指標(biāo)的參數(shù)，最后對分布類型進行擬合優(yōu)度檢驗。

(1)選擇候選分布

可靠性工程中常用的分布有指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等。一般識別候選分布有兩種方法：

①直方圖

直方圖是一種將故障時間按級分類，然后畫成以每級的頻數(shù)或相對頻率(頻數(shù)/總數(shù))相對于每級的時間組距的圖形。

由樣本數(shù)據(jù)計算得到的描述性統(tǒng)計量可用于識別候選分布或者排除一些分布。例如，如果故障時間服從一個對稱或近似對稱的分布，如正態(tài)分布或者形狀參數(shù)在3～4之間的威布爾分布，那么樣本均值和故障時間的中值大致相同。如果均值明顯大于中值，也就是數(shù)據(jù)是右偏的，那么指數(shù)分布、對數(shù)分布或者威布爾分布將提供較好的擬合。如果故障數(shù)據(jù)服從指數(shù)分布，則樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差大致相等。正態(tài)分布還可以通過偏鋒度進行檢驗[3](偏度定義為Cs，峰度定義為Ce)。壽命分布分析流程如圖1。

圖1　壽命分布選擇流程圖

②概率圖和最小二乘法曲線擬合

概率圖提供一種通俗簡便的方法來評估將數(shù)據(jù)擬合為一種分布的擬合程度，主要方法是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后擬合成一條線性回歸(最小二乘法)線。利用圖識最小二乘法優(yōu)選分布類型[4]，需要對累計故障分布函數(shù)F(t)進行線性轉(zhuǎn)換，如采用直線方程y=Bx+A，則不同分布的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系見表1。

(2)參數(shù)估計

參數(shù)估計是根據(jù)所獲得的試驗數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計方法來估計壽命分布中的未知參數(shù)；估計的精度取決于所選用的估計方法和樣本的大小。

參數(shù)估計的方法包括概率圖法、最小二乘法、極大似然估計等。如概率圖法和最小二乘法可以結(jié)合相關(guān)系數(shù)和殘差平方和綜合分析確定最優(yōu)分布，其判定原則是：殘差平方和要小，相關(guān)系數(shù)應(yīng)較大，殘差圖的正態(tài)性要好。

(3)擬合優(yōu)度檢驗

擬合優(yōu)度檢驗的一般步驟為：

①建立原假設(shè)H0：總體分布函數(shù)F(t)=F0(t)。

②構(gòu)造一個反映總體分布與由樣本所獲得的分布之間的偏差的統(tǒng)計量D。

③根據(jù)樣本觀測值計算出統(tǒng)計量D的觀測值d。

④規(guī)定檢驗水平α(一般取0.10，0.05，0.01等)，相應(yīng)求得D的臨界值d0，使：PD≥d0=α。

表1　不同分布對應(yīng)概率圖和最小二乘法的坐標(biāo)線性轉(zhuǎn)換關(guān)系

⑤比較d和d0的大小，當(dāng)d>d0時拒絕假設(shè)H0；當(dāng)d≤d0時接受假設(shè)H0。

常用的可靠性分布檢驗有卡方檢驗、K-S檢驗、F檢驗、偏鋒度檢驗等，在功能上計算機程序已經(jīng)完全可以取代人工計算。

2　動車組牽引系統(tǒng)部件壽命規(guī)律分析

牽引系統(tǒng)零部件的壽命分布規(guī)律，一部分部件可以采用先驗分布(如文獻已明確的分布類型)來簡化評估過程，如有文獻提出動車組高壓電器系統(tǒng)除受電弓其余部件的壽命均服從指數(shù)分布[5]、電氣系統(tǒng)的主要零部件的壽命均服從指數(shù)分布[6]、電機壽命服從指數(shù)分布等[7]，構(gòu)造復(fù)雜并由多種故障模式獨立作用的部件可以通過對故障數(shù)據(jù)的分布擬合獲得。以某型動車組為例，表2為動車組近10年牽引系統(tǒng)部件故障數(shù)的統(tǒng)計，該型動車組單列平均運行里程218萬km。

表2　牽引系統(tǒng)故障數(shù)

(1)首先，對故障率極低且表現(xiàn)為偶發(fā)故障形式的部件，如避雷器、高壓隔離開關(guān)、高壓互感器、接地開關(guān)、絕緣子、高壓電纜、牽引變壓器、牽引風(fēng)機，可以認為服從指數(shù)分布以簡化評估過程，計算其平均故障率。

(2)對故障規(guī)律不明顯的部件采用經(jīng)驗分布函數(shù)方法

該型動車組在現(xiàn)場運用過程中受電弓早期故障率非常高，因此經(jīng)過了一系列技術(shù)整改，受電弓完全改造后共計故障數(shù)為14次。受電弓上臂、風(fēng)管、碳滑板以及連桿等故障次數(shù)較多，屬于薄弱環(huán)節(jié)，基本上為機械磨損類型故障。改造后由于統(tǒng)計時間短，故障數(shù)據(jù)少，因此受電弓的故障規(guī)律并不明朗，宜采用經(jīng)驗分布函數(shù)方法對改造后的受電弓故障進行分析。計算結(jié)果見圖2。從故障概率密度曲線觀察，改造后的受電弓故障分布服從正態(tài)分布，較為符合磨損型部件的故障規(guī)律。

圖2　改造后受電弓故障分布圖

按照表1對累計故障分布函數(shù)F(t)進行線性轉(zhuǎn)換后采用最小二乘法擬合，擬合相關(guān)系數(shù)為0.85。受電弓服從N(84.165，42.576)的正態(tài)分布，如圖3所示。

圖3　改造后受電弓壽命分布規(guī)律

改造后的受電弓走行里程約20～60萬km左右，經(jīng)歷的生命周期尚短，每列車改造時間、走行公里數(shù)存在差別，對改造后的受電弓壽命評估理論上會存在一定偏離，使得相關(guān)系數(shù)較低。

(3)對故障規(guī)律較明顯部件采用理論分布估計

部分一級部件構(gòu)造復(fù)雜并由多種故障模式獨立作用，如牽引變流器、牽引電機、冷卻系統(tǒng)等，既存在磨耗型故障，也存在電、熱應(yīng)力型故障，可以通過對故障數(shù)據(jù)的分布擬合獲得其壽命規(guī)律。

以該型動車組牽引變流器冷卻單元為例，牽引變流器冷卻單元中由冷卻風(fēng)機、熱交換機、溫度傳感器、壓力傳感器、濾網(wǎng)、膨脹水箱、管路、水泵、內(nèi)部風(fēng)扇、繼電器等部件構(gòu)成。其主要功能是為牽引變流器提供散熱條件，保證牽引變流器工作在適宜的環(huán)境下。

將牽引變流器冷卻單元相關(guān)故障信息統(tǒng)計結(jié)果匯總?cè)绫?所示，其中壓力傳感器故障次數(shù)最多，達到了38次；其次是熱交換器故障發(fā)生次數(shù)。

表3　牽引變流器冷卻單元故障信息統(tǒng)計表

圖4　牽引變流器冷卻單元壽命分布規(guī)律

3　結(jié)　論

牽引系統(tǒng)故障對動車組運行影響較大，運用檢修部門積累了所有現(xiàn)場運用故障數(shù)據(jù)，可以結(jié)合可靠性理論

采用適當(dāng)?shù)姆椒ǐ@得系統(tǒng)或部件的壽命規(guī)律。針對動車組牽引系統(tǒng)，提出對故障樣本極少的部件采用平均故障率描述，對故障規(guī)律不明顯的部件采用經(jīng)驗分布函數(shù)方法，對多種故障模式相互作用部件采用理論分布估計，可以較為理想地獲得部件的壽命規(guī)律，為制定可靠性指標(biāo)，進一步指導(dǎo)檢修和優(yōu)化修程修制提供依據(jù)。

[1]王彩霞. 高速動車組主要零部件損傷規(guī)律及維修周期的研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2012.

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[3]趙宇. 可靠性數(shù)據(jù)分析[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[4]杜峰, 魏朗, 李倫. 整車產(chǎn)品故障分布規(guī)律與可靠性評價指標(biāo)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2008, 39(1):172-175.

[5]劉建強,崔秀國,孫幫成,王貴國,等. CRH3C型動車組高壓電器系統(tǒng)可靠性研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2013, 35(6):22-27.

[6]崔秀國. CRH3型動車組電氣系統(tǒng)可靠性研究[D]. 北京：北京交通大學(xué), 2013.

[7]劉佳昌,牛天福,羅恒森. 電機壽命分布的數(shù)學(xué)模型[J].哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報, 1995,18(4):472-475.

Research on Failure Distribution Evaluation Method of Traction System Components for EMU

LIJiebo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081， China )

Based on the reliability theory and the fault characteristics of EMU traction system, the analysis method of the fault distribution of EMU traction system is discussed. The average failure rate is described, and the empirical distribution function is used to describe the failure of the components of the traction system.

EMU; reliability; failure distribution

1008-7842 (2016) 04-0081-04

??)男，副研究員(

2015-12-18)

U266.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.20

2015年鐵道牽引動力學(xué)術(shù)年會論文