張小葉 張奕奕

摘 要：針對(duì)國內(nèi)西北地區(qū)因HXD1D型客運(yùn)機(jī)車真空斷路器故障時(shí)常發(fā)生機(jī)破的問題，為提升時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組運(yùn)用可靠性，從設(shè)計(jì)源頭避免因主斷路器故障導(dǎo)致的機(jī)破，分別從部件本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化及網(wǎng)側(cè)電路的方案優(yōu)化，開展可靠性提升分析與研究工作。針對(duì)網(wǎng)側(cè)電路的方案優(yōu)化，采用可靠性建模與預(yù)計(jì)的分析方法，在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)不同備選方案分別建立可靠性框圖模型，并分別進(jìn)行可靠性計(jì)算，對(duì)不同方案進(jìn)行可靠性權(quán)衡分析，提前影響設(shè)計(jì)，為供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電路優(yōu)選設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力集中;動(dòng)車組;動(dòng)力車;供電系統(tǒng);真空主斷路器;可靠性;提升;建模;預(yù)計(jì)

0 引言

高速鐵路是鐵路未來的發(fā)展方向，各國都投入大量人力物力進(jìn)行高鐵建設(shè)。近十幾年來，我國高速列車得到了快速發(fā)展，但也暴露出一些問題。例如，動(dòng)車組可靠性故障會(huì)造成動(dòng)車經(jīng)常性的晚點(diǎn)以及運(yùn)行安全報(bào)警等問題，給高鐵的運(yùn)營推廣帶來了阻力。牽引供電系統(tǒng)作為動(dòng)車組中最重要的子系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著為列車供電的使命。動(dòng)力車網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是從網(wǎng)側(cè)獲取電能，作為網(wǎng)側(cè)回路的關(guān)鍵部件真空主斷路器，其作用是當(dāng)牽引變壓器在二次側(cè)以后的電路中發(fā)生故障時(shí)，能迅速、安全、準(zhǔn)確地?cái)嚅_過電流。所以真空主斷路器設(shè)計(jì)的可靠性不僅影響乘客乘車的舒適度，更直接影響動(dòng)車組能否正常運(yùn)營。

可靠性建模與預(yù)計(jì)作為可靠性分析的一種常用方法，可以盡早的參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來，在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)。

本文以某動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車供電系統(tǒng)中真空斷路器可靠性設(shè)計(jì)為例，說明可靠性建模與預(yù)計(jì)在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，對(duì)比分析不同方案供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電路的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果，及時(shí)評(píng)估與預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)方案的可靠性提升情況，為方案選擇提供指導(dǎo)。闡述了利用可靠性建模與預(yù)計(jì)分析結(jié)果指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)的重要性，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，關(guān)注可靠性設(shè)計(jì)，對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。

1 可靠性建模與預(yù)計(jì)分析方法概述

1.1 可靠性建模定義、目的及方法

可靠性模型是對(duì)系統(tǒng)及其組成單元之間的可靠性/故障邏輯關(guān)系的描述。

目前主流的可靠性建模與分析方法有可靠性框圖法、故障樹法、Markov模型法等。可靠性框圖法是通過對(duì)功能框圖以串聯(lián)、并聯(lián)等方式進(jìn)行連線布置，可以直觀地表示組成系統(tǒng)的各單元與系統(tǒng)之間的關(guān)系。該方法直觀易懂，所以本文采用可靠性框圖法進(jìn)行可靠性建模。

1.2 可靠性預(yù)計(jì)定義、目的及方法

可靠性預(yù)計(jì)是為了估計(jì)產(chǎn)品在給定的工作條件下的可靠性而進(jìn)行的工作。它根據(jù)組成產(chǎn)品的單元可靠性來推算產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的可靠性要求。

可靠性預(yù)計(jì)方法有很多種，不同的產(chǎn)品、不同的研制階段應(yīng)使用不同的可靠性預(yù)計(jì)方法。在工程上常用的預(yù)計(jì)方法有相似產(chǎn)品法、評(píng)分預(yù)計(jì)法等。因?yàn)橛邢嗨飘a(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，所以本文采用相似產(chǎn)品法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

1.3 可靠性建模與預(yù)計(jì)的程序

可靠性建模與預(yù)計(jì)的一般程序如下：

1）產(chǎn)品功能描述;2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解;3）可靠性模型構(gòu)建;4）可靠性模型數(shù)據(jù)輸入;5）可靠性計(jì)算。

2 160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電路方案設(shè)計(jì)

2.1 原方案設(shè)計(jì)

時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車原主斷路器設(shè)計(jì)方案為單主斷方案，網(wǎng)側(cè)電路如圖1所示，該方案僅配置一個(gè)主斷路器，如果主

斷路器發(fā)生故障，整列動(dòng)車組將喪失牽引動(dòng)力而導(dǎo)致機(jī)破，進(jìn)而影響旅客列車的正常運(yùn)營。

2.2 新設(shè)計(jì)方案

為解決因主斷路器導(dǎo)致機(jī)破的單點(diǎn)故障問題，項(xiàng)目組從兩個(gè)方面開展了可靠性提升分析與研究工作。

一方面，從真空主斷路器部件本身進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并開展可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，提升主斷路器本身的本質(zhì)可靠性和安全性;另一方面，開展網(wǎng)側(cè)電路主斷路器設(shè)計(jì)冗余方案分析，即采用雙主斷方案，新的設(shè)計(jì)方案見圖2所示。

3 真空斷路器部件設(shè)計(jì)優(yōu)化

原方案采用的是TDV10（01）真空斷路器，這種真空斷路器在運(yùn)用過程中發(fā)生高壓灌膠層中放電，硅凝膠被擊穿，真空包燒損，并對(duì)低壓部分放電的問題。經(jīng)過模擬分析、X射線探傷及試驗(yàn)驗(yàn)證等，對(duì)真空斷路器高壓絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)前后如圖3、圖4所示。

（1）在全新的真空開關(guān)管外壁上增加硅橡膠層提高其絕緣能力，不再采用硅凝膠。（2）真空開關(guān)管和絕緣子內(nèi)壁之間不再灌膠，降低熱脹冷縮的影響。（3）在絕緣子和底板之間增加硅橡膠波紋管，保證真空開關(guān)管外側(cè)氣隙的絕緣效果。（4）由BVAC.N99真空斷路器的真空開關(guān)管外殼中部包硅橡膠，包膠最小厚度2 mm，調(diào)整為真空開關(guān)管外殼整體包硅橡膠，包膠最小厚度5 mm。

將改進(jìn)方案與原方案、BVAC.N99真空斷路器成熟技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比分析：

（1）與原方案相比，改進(jìn)方案將硅橡膠層與絕緣子分離，最大限度的降低了因不同材質(zhì)熱膨脹系數(shù)不同對(duì)低溫環(huán)境下應(yīng)用產(chǎn)生的影響。（2）與BVAC.N99方案相比，包膠使用的硅橡膠廠家不同，包膠范圍和厚度有差異，性能參數(shù)一致。

4 不同方案供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電路機(jī)破故障可靠性建模與預(yù)計(jì)分析

4.1 供電系統(tǒng)功能描述及結(jié)構(gòu)分解

供電系統(tǒng)主要功能為動(dòng)車組供電。主要由受電弓、真空斷路器、避雷器、高壓隔離開關(guān)、高壓電壓互感器、高壓電流互感器、接地電流互感器、高壓電纜、牽引變壓器等組成。

供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解如表1所示。

4.2 原設(shè)計(jì)方案網(wǎng)側(cè)電路可靠性建模與預(yù)計(jì)

原設(shè)計(jì)方案網(wǎng)側(cè)電路的可靠性模型如圖5所示。

圖5中各個(gè)單元的可靠性輸入數(shù)據(jù)如表2所示：

原設(shè)計(jì)方案網(wǎng)側(cè)電路機(jī)破可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果如下：

4.3 新設(shè)計(jì)方案網(wǎng)側(cè)電路可靠性建模與預(yù)計(jì)

新設(shè)計(jì)方案網(wǎng)側(cè)電路可靠性模型如圖6所示。

圖6中各個(gè)單元的可靠性輸入數(shù)據(jù)也如表2所示。

新設(shè)計(jì)方案網(wǎng)側(cè)電路機(jī)破可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果如下：

λ2=0.038 6次/每百萬公里

4.4 不同方案可靠性對(duì)比分析及結(jié)論

兩種方案主斷路器及原邊電路可靠性對(duì)比分析如表3所示：

結(jié)論：

1）改進(jìn)后的主斷路器故障率由原來的0.065次/百萬公里下降到0.012次/百萬公里，故障率下降81.5%。2）新方案網(wǎng)側(cè)電路故障率由原來的0.098 2次/百萬公里降低到0.038 6次/百萬公里，故障率下降60.7%。

綜上所述，通過對(duì)時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車主斷路器部件本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化及網(wǎng)側(cè)電路設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，有效提升了動(dòng)車組運(yùn)用可靠性和安全性。

同時(shí)，該案例也告訴我們，在設(shè)計(jì)初期把產(chǎn)品設(shè)計(jì)和RAMS分析有機(jī)結(jié)合，可以及時(shí)評(píng)估與預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)方案的可靠性提升情況，從而從設(shè)計(jì)源頭保證動(dòng)車組的運(yùn)用可靠性，對(duì)降低整車全壽命周期成本、避免“兩張皮”問題，有著事半功倍的效果。

5 結(jié)束語

可靠性建模與預(yù)計(jì)是一種事前行為，因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷在投入現(xiàn)場使用后就不能彌補(bǔ)，所以及時(shí)的通過建模預(yù)計(jì)其可靠性比事后精確地獲取其可靠性更為重要。

可靠性建模與預(yù)計(jì)工作本身并不能提高產(chǎn)品的可靠性，但它是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中必不可少的一項(xiàng)工作，通過將可靠性預(yù)計(jì)工作盡早的參與到設(shè)計(jì)工作中，不僅可以為設(shè)計(jì)決策提供指導(dǎo)，還可以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)及其對(duì)產(chǎn)品的影響，然后制定相應(yīng)的對(duì)策，提高產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性，進(jìn)而提高產(chǎn)品可用度，降低全壽命周期成本，最終實(shí)現(xiàn)用戶滿意度及企業(yè)競爭力的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]李良巧.可靠性工程師手冊(cè)[M].中國人民大學(xué)出版社，2012.

[2]GB/T 7827-1987，可靠性預(yù)計(jì)程序[S].

[3]李先領(lǐng).HXD1G型機(jī)車列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)電力機(jī)車與城軌車輛，2017，40（4）：47-49.

[4]盧碧紅.動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)故障模式影響與危害分析[J].振動(dòng).測(cè)試與診斷，2016，36（1）：97-101+200.