許捷墀 徐礪鋒 史文釗 潘志群

1. 上海申通地鐵集團有限公司技術中心 上海 201103；2. 上海應用技術大學 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鍵環(huán)節(jié)，其工作狀況將直接關系到列車行駛的安全。因此，對接觸網(wǎng)關鍵零部件的健康狀態(tài)進行研究對軌道交通部門具有重要意義。如果維護不足會導致其可靠性較低，無法保障安全穩(wěn)定地運行[1]。而維護過剩會帶來人力、物力上大幅度的浪費，并且會增加接觸網(wǎng)閘刀和接觸網(wǎng)聯(lián)絡閘刀的機械損傷。

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)進行視頻檢測，通過人工智能，對采集的數(shù)據(jù)進行快速實時分析。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，從而在實際應用中會降低準確性。采用熵權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重，但是太復雜，不便于維?，F(xiàn)場推廣應用。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)關鍵零部件的實際使用壽命、性能指標和故障狀況進行分析，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)范結合，具有可操作性，為制定與各條線路相適應的管理規(guī)范指南提供依據(jù)。

2 關鍵零部件健康狀態(tài)分析

2.1零部件運營臨界點

上海城市軌道交通運營里程逐年增加，設備維護工作量逐步加大。隨著運行年限的增長，設備逐步老化。不同設備設施的技術標準不均衡，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、不同設施設備進行評估分析，制定差異化維保規(guī)程。

關于設備設施的維修和更換，并非設備設施徹底損毀后才進行，而是在其發(fā)生故障或者其狀態(tài)達到某一臨界點時進行。臨界點的設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)定可靠地運行。另一方面是維修成本和安全隱患的控制，設備設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，不僅設備設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、不同設備設施對應的到達臨界點的使用壽命。

2.2柔性接觸網(wǎng)關鍵零部件選取

柔性接觸網(wǎng)由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置和支柱基礎組成，采集上海地鐵各條線路供電設施設備的監(jiān)測、故障和維修數(shù)據(jù)。然后篩選出關于柔性接觸網(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種關鍵零部件進行分析。

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)的關鍵零部件之一，對其進行分析，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，吊弦反復彎曲位置為高應力區(qū)，尤其是側絲與芯絲接觸位置呈現(xiàn)應力集中，應力越集中，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)過對實際運營中的故障點分布情況進行分析，吊弦線故障點分布如圖3所示。采用人工巡檢，重點觀察進出站區(qū)段。檢修標準為吊弦出現(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)長度最長的關鍵零部件，對其健康管理采用AHP（analytic hierarchy process）進行分析[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：目標層、準則層和方案層。其中準則層分為偶發(fā)性、周期性、可預測性和必然性。方案層分為漏水、閘刀、異物侵限、指示燈和磨耗。

構建上述層次關系的成對比較矩陣：

組合權重：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測。

3 關鍵零部件健康管理預測

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。

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

表1 接觸線殘余高度與其磨耗的關系

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)；

按照相關標準[6]，銀銅合金接觸線平均磨損達到30%時進行更換，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接觸線健康管理預測

在實際應用中，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，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，接觸線磨耗與使用年限呈非線性正相關，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行，并考慮經(jīng)濟性，建議使用壽命，即大修更換年限為健康壽命減去1個季度。在實際運營中，受氣候、溫濕度、雷擊以及墜物纏繞等因素的影響，導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測結果為參考模型健康管理預測。在該參考預測壽命的前提下，結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。在接觸線磨耗比達到13.86%時，處于B類健康狀態(tài)，一般是運行期且運行狀態(tài)合格，建議檢修周期為6個月1次。當接觸線磨耗比達到19.97%時，處于C類健康狀態(tài)，一般是運行期但運行狀態(tài)不合格或是超年限但運行狀態(tài)合格，建議檢修周期為3個月1次，并進行大修更新改造報備。當接觸線磨耗比達29.77%時，歸為D類，一般是超年限且運行狀態(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線并納入設施設備差異化管理。

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致，采用上述分析方法，對各條線路接觸網(wǎng)健康狀態(tài)進行分級評估，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類為投用初期且運行狀態(tài)合格。B類為運行期且運行狀態(tài)合格。C類為運行期但運行狀態(tài)不合格或是超年限但運行狀態(tài)合格。D類為超年限且運行狀態(tài)不合格。評估精度要求最小顆?；?，即每條線路每個接觸網(wǎng)錨段都需1張分級評估表。評估表改進了以往的評估標準，為下一年的設備評估及今后健康狀態(tài)預測打下基礎。

表2 健康狀態(tài)評估

依據(jù)當前健康狀態(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，各線路之間存在的差異與新老線路及環(huán)境相關，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，需要采用與弓架次關聯(lián)的健康管理。

5 結語

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行狀況。本文通過對接觸網(wǎng)關鍵零部件的監(jiān)測、故障維修等的數(shù)據(jù)進行分析，引入臨界點的概念，采用AHP算法進行權重賦值和分析。結合實際運營數(shù)據(jù)，預估各條線路關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，更好地保障軌道交通的安全運行。