高速鐵路接觸網零部件的重要度分析

林裕華

0 前言

在牽引供電接觸網的安全評估中，即風險評估中，需通過對接觸網進行可靠性水平的分析來確定各項設備的安全評估指標。

對既有成熟的接觸網設備或體系，通常采用接觸網故障統計的方法得到各個部件的故障率，根據故障率統計結合概率重要度或統計損失的規律分析，可返算得到整體系統的可靠性水平。對新建的高速鐵路接觸網系統，經驗統計獲得數據值顯然只能是事后的、無法滿足現代高可靠性、耐久性用戶要求的，需要采取新的科學方法事先獲得新開發接觸網系統的可靠性水平并評估薄弱環節，以指導控制工程實施，達到系統安全性目標。

1 重要度的概念

首先定義可靠性分析中的各零部件的重要度：底事件或最小割集對頂事件發生的貢獻。由此可確定薄弱環節，改進設計方案。重要度分為概率重要度和結構重要度。

概率重要度：第i 個部件不可靠度的變化引起系統不可靠度變化的程度，公式表達為

式中，Δgi(t)為概率重要度；Fi(t)為元、部件不可靠度；為頂事件發生概率；Fs(t)為系統不可靠度。

結構重要度：零部件在系統中所處位置的重要程度，與零部件本身故障概率好壞無關。

2 接觸網零部件的概率重要度

國內高速鐵路接觸網正定位典型零部件安裝示意見圖1，并據此定義接觸網零部件的不可靠度和對其概率重要度進行排序。

2.1 接觸網腕臂系統的不可靠度

接觸網腕臂各零部件的不可靠度計算公式定義如下：

圖1 國內高速鐵路接觸網正定位典型零部件安裝示意圖

2.2 接觸網腕臂零部件的概率重要度排序

根據上述統計法的公式計算可以得出接觸網各零部件概率重要度的排序。很多情況下，統計法對于新型開發的系統往往獲取不到足夠的可靠性數據。通過采用基于測試的數據得到接觸網零部件重要度排序更為直接和準確。

3 基于測試數據的零部件重要度排序分析

3.1 現場測試數據的分析處理

對試運行中的350 km/h 高鐵線路，通過穩定性測試獲得的接觸網動態測試數據進行分析，可得到單弓和雙弓2 種工況下的弓網抬升量、振動頻率。某高鐵線路的接觸網測試數據如下。

單弓測試數據：最大抬升量 25.447 ～63.283 mm；振動典型值為1～3 階頻率0.938 3～2.834 Hz，振幅0.793 2～0.168 3 mm。

雙弓測試數據：最大抬升量37.23～92.72 mm；振動典型值為1～3 階頻率1.468～3.856 Hz，振幅1.365～0.251 5 mm。

3.2 等效載荷及其應力測試分析

通過實測得到某工況的零部件等效應力時程圖或結合列車運行時產生的弓網接觸荷載、列車運行時產生的風載，也可以通過有限元仿真計算得到應力峰值、均值和標準差較大的零部件荷載分布，單弓和雙弓工況下定位管的測試數據分析見圖2和圖3。

圖2 單弓工況定位管等效應力時程圖

圖3 雙弓工況定位管等效應力時程圖

3.3 直接影響運行可靠性的零部件重要度分析

表1 和表2 分別給出了根據單弓和雙弓2 種工況下5 種零部件的接觸網動態響應測試數據。這些零部件在工作過程中所受的應力較大，將會直接影響系統運行可靠性。

表1 單弓工況5 種零部件的應力典型值表 單位：MPa

表2 雙弓工況5 種零部件的應力典型值表 單位：MPa

根據基于現場測試數據的有限元分析結果得到的零部件重要度排序。其中，單弓工況重要度排列順序依次為：定位管、斜腕臂、水平腕臂、絕緣子和定位環；雙弓工況重要度排列順序依次為：定位管、水平腕臂、斜腕臂、絕緣子和定位環。

為便于對比分析，根據2007 年度到2010 年度間故障率，計算出零部件重要度排序，見表3。

表3 由故障率得到的零部件重要度指標表

對比上述各表可知，斜腕臂、水平腕臂、定位管、絕緣子、定位環等零部件，即是結構應力集中的零部件，也是牽引供電系統在運行過程中故障率較高的零部件。

4 接觸網零部件重要度排序的應用

接觸網零部件重要度排序分析，可以辨別實際運行中故障率較高的零部件，確定高速鐵路接觸網各零部件工作狀態和可靠性規律，以便采取有效冗余的設計措施，加強日常運營維護管理。

綜合以上分析表中所提供的接觸網重要度排序，結合FEMA 專家打分等方法加權計算還可以最終較為科學地確定設備的安全評估指標，計算分配各零部件的重要性安全性比例，可得到相應零部件的安全評估指標，對完善牽引供電系統安全評估技術體系有重大意義。

[1] 戚廣楓.可靠性理論在接觸網領域的初步應用研究[J].電氣化鐵道，2006，z1.

[2] 鄂科鑒字[2006].接觸網系統的可靠性、安全性和可維修性（RAMS）分析與研究[R].

[3] IEC 60300-3-9 1997.可靠性管理 第3-9 部分：應用指南技術系統的風險分析[S].

[4] IEC 62278-1 2002.鐵路設施.可靠性,有效性,維修性和安全性(RAMS)的規范和論證[S].