CRH3動車組輪緣潤滑系統可靠性分析

談立成，李永華，高磊，田雪艷，兆文忠

(1.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北 唐山063035;2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著機車速度的不斷加大，改善輪軌之間的潤滑性能，對提高動車組的功率運用具有重要意義.所以CRH3動車組轉向架采用輪緣潤滑系統，改善了輪軌之間的潤滑性能.輪緣潤滑系統用于頭車的第一個動力輪對上，該系統的作用是防止車輪輪緣貼靠鋼軌時引起的輪軌磨耗［1］.

輪緣潤滑系統的可靠性是指該系統在規定的條件下，規定的時間內，安全、可靠地完成潤滑的能力.為了有效地延長輪緣修磨的間隔時間，大幅提高軌道的使用壽命，減少列車脫軌的危險，有必要進行CRH3動車組輪緣潤滑系統可靠性分析.

常見的系統可靠性分析方法主要有解析法、Monte Carlo法、Bayesian 法和混合法四種［2］，其中解析法主要有網絡圖法、FTA法、FMEA法、狀態空間法和GO法.網絡圖法主要應用于兩狀態元件組成的系統，不能模擬共因失效等多狀態元件系統［3-4］.FTA法是一種倒樹狀的邏輯因果關系圖，其缺點是復雜產品的定量分析難度很大［5］.FMEA是一種歸納性的方法，是系統地分析產品各組成單元所有可能的故障模式、故障原因及后果，以便發現設計中潛在的薄弱環節，提出可能采取的預防改進措施，以提高產品可靠性的一種設計分析方法.它常有相對固定的表格格式，只能進行定性分析［6］.狀態空間法以馬爾可夫模型為數學理論基礎，在元件的故障率和修復率都是常數的情況下可以求解得到系統狀態的概率等指標.但當系統較為復雜時其狀態空間圖的結構會非常復雜，不太實用［3］.而GO法是一種以成功為導向的系統概率分析技術［7-10］，通過部件的GO操作碼直接把原理圖翻譯成GO模型圖，并用GO法程序計算所分析系統各種狀態的發生概率，進而計算系統的可靠度.對于有多狀態、有時序系統的可靠性和安全性分析更為合適［8］.

有關GO法在動車組輪緣潤滑系統可靠性分析中的應用研究相對較少，本文結合CRH3動車組輪緣潤滑系統的工作原理，基于GO法的運算規則及GO法狀態概率公式，按照GO法的具體分析步驟，采用信號流和操作符建立GO圖模型，并進行精確的定量分析.

1 輪緣潤滑系統工作原理

輪緣潤滑系統的組成結構如圖1所示.在單向運行的車輛上，輪緣潤滑系統［1］包括:油箱、氣動泵、油氣混合塊、電磁閥、Turbolub油氣分配器、噴嘴、電控箱、管路和潤滑劑等.其工作原理［1］是:通過一個氣動柱塞泵將潤滑劑打入油氣混合塊中，同時潤滑劑和壓縮空氣在油氣混合塊中混合.借助于壓縮空氣的作用，潤滑劑沿著管道內壁輸送并經TURBOLUB分配器分配后送到噴嘴、噴射到輪緣上.

圖1 輪緣潤滑系統的組成結構圖

2 建立輪緣潤滑系統GO圖模型

基于GO法的系統可靠性分析和運算以成功為準則［7］.對于輪緣潤滑系統，其成功準則就是輪緣潤滑時各元件工作正常，保證潤滑劑噴射到輪緣上.根據輪緣潤滑系統的結構原理建立輪緣潤滑系統的GO圖模型，如圖2所示.

由輪緣潤滑系統的工作過程，確定系統的范圍從壓縮空氣和油箱開始，直到潤滑劑噴射到輪緣上.首先按照組成元部件的功能選擇對應類型的操作符來代表各個元部件.系統的初始輸入為壓縮空氣和油箱，以及電磁閥和氣動泵的控制信號，因此用類型5輸入操作符來表示這些輸入;電磁閥和氣動泵不僅需要主信號，還需要控制信號才能導通，因此用類型6有條件信號而導通的操作符代表;潤滑劑和壓縮空氣要在油氣混合塊中混合，兩者都導通才能實現在油氣混合塊中混合，因此用類型10與門的操作符表示;其他部件如空氣過濾器、油氣混合塊、過濾器、Turbolub油氣分配器、噴嘴等都是有成功和故障兩狀態，用類型1兩狀態單元操作符代表.操作符按照GO法的建模規則確定后，即可由系統圖直接生成輪緣潤滑系統的GO圖.

輪緣潤滑系統是一個簡單的兩狀態系統，各部件只有成功和故障兩個狀態，沒有提前狀態，信號流也只有成功和故障兩個狀態，用狀態值1和2表示.輪緣潤滑系統有4個輸入操作符，8個功能操作符和一個與門操作符，其成功和故障狀態概率數據列于表1.

圖2 輪緣潤滑系統GO圖

表1 輪緣潤滑系統操作符數據

3 輪緣潤滑系統GO法定量分析

輪緣潤滑系統GO圖模型是簡單的兩狀態系統，故N=2，沒有提前狀態.因此信號流的狀態概率P(0)=0.0，P(1)為成功狀態概率，P(2)為故障狀態概率.信號流的狀態累積概率為:

輪緣潤滑系統中，輸入信號操作符1、4、6和7的狀態概率直接由輸入操作符數據給出，然后按照GO圖中信號流序列，對操作符逐個進行定量計算即得到所有信號流的狀態概率.

輪緣潤滑系統的定量計算過程如下:

(1)輸入操作符定量計算，輸入操作符1、4、6和7的輸出信號狀態概率就等于操作符的狀態概率，因此直接可得到信號1、4、6和7的狀態概率，見表2.

表2 輸入操作符1、4、6和7的狀態概率計算

(2)操作符2是類型1操作符，由其輸入信號和操作符2的狀態概率直接計算輸出信號2的狀態概率，計算表達式為:

計算結果列于表3.

表3 操作符2的狀態概率計算

(3)操作符3和操作符2，其輸出信號3的狀態概率計算結果列于表4，計算表達式為:

表4 操作符3的狀態概率計算

(4)操作符5是類型6操作符，主輸入信號3，次輸入信號4，由類型6操作符狀態累積概率公式計算，計算表達式為:

計算結果列于表5.

表5 操作符5的狀態概率計算

(5)操作符8和操作符5，其輸出信號8的狀態概率計算結果列于表6，計算表達式為:

計算結果列于表6.

表6 操作符8的狀態概率計算

(6)操作符9的狀態概率計算，操作符9是類型10與門操作符，按與門的概率計算公式，得到輸出信號9的狀態概率，計算表達式為:

計算結果列于表7.

表7 操作符9的狀態概率計算

(7)操作符10和操作符2，其輸出信號10的狀態概率計算結果列于表8，計算表達式為:

表8 操作符10的狀態概率計算

(8)操作符11和操作符2，其輸出信號11的狀態概率計算結果列于表9，計算表達式為:

表9 操作符11的狀態概率計算

(9)操作符12和操作符2，其輸出信號12的狀態概率計算結果列于表10，計算表達式為:

表10 操作符12的狀態概率計算

(10)操作符13和操作符2，其輸出信號13的狀態概率計算結果列于表11，計算表達式為:

表11 操作符13的狀態概率計算

綜上所述，得到系統全部信號流的狀態概率P和狀態累計概率A，見表12.

表12 系統信號流狀態概率和狀態累計概率表

輸出信號13代表系統，故系統的狀態概率如表13.

表13 系統狀態概率

由表13可以看出，輪緣潤滑系統正常工作的概率為0.9154，其可靠性不高，有必要采取措施提高其可靠性水平.利用GO法得到的運算結果和采用FTA法得到的系統正常工作的可靠度值也基本相同，但與故障樹分析法相比GO法可以減少工作量和降低建模差錯.

4 結論

基于CRH3動車組輪緣潤滑系統模型，將GO法引進到軌道設備領域.本文對CRH3動車組輪緣潤滑系統建立對應的GO圖，采用狀態概率公式算法，進行了定量分析計算，得到了該系統的狀態概率，對CRH3動車組輪緣潤滑系統的可靠性分析和評價提供了科學的量化根據，進而論證了利用GO法分析輪緣潤滑系統可靠性是可行的.

由以上分析可知，GO法能夠較好的體現系統功能關系，操作符與元件幾乎是一一對應，GO法的操作碼和信號流可以準確地表示系統的多個狀態，以及模擬有序列過程的狀態系統.GO法思路清晰明了，易于理解.較好地解決了傳統可靠性分析方法模型的復雜性、計算量大等問題，因此更適用于規模較大得系統可靠性分析計算.

采用GO法對CRH3動車組輪緣潤滑系統進行可靠性分析是實際可行.在軌道列車系統設備可靠性分析中，發展GO法的應用有著十分重要的現實意義.

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