動車組牽引系統部件故障分布規律評估方法研究

李杰波

( 中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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動車組牽引系統部件故障分布規律評估方法研究

李杰波

( 中國鐵道科學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故障特點，對動車組牽引系統的故障分布規律的分析方法進行了探討，闡述了用可靠性理論識別系統故障分布規律的模型。提出對動車組牽引系統故障樣本極少的部件采用平均故障率描述，對故障規律不明顯的部件采用經驗分布函數方法，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律。

動車組； 可靠性； 故障分布

根據2011年京津城際CRH3C型動車組運營故障統計分析結果，牽引系統(包括高壓子系統和牽引傳動系統)故障數占動車組總故障數(牽引系統、網絡、制動、轉向架等系統)的32.3%[1]。牽引系統故障凸顯為動車組運用的主要故障，牽引系統的可靠性直接影響了動車組的運行準點。

日本新干線檢修充分考慮車輛各部件發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鍵部件和系統的監測分析獲得部件或子系統實際可靠性指標和潛在壽命，根據故障率變化規律決定維修方式，避免直接采用供貨商給出的不準確的或過于保守的可靠性指標和壽命參數決定維修時機，并逐步開展修程優化工作，延長部件工作壽命。歐洲和日本的高速鐵路已經運用可靠性理論逐步實行RCM維修制度、優化修程，可靠性工程深入地應用到了維修體制中[2]。

與國外動車組相比，我國動車組服役時間短，不僅缺乏準確的可靠性設計指標，并且由于運用條件的復雜性造成實際可靠性指標不匹配。因此，對于故障率較高的牽引系統，通過現場故障數據按照可靠性理論對其故障規律進行分析，以得到較為貼近實際的可靠性運用指標指導檢修，意義重大。

1　動車組牽引系統現場故障數據分析方法

由于我國動車組的運用時間較短，收集到的牽引系統零部件故障信息僅表現出牽引系統前期的故障情況，因此可以通過借鑒其他行業零部件的壽命分布研究經驗，對牽引系統中具有較明顯壽命分布類型的零部件采用經典統計方法來確定分布模型，擬合成理論分布函數是首選方法。

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

分布假設方法首先應識別判斷數據的分布類型，通過參數估計的方法給出表征可靠性指標的參數，最后對分布類型進行擬合優度檢驗。

(1)選擇候選分布

可靠性工程中常用的分布有指數分布、威布爾分布、正態分布、對數正態分布等。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或相對頻率(頻數/總數)相對于每級的時間組距的圖形。

由樣本數據計算得到的描述性統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，如正態分布或者形狀參數在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，也就是數據是右偏的，那么指數分布、對數分布或者威布爾分布將提供較好的擬合。如果故障數據服從指數分布，則樣本均值和標準差大致相等。正態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據擬合為一種分布的擬合程度，主要方法是將數據轉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選分布類型[4]，需要對累計故障分布函數F(t)進行線性轉換，如采用直線方程y=Bx+A，則不同分布的線性轉換關系見表1。

(2)參數估計

參數估計是根據所獲得的試驗數據或者現場數據，利用數理統計方法來估計壽命分布中的未知參數；估計的精度取決于所選用的估計方法和樣本的大小。

參數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合相關系數和殘差平方和綜合分析確定最優分布，其判定原則是：殘差平方和要小，相關系數應較大，殘差圖的正態性要好。

(3)擬合優度檢驗

擬合優度檢驗的一般步驟為：

①建立原假設H0：總體分布函數F(t)=F0(t)。

②構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計量D。

③根據樣本觀測值計算出統計量D的觀測值d。

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

表1　不同分布對應概率圖和最小二乘法的坐標線性轉換關系

⑤比較d和d0的大小，當d>d0時拒絕假設H0；當d≤d0時接受假設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完全可以取代人工計算。

2　動車組牽引系統部件壽命規律分析

牽引系統零部件的壽命分布規律，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除受電弓其余部件的壽命均服從指數分布[5]、電氣系統的主要零部件的壽命均服從指數分布[6]、電機壽命服從指數分布等[7]，構造復雜并由多種故障模式獨立作用的部件可以通過對故障數據的分布擬合獲得。以某型動車組為例，表2為動車組近10年牽引系統部件故障數的統計，該型動車組單列平均運行里程218萬km。

表2　牽引系統故障數

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

(2)對故障規律不明顯的部件采用經驗分布函數方法

該型動車組在現場運用過程中受電弓早期故障率非常高，因此經過了一系列技術整改，受電弓完全改造后共計故障數為14次。受電弓上臂、風管、碳滑板以及連桿等故障次數較多，屬于薄弱環節，基本上為機械磨損類型故障。改造后由于統計時間短，故障數據少，因此受電弓的故障規律并不明朗，宜采用經驗分布函數方法對改造后的受電弓故障進行分析。計算結果見圖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分布，較為符合磨損型部件的故障規律。

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F(t)進行線性轉換后采用最小二乘法擬合，擬合相關系數為0.85。受電弓服從N(84.165，42.576)的正態分布，如圖3所示。

圖3　改造后受電弓壽命分布規律

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

(3)對故障規律較明顯部件采用理論分布估計

部分一級部件構造復雜并由多種故障模式獨立作用，如牽引變流器、牽引電機、冷卻系統等，既存在磨耗型故障，也存在電、熱應力型故障，可以通過對故障數據的分布擬合獲得其壽命規律。

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機、熱交換機、溫度傳感器、壓力傳感器、濾網、膨脹水箱、管路、水泵、內部風扇、繼電器等部件構成。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境下。

將牽引變流器冷卻單元相關故障信息統計結果匯總如表3所示，其中壓力傳感器故障次數最多，達到了38次；其次是熱交換器故障發生次數。

表3　牽引變流器冷卻單元故障信息統計表

圖4　牽引變流器冷卻單元壽命分布規律

3　結　論

牽引系統故障對動車組運行影響較大，運用檢修部門積累了所有現場運用故障數據，可以結合可靠性理論

采用適當的方法獲得系統或部件的壽命規律。針對動車組牽引系統，提出對故障樣本極少的部件采用平均故障率描述，對故障規律不明顯的部件采用經驗分布函數方法，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律，為制定可靠性指標，進一步指導檢修和優化修程修制提供依據。

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

[2]文強. 國內外高速列車檢修制度綜述[J]. 國外鐵道車輛, 2014,(2): 1-3.

[3]趙宇. 可靠性數據分析[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[4]杜峰, 魏朗, 李倫. 整車產品故障分布規律與可靠性評價指標分析[J]. 農業機械學報, 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可靠性研究[J]. 鐵道學報, 2013, 35(6):22-27.

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

[7]劉佳昌,牛天福,羅恒森. 電機壽命分布的數學模型[J].哈爾濱電工學院學報, 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年鐵道牽引動力學術年會論文