一種電力機車用受電弓全壽命周期可靠性分析

霍肖偉,陳玉芬,蒯冠明

(中車大同電力機車有限公司 技術中心研究院，山西 大同 037038)*

近年來隨著我國高速鐵路的迅猛發展，電力機車的出現給人們的出行帶來了極大的方便.現役電力機車運行的可靠性和安全性已成為人們關注的首要問題，如何保證其安全可靠的穩定運營，直接關系著人們的生命財產安全，所以對機車相關重要部件的可靠性分析至關重要.

受電弓作為電力機車關鍵部件，直接影響列車運行的安全性和可靠性.過去一直停留在對受電弓整件的可靠性分析，并沒有對影響受電弓功能的各分解部件進行分析[1]，本文以DSA200型受電弓為例，通過多種可靠性分析方法分析影響其可靠性的敏感部件，通過現場運用數據情況，選取適合的評估方法，開展可靠性評估，為完善受電弓的維護保養及檢修規程、產品的技術提升提供有力的數據支撐.

1 產品可靠性影響因素分析

1.1 受電弓功能說明

受電弓是電力機車從接觸網獲取電能的重要電氣部件[2].HXD2系列機車均采用DSA200型單臂受電弓.

1.2 受電弓結構分解

圖1是DSA200型受電弓結構示意圖，表1為DSA200型受電弓結構樹.

圖1 DSA200受電弓結構示意圖

表1 DSA200型受電弓結構分解

表1 DSA200型受電弓結構分解 續表

受電弓主要由底架、阻尼器、升弓裝置、下臂、弓裝配、下導桿、上臂、上導桿、弓頭、碳滑板、控制閥板及空氣管路組成.底架、下臂、上臂、下導桿、上導桿、弓頭構成受電弓的框架結構，是受電弓運行過程中各種載荷及沖擊的承載機構.升弓裝置是受電弓的驅動裝置，負責受電弓的升降，在受電弓工作過程中，緩沖來自接觸網的振動沖擊，保證弓網間接觸良好，為電力機車提供穩定受流.

1.3 受電弓檢修規程

表2為DSA200型受電弓檢修規程.C1修為3個月檢修內容；C2修為6個月檢修內容；C3修為年檢內容；C4修為3年檢內容；C5修為6年檢內容；C6修為12年檢內容.

表2 DSA200型受電弓檢修規程

1.4 影響因素初步識別

鋼絲繩是是受電弓升弓裝置的關鍵部件，負責將氣囊的驅動力轉換為力矩，傳遞給受電弓的框架結構，配合線導板保證受電弓在工作范圍內的靜態接觸力恒定.

底架，下臂，上臂為受電弓框架結構中的關鍵部件，有大量的焊接結構，其可靠性是受電弓安全運行的關鍵.

阻尼器是受電弓在運行過程中的減震部件，其性能對于受電弓的動態性能具有重要意義，受電弓的阻尼器具有特殊性，不僅要保證受流狀態下的減震性能，還需保證在降弓時對受電弓進行緩沖，防止“砸頂”發生.

減壓閥是受電弓控制閥板的關鍵部件，將電力機車提供的壓縮空氣進行減壓，供給氣囊使用.受電弓采用的減壓閥為先導式精密減壓閥，根據運用經驗可以發現，減壓閥長期工作易受工作介質的影響，特別是油污影響使用壽命.減壓閥性能決定了受電弓靜態接觸力的穩定性，對于受電弓的受流性能具有重要影響.

安全閥是受電弓控制閥板的關鍵部件，當氣壓超過安全范圍時啟動，對受電弓氣路提供保護.受電弓采用的安全閥為直動式安全閥，安全閥內部核心部件為橡膠密封圈及彈簧，密封圈長期處于壓緊狀態，易發生塑性變形，導致密封性能下降出現漏風故障，彈簧受到交變載荷作用，易發生疲勞問題.安全閥性能對于受電弓的安全性具有重要影響.

初步識別影響受電弓可靠性的部件主要為阻尼器，升弓裝置的氣囊、鋼絲繩，升弓控制閥板的減壓閥、安全閥，受電弓框架的底架、下臂、上臂等.

表3為各部件可靠性影響分析.

表3 部件可靠性影響分析

2 數據分析

2.1 受電弓故障數據統計

故障數據是可靠性數據中的重要部分，它是對部件故障時狀況的描寫，在開展現場數據統計分析之前，首先需要根據故障現象、故障原因和處理結果確定故障屬于責任故障還是非責任故障，其中按合同(或協議)規定是該研制或生產部門責任范圍內發生的故障稱為責任故障，不在研制或生產部門責任范圍內發生的故障稱為非責任故障.并且只有責任故障中的耗損型故障才納入故障統計范圍[3].

由于部件投入使用的時間不同，觀測者記錄數據時除故障時間外，還有一些部件統計時仍在完好地工作，以及完好部件使用中途因檢修要求視情更換等，形成了現場數據隨機截尾的特性[4]，如圖2所示.

圖2 現場數據隨機截尾示意圖

統計新八軸機車DSA200受電弓實際使用中的運用故障數據，各零部件責任故障數如表4所示，截尾數據1196個.

表4 各零部件責任故障數據統計結果

責任故障主要集中在壓力開關、快速降弓閥、減壓閥、升弓閥板管路、安全閥等，其中快速降弓閥故障處理方式以更換膜片與閥板為主，鑒于導致該零部件故障的主要原因為進口閥膜片低溫性能不理想，且目前已對快速降弓閥膜片國產化，基本解決快速降弓閥膜片故障，故不對快速降弓閥故障進行評估分析.

2.2 最優壽命分布確定

著名統計學家赤池弘次(Hirotugu Akaike)在研究信息論特別是解決時間序列定階問題中提出了赤池信息準則(Akaike Information Criterion，AIC)[5].其定義為：

AIC代表的是使用該模型描述分布時所“損失的信息”，因此使用該準則時，選取AIC值最小的分布.特別注意的是，AIC數值的絕對大小沒有意義，只有在多個模型相比時才有相對大小的意義，才可得出到某個模型在所有備選模型中最好的結論.

2.3 可靠性評估方法選擇

在得到產品的可靠性數據(截尾樣本等)后根據殘存比率法或者平均秩次法計算樣本的經驗分布函數.

根據故障數據數量的多少，選取不同的評估方法得到零部件可靠性評估結果[6].對于故障數大于等于10的零部件，采用AIC準則，從被廣泛使用的指數分布、威布爾分布、正態分布與對數正態分布中選取最合適的分布對零部件進行可靠性評估[7]；對于故障數小于10的零部件，分別采用指數分布與威布爾分布對故障、截尾數據進行分析，得出可靠性指標的置信下限，最后選取較為保守的計算結果作為該零部件的可靠性評估結果.

2.4 各零部件可靠性評估

2.4.1 壓力開關、減壓閥、升弓閥板管路

壓力開關、減壓閥、升弓閥板管路故障數大于等于10，截尾數據1196個，故障、截尾數據分布如圖3所示.

(a) 壓力開關

(b) 減壓閥

(c)升弓閥板管路

采用不同壽命分布對壓力開關、減壓閥、升弓閥板管路運行數據進行擬合，得到的累積分布函數(Cumulative Distribution Function，CDF)曲線[4]如圖4所示.

(a) 壓力開關

(b) 減壓閥

(c)升弓閥板管路

各分布類型的AIC值計算結果如表5所示，結合累積分布函數曲線比較結果和AIC準則計算結果，認為四種分布中最合適的分布為對數正態分布，其參數估計結果如表6所示.

表5 零部件各分布AIC準則計算結果

表6 壓力開關對數正態分布參數估計結果

圖5 零部件可靠度曲線

(a)壓力開關

(b)減壓閥、升弓閥板管路

根據分布參數估計結果，可繪制零部件可靠度及失效率曲線，如圖5、圖6所示；零部件在給定可靠度條件下的可靠壽命點估計以及不同置信水平下的置信下限，如表7所示.

表7 不同可靠度下的可靠壽命評估結果 萬公里

2.4.2 安全閥、氣囊、阻尼器

安全閥、阻尼器、氣囊故障數小于10，截尾數據1196個，故障、截尾數據分布如圖7所示.

(a) 安全閥

(b) 阻尼器

(c)氣囊

假設零部件的壽命服從指數分布和威布爾分布，分別計算出各零部件的可靠性指標的置信下限，并采用其中較為保守的結果，見表8.需要指出的是，按照此方法給出的可靠性評估結果是基于目前非常有限的運行數據給出的保守結果[10].隨著產品的繼續運行，可能出現更多的故障數據，還需要根據實際運行情況對評估結果進行更新.

表8 不同可靠度下的可靠壽命評估結果 萬公里

3 結論

本文通過對受電弓及其功能影響部件的可靠性分析，初步判斷受電弓壽命影響因素，并對運行故障數據分析，對主要故障部件進行可靠性評估，評估結果相對保守.

鋼絲繩，受電弓框架的底架、下臂、上臂等部件，在運行過程中未發生責任故障，在本文中未進行可靠性評估，后續可以通過檢修數據進一步進行評估完善.