軌道列車牽引系統的維護與分析

潘銀萍

(西安交通工程學院機械與電氣工程學院,陜西 西安 710330)

0 引言

隨著社會經濟的發展、城市規模的擴大，為了提高城市交通運營水平、更好地解決交通堵塞問題和民眾出行困難問題[1-2]，許多大中型城市紛紛選擇將城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分。以地鐵為“骨架”，以公交車、出租車為“毛細血管”的公交網絡將成為城市公共交通的主要運營方式[3-5]。城市軌道交通具有運送量大、速度快、污染少等優勢，其作用越重要，一旦發生故障或事故的后果也越嚴重。交通事故不僅嚴重影響市民的正常出行，還會造成生命和財產的重大損失。因此，人們對軌道交通系統可靠性和安全性的要求也越來越高。為了防止和減少事故、保證車輛正常運行[6-7]，對軌道車輛的牽引系統進行可靠性分析、確定牽引系統的薄弱環節，對地鐵車輛的可靠性設計以及車輛維修具有重要意義[8-9]。

本文結合某地鐵線路的現場車輛檢修記錄，采用系統可靠性理論分析牽引系統的可靠性。首先，本文根據現場檢修數據建立地鐵牽引系統的故障模型，并對所建立的故障模型進行定性、定量分析。其次，本文對地鐵牽引系統進行可靠性仿真。最后，本文確定了牽引系統的薄弱環節和各部件的重要度。

1 城市軌道交通牽引系統研究

1.1 牽引系統簡介

牽引系統是地鐵車輛可靠運行的關鍵電氣系統，一旦發生問題，地鐵動力來源會受到影響，將使得列車牽引制動的能力大大降低甚至牽引失敗，會導致列車無法準時到站以至于造成地鐵運營異常甚至停運、乘客滯留、交通擁堵等問題。牽引系統可靠性是指在規定行車條件下，牽引系統能夠在規定行車時間內正常、穩定完成列車牽引制動功能的能力?？煽啃栽u估是保證列車牽引系統安全、可靠運行的重要手段。牽引系統如果在行駛中發生某部件或子系統性能降低，而在維修過程中又沒有對該部件或子系統進行詳細檢測，將增大牽引系統運行風險，造成不必要的經濟損失?？煽啃灶A測是提高牽引系統檢修水平、優化檢修計劃的有效手段。若能在牽引系統發生故障之前預估故障可能發生的大致時間，對系統性能仔細檢測評估并修正潛在的不可靠性因素，就可以提高列車運行安全性和提高經濟效益[10-11]。可靠性評估之后獲得的經濟效益往往能達到評估費用的3～9倍。

目前，國內對地鐵車輛電氣系統的檢修大多基于經驗實施，按照其行駛里程或安全運行時間來制定相關檢修計劃。維修人員基本按照維修章程對已發生故障的部件進行維修工作，對未發生故障的其他部件多憑經驗進行全部寬泛檢修。該檢修方式靈活性不足，缺乏針對性。牽引系統的檢修計劃和檢修作業的實施，目前仍缺乏完善的科學理論指導。

牽引系統結構如圖1所示。

圖1 牽引系統結構示意圖Fig.1 Traction system structure diagram

由圖1可知，牽引系統主要由牽引電機、牽引控制模塊、牽引逆變模塊、高速斷路器、受電弓、接觸網等基礎部件組成[12]。一般情況下，受電弓起到接通電源的作用。受電弓通過列車線路向高速斷路器模塊輸入直流電，其具體規格選定為1 500 V。牽引控制器會通過應用牽引逆變器完成相應控制信號的輸入，將原本屬性為直流的電力作調整，繼而生成三相交流電，并以此為準牽引電機。需要注意的是，車身與轉向架必須借助地刷接地的方式，實現閉環電路的構建。

1.2 常見的故障

牽引系統常見的故障，一般是由過流或過熱保護、命令錯誤等原因導致的。這些故障都是傳感器通過系統網絡反饋至車載顯示器，由列車司機在駕駛過程中發現并作相應處理的。過流故障可以分為直流過流和逆變過流。直流過流是指牽引逆變器中的電流傳感器到車門控制單元(domain control unit，DCU) 模塊通過車載網絡系統向車載顯示器反饋時，在LH1電流傳感器和DCU模塊傳輸過程中發生電流過流的情況。逆變過流是指牽引逆變器中，LH3和LH4電流傳感器、DCU模塊、脈沖分配板、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)驅動板、IGBT的逆變過程出現問題，即熱保護-牽引逆變器模塊內溫度繼電器信號檢測模塊內的溫度過高，向DCU反饋超溫信息，并通過車載網絡系統向車載顯示屏反饋。電機內設有電機溫度傳感器，以檢測電機工作溫度。當傳感器檢測到牽引電機的工作溫度超過180 ℃或者低于50℃時，電機溫度傳感器則被視為發生故障。命令錯誤是地鐵列車司機操縱列車方向手柄，給出方向指令，網絡系統傳輸指令至牽引逆變器中系統管理控制器(system management controller，SMC) 模塊，從而檢測到牽引指令出現錯誤。此時，系統會將反饋信號輸出至SMC模塊，并通過系統網絡顯示于車載顯示器。

1.3 系統可靠性理論

聚焦可靠性在內容方面表現為五個層面，具體是可靠度、規定條件、使用條件、產品、規定時間。聚焦可靠性存在的指向，往往是服務于產品可靠度。其中，產品是指具體的分析對象。該詞匯本身存在著一定寬泛性，涵蓋類型眾多，可以是牽引系統中的控制開關、IGBT、制動電阻等獨立元件，也可以是組件、接收器、子系統等設備，甚至是整個設備。當以地鐵牽引系統作為分析對象時，需要關注其現實機理，明確維護策略和人為判斷因素。規定是指研究對象的操作條件、工作環境、存儲運輸、使用維護等。這些控制條件的變化對可靠性有重大影響。規定時間通常用于評估可靠性的時間指標。因為評估主題可靠性是時間調整的定義，所以時間可以是不同的區間，也可以是將另一個指標分配給予時間對應的值，例如服務周期、使用期限等。規定功能是可靠性研究中的重要部分，通常代表指定情況或操作條件下，作為研究對象的產品可以保持繼續正常運行而不會出現故障或意外。需要強調的是，規定功能失效并不完全等同于不能工作。在某些情況下，即使產品可以運行，但一些特定參數超出規定范圍，該產品也可以被判斷為功能失效?？煽慷仁侵杆芯繉ο罂煽啃缘母怕剩⑹褂枚鄠€概率來表示作為可靠性技術持續發展基礎的可靠性。概率的數字表示允許量，用于比較和評估產品或設備系統的可靠性，并確保對這種可靠性的質量控制。

1.4 可靠性定義參量

牽引系統按是否具有修復功能，可以分為兩類。對于有修復功能的系統而言，在出現故障或異常時，系統借助一定的干預手段介入與修理，是能夠實現其功能完全或部分恢復的。對于沒有修復功能的系統而言，則是無法通過干預再次恢復功能的。對于牽引系統而言，其大部分是有修復功能的。

可靠度的定義如式(1)所示。

R(t)=P(T≥t),∝>t>0

(1)

式中：R(t)為時間函數;t為指定的某一時刻;T為隨機量；P為部件正常工作的概率。

與之相對的，不可靠度的定義如式(2)所示。

F(t)=1-R(t)

(2)

系統發生故障的概率可以用故障率表示。故障率的定義如式(3)所示。

(3)

聚焦修復率指的是在一定時間范圍內，故障問題順利恢復正常的可能性。該指標可以描述故障或組件的修復難度。修復率如式(4)所示。

A(t)=A

(4)

式中：A(t)為修復概率；A為故障率。

平均無故障工作時間(mean time bewteen failure，MTBF)表示系統、組件從出現故障到再一次投切到運行所耗費的時間均值，也被界定為平均壽命，在本文中被記作B。其可以用式(5)表示。

(5)

式中：θ為平均壽命；N為樣本總量；ni為第i個部件故障；tij為第i個部件從第(j-1)次故障到第j次故障的工作時間。

平均維修時間(mean time to repair，MTTR)在本文中被記作C，如式(6)所示。

(6)

式中：n為樣本;ti為故障時間。

1.5 基于馬爾可夫的可靠性預測系統

俄國數學家馬爾可夫提出馬爾可夫模型，并定義了馬爾可夫過程。馬爾可夫過程中，下一個狀態僅取決于現在狀態而與以往的狀態無關，即無記憶性。一般采用狀態轉移圖的方法構建馬爾可夫模型。根據牽引系統的層次分析模型，本文將地鐵牽引系統劃分為五個子系統，分別為受電弓模塊、高速斷路器模塊、牽引逆變模塊、牽引電機模塊和牽引控制模塊。使用層次分析法分析地鐵牽引系統時，牽引系統中每個模塊的組件都非常復雜，且相互關聯。因此，使用層次分析法評估地鐵牽引系統的可靠性所需時間較長。系統可靠性如圖2所示。

圖2 系統可靠性框圖Fig.2 System reliability block diagram

本文在馬爾可夫的可靠性預測系統的基礎上提出了基于馬爾可夫獎勵過程的牽引系統可靠性評估。軌道列車牽引系統分層結構如圖3所示。

圖3 軌道列車牽引系統分層結構Fig.3 Layered structure of rail trains traction system

軌道列車牽引系統分為系統層、模塊層以及指標層三層。系統層用于表達系統狀態。模塊層為系統各模塊的狀態評估。指標層考慮不同模塊的組成特性、運行環境等確定評價指標。

馬爾可夫法采用指數估值法的最大邊沿原理法確定總權重，簡單、直觀、方便。估值使用式(7)計算。

(7)

式中：m為評價指標的最大數量；a為綜合權重；b為權重。

2 軌道列車牽引系統可靠性評估

在面向對象作評估分析時，需要重點關注衰減系數以及補償系數。衰減系數又稱衰減常數，是傳播系數的實數部分。它包括經典吸收和分子吸收兩部分。經典吸收是由于空氣的粘滯性、熱傳導效應以及空氣分子轉動等所產生的聲能耗散，大小與聲波頻率的平方成正比例，并且與空氣溫度和氣壓有關。在對系統進行價值評估時，必須確定不同狀態的獎勵系數以及衰減系數。獎勵系數表示某系統在某狀態下的獎勵，具體指某一時刻處在某狀態下的某系統在下一個時刻能獲得的獎勵期望。衰減系數定義為未來獎勵在當前時刻下的價值比例。若衰減系數接近0，則表明本次為“近視”性評估，衰減系數愈靠近1，則表明偏重考慮遠期的利益。分別設衰減系數為0.2、0.5、0.7[13-15]，并分別對應從短期、中期、長期的角度評估牽引系統可靠性。這里定義不同時期指在一定安全裕度下，從安全度和經濟利益兩個方面來評判不同衰減系數對應的時期。短期角度為考慮系統安全度遠多于其運維產生的經濟利益。中期角度為考慮安全度與其運維的經濟利益的程度相當。長期角度則指更多地考慮其經濟利益。

2.1 受電弓模塊

受電弓模塊的作用是從接觸網中得到充分的電能。其需要布置在列車頂部。對于列車而言，受電弓模塊是極為關鍵的受流設備。關注其可靠性層面的分析，有助于切實保障其安全性。受電弓模塊的可靠性對比如圖4所示。

圖4 受電弓模塊的可靠性對比圖Fig.4 Reliability comparison diagram of pantograph module

由圖4可知，各個時間段內受電弓模塊可靠性的總體下降幅度相同，但下降速度和穩態逼近值不同?？紤]到短期收益，受電弓模塊可用性下降速率是極為鮮明的，趨近于0.92。關注長期性，其可用性會隨之下降，接近0.99。關注中期運作，此時下降速率處于中間位置，穩態可靠性趨于0.96。本研究將安全放在首位并關注短期收益的可靠性曲線，將其作為可靠性維護周期的基線曲線。研究時，根據馬爾可夫過程的有條件維修，定義預防維修閾值，并計算每月裝配故障數據的最佳穩定維修期。

2.2 高速斷路器模塊

高速斷路器模塊對于列車而言是一個具體的高壓模塊。一旦系統中出現了短路或其他電氣問題，該模塊便會快速反應，及時關閉牽引逆變器等用電機構，以免波及到其他設備或引起設備溫度過高而燒壞設備。可靠性評估有助于提高列車的可靠性和子系統中其他設備的性能。高速斷路器模塊可靠性對比如圖5所示。

圖5 高速斷路器模塊可靠性對比圖Fig.5 Reliability comparison diagram of circuit breaker module

由圖5可知，各時間點高速斷路器模塊可靠性呈整體下降趨勢，但其衰減率和穩態逼近值不同。考慮到短期收益，高速斷路器模塊可靠性下降速度最快，最終趨于0.83?？紤]到長期收益，可靠性下降表現為最緩慢，最終結果具體表現為0.92。關注中期收益，其穩態可靠性趨于0.89。本研究使用將安全放在首位并關注短期收益的可靠性曲線作為可靠性維護周期的基線曲線。根據馬爾可夫過程進行狀態維護，定義0.95為t=3.5時所對應的預防性維護閾值，計算月度故障數據調整需要3～5個月的最大可靠期。

2.3 牽引逆變模塊

牽引逆變器的關鍵任務是面向牽引電機，提供充分的三相交流電。地鐵車輛的列車牽引系統降低了能耗。

牽引逆變模塊可靠性對比如圖6所示。由圖6可知，牽引逆變模塊的可靠性呈整體下降趨勢，但其下降率和穩態方法是不同的?？紤]到短期收益，牽引逆變模塊可靠性下降最快，結果表現為0.73。關注長期收益，其結果會達到0.81。關注中期收益，下降率處于中間，穩態可靠性趨于0.77。本研究保持安全第一的原則，以短期收益為導向的正常運行時間曲線作為可靠性維護周期的基線曲線。根據馬爾可夫過程狀態維護，將0.95設為t=0.9時所對應的預防性維護閾值，以0.9個月計算月度不合格數據并進行檢修。

圖6 牽引逆變模塊可靠性對比圖Fig.6 Reliability comparison diagram of traction inverter module

2.4 牽引電機模塊

對于地鐵而言，牽引電機是極為關鍵的，直接關聯著列車的移動性能。針對該模塊，也必須給予充分的可靠性探索。牽引電機模塊可靠性對比如圖7所示。

圖7 牽引電機模塊可靠性對比圖Fig.7 Reliability comparison diagram of traction motor module

由圖7可知，各時間點主電機模塊可靠性呈整體下降趨勢，但其下降率和穩態逼近值是不同的?？紤]到短期收益，牽引電機模塊可靠性下降是最快的，結果表現為0.84。關注長期收益，可靠性呈下降態勢，速度最慢，最終達到0.98?？紤]中期收益，可靠性下降處于中間，穩態可靠性趨于0.92。本研究以安全為首要考慮，以短期收益為導向的可靠性曲線作為可靠性維護周期的基線曲線。根據基于馬爾可夫過程的狀態維護，在計算t=1.6所對應的預防性維護閾值和月度不合格數據時，可靠性維護的最佳周期為1.6個月。

2.5 牽引控制模塊

對于牽引系統本身而言，其中的牽引控制模塊承載著指令輸入、參數界定等關鍵任務，包括相關信號的轉換、脈沖參數的設置等，以控制牽引馬達。評估其可靠性有助于降低列車控制故障率并提高列車運行性能。牽引控制模塊可靠性對比如圖8所示。由圖8可知，牽引控制模塊可靠性在不同時間段的總體減少量相同，但減少率和穩態逼近值不同。具有短期收益的可靠性下降最快，最終達到0.83。具有長期收益的可靠性下降最慢，最終達到0.93。關注中穩態可靠性趨于0.89。其預防性維護閾值為0.95。本研究有條件維護馬爾可夫過程，使用關注短期收益的可靠性曲線作為可靠性維護周期的參考曲線，以安全為首要考慮。設置t=1.4。在計算裝配月份的故障數據時，1.4個月是最可靠的檢驗周期。

圖8 牽引控制模塊可靠性對比圖Fig.8 Reliability comparison diagram of traction control module

2.6 牽引系統可靠性評估

牽引系統可靠性評估曲線如圖9所示。

圖9 牽引系統可靠性評估曲線Fig.9 Reliability evaluation curves of traction system

由圖9可知，牽引系統在不同時間具有相同的整體下降趨勢，但其降速和穩態接近的值不同。所有牽引系統的穩態方法的短期收益可用性下降速度最快，低于每個子系統模塊的成本。考慮到長期收益，可靠性最終很可能達到0.59、趨近于0.63。考慮到中期收益，可靠性下降率介于兩者之間，穩定可靠性趨近于0.62。本研究秉持安全第一的原則，以強調短期收益的可靠性曲線作為可靠性維修周期的參考曲線。根據狀態維修流程設定t=0.4時所對應的預防性維護閾值，計算每個月份的誤差數據時，以0.4個月作為最佳可靠性維護期。

3 結論

本文以地鐵線路的主交流電模型鐵路牽引系統作為標準，評估軌道列車的牽引系統可靠性，對系統常見的故障形式和可能的故障原因展開分析，并利用馬爾可夫獎勵過程來提升牽引系統的可靠性。相關子模塊的存在隨著時間的推移在各種阻尼因素下發生變化。本文通過對牽引系統水平的評值，首先確定了評價牽引系統可靠性的指標，并計算整個系統中各子系統模塊的全局權重；然后利用馬爾可夫模型對系統的可靠性進行評價；最后根據系統可靠性評估模型和評估結果，提供合理的維護周期。該模型對地鐵列車牽引系統的可靠性評估及制定維修維護策略具有重要的參考價值。