DKZ4 型車牽引系統可靠性分析

劉堯

（北京市地鐵運營有限公司運營一分公司，北京 102200）

1 牽引系統簡介

DKZ4 型車牽引系統主要由牽引控制裝置、綜合控制裝置、連接器、斷路器、接觸器、閥及主電機等組成。牽引系統是采用VVVF 逆變器調速、三相鼠籠式異步電動機驅動的電傳動系統，主要為列車提供動力源[1]。牽引控制裝置由VVVF 逆變器、斷路器箱、VVVF 控制箱、濾波電抗器、主隔離開關、主熔斷器、母線熔斷器、接地開關、母線接線箱、高壓輔助熔斷器箱、車間電源轉換箱、司機控制器、頭尾轉換開關、108 芯連接器插頭、108 芯連接器插座、108 芯連接器收藏座、母線連接器插頭、母線連接器插座、絕緣管接頭、直流電壓表、直流電流表及光纜等組成，其中VVVF 逆變器是牽引控制裝置的核心裝置。

2 牽引系統可靠性分析流程

本報告采用基于統計故障常規模型的分析法對牽引系統可靠性進行相關分析[2-3]，其常規步驟為：收集、整理故障數據，系統故障分布趨勢模型及相關參數采用統計模型的方法來確定，進而可以求出系統可靠度、故障率、系統可靠性（MTBF）等可靠性趨勢相關指標。關鍵系統可靠性分析流程如圖1 所示。

圖1 關鍵系統可靠性分析流程

另外故障模式、影響及危害性分析（FMECA）是分析系統中每一部件所有可能的故障模式及其對系統可能造成的所有影響，并按各故障模式的嚴重程度及其發生概率確定其危害性的一種系統可靠性分析方法。通過FMECA 分析可全面識別影響系統可靠性的關鍵部件、缺陷及薄弱環節，以便采取有效措施消除或減輕它對系統的影響。

2.1 牽引系統故障數據統計

在列車正常運行期間，故障主要分為維護故障和運營服務故障2 類。

維護故障是指日常修程檢修故障，即司機發現的車輛在行駛中出現故障及修理工在車輛檢修中發現的故障。

運營服務故障是指列車不足以繼續堅持進行運營載重或后果較大程度輻射到商業正常運營載客的故障，包括：①救援。列車因事故無法行駛，需其他正常載客列車清客后將它送去維修。②掉線。在最近的車站將乘客請出車輛，空車直接回到車輛段，然后運行入車輛段進行維修。③晚點。列車因事故暫時無法行駛，司機現場處理故障后車輛可以正線正常載客行駛，但是與原設置的運行時間結構有所變化，落后90 s以上。④臨修。由于列車某零部件故障損壞，列車無法正常地按照之前的運行表行駛，最終列車不能在運營正線上正常運行。

對故障的相關數據，依據以下標準來統計：①可靠性計算的時候不會考慮引發系統發生故障的人為因素。②24 h 同一種偶發性事故發生3 次當作一次事故來統計。如果系統重新開機后能進入正常相關工作的狀態，經過后期原因分析發現是偶然事故，也不計入。③發生同一故障的系統時間間隔不足1 d，則只能計一回。

根據故障數據統計原則，統計2017-01-01—2020-04-30 期間牽引系統維護故障數據；根據故障數據統計原則，統計2017-01-01—2020-04-30 期間牽引系統運營服務故障數據。

2.2 維護可靠性分析

根據維護故障頻數及車輛年運營里程計算得牽引系統的年故障率（單位：次/萬km）為：λ2017=0.037 6，λ2018=0.045 7，λ2019=0.016 1。

2.3 運營服務可靠性分析

2.3.1 故障率分析

根據運營服務故障頻數及車輛年運營里程計算得牽引系統的年故障率（單位：次/萬km）為：λ2017=0.021 5，λ2018=0.024 2，λ2019=0.032 3。

2.3.2 故障數據分布模型確定

根據牽引系統運營服務故障數據可得其故障間隔時間t=[13 42 92 110 124 132 140 145 175 229 234 253 268 285 324 339 347 400 426 452 473 475 521 555 600 691 742 800 925 930]，樣本數目n=45。選取指數分布、威布爾分布及對數正態分布作為牽引系統運營服務故障間隔時間的備選分布模型，對上述數據分別進行3種分布函數的線性化，對應的線性值x和y如表1 所示。

表1 牽引系統運營服務故障間隔時間分布函數擬合值

采用決定系數和均方根誤差對擬合的線性程度進行定量描述，各分布的決定系數與均方根誤差如表2所示。

表2 牽引系統運營服務故障間隔時間擬合相關性參數

由表2 可知，決定系數結果表明指數分布的參數更加靠近1，具有較小幅度的均方根誤差，效果好于威布爾分布和正態分布所以初步選定牽引系統的運營服務故障間隔時間符合指數分布。

采用最小二乘法計算指數分布參數得λ=0.001 20，相應95%置信區間為[0.001 13，0.001 26]。

為保證可靠性分析結果的可信性，在初步選定故障數據服從的概率分布模型后，需要進行假設檢驗。進一步采用K-S 檢驗法對所選分布模型進行假設檢驗，此方法從小到大排序排出n個相關的失效數據，對分布的函數值F0（ti）進行計算，用F（ti）和上述分布函數來比較，其中差值最大的絕對值即為檢驗統計量Dn的觀察值，將Dn與臨界值Dn，α進行比較，接受之前假定的條件是計算結果符合要求，否則將不再采用之前的假定，即：

式中：α為給定的顯著性水平的數值，本報告取α=0.05（即置信度為95%）；臨界值Dn，α可通過查表獲得。

取顯著性水平α=0.05，結果如表3 所示。

表3 K-S 檢驗結果

表3 中，h為原假設是否成立，當h=0 時接受原假設，h為1 則拒絕原假設；Dn為K-S 檢驗值；Dn，α為是否接受原假設的臨界值。

由表3 可知：Dn

2.3.3 可靠度計算

牽引系統運營服務故障間隔時間服從參數λ=0.001 20 的指數分布。牽引系統可靠度分布如圖2所示。

圖2 牽引系統可靠度

牽引系統的可靠性函數可表示如下。

概率密度函數：

可靠度函數：

可靠壽命：

故障率λ=0.001 20；MTBF 值為1/λ=833.333 3 d=8 302.166 7 h。

2.3.4 故障數預測

牽引系統運營服務故障間隔時間服從參數λ=0.001 20 的指數分布，由此可得2020—2025 年的累積運營服務故障數，如表4 所示。

表4 牽引系統運營服務故障數預測

2.4 可靠性評價

2.4.1 故障率評價

故障率如表5 所示。由表5 可知，維護情況下牽引系統的實際故障率均低于故障率指標，2017 及2018年牽引系統的故障率高于2019 年。運營服務情況下牽引系統2017 和2018 兩年的實際故障率均低于故障率指標，2019 年高于故障率指標，且呈現逐年升高的趨勢。

表5 故障率 單位：次/萬km

2.4.2 可靠度評價

牽引供電系統可靠性分析結果表明，其維護故障率（λ2017=0.037 6，λ2018=0.045 7，λ2019=0.016 1）低于相應故障率指標（0.093 4 次/萬km）；運營服務故障率（λ2017=0.021 5，λ2018=0.024 2，λ2019=0.032 3）呈逐年增加趨勢，201 9 年故障率高于相應故障率指標（0.027 4 次/萬km），運營服務情況下牽引系統的MTBF 值為8 302.166 7 h，低于MTBF 指標值11 041 h。同時可知，當可靠度為95%時，牽引系統的可靠壽命約為42 d。對于列車總數量為31 組的總體來說，平均約每27 d 牽引系統會發生一次事故。FMECA 分析結果表明，在維護情況下受流器的故障危害度最高，在運營服務情況下SIV 的故障危害度最高，危害度分別為25 和20，應視其為牽引供電系統的關鍵故障部件，在日常維修中應重點關注。

總體分析可知：牽引系統未能達到故障率平均指標；增加的故障率是相關運營服務故障，2019 年故障率高于相應故障率指標，且牽引供電系統平均約每27 d 發生一次故障，建議據此合理安排檢修周期。

3 結論

通過對1 號線DKZ4 型車牽引系統進行可靠性分析，可以確定運營服務情況下牽引系統的MTBF 值，并可以計算出牽引系統可靠性壽命，計算結果表明：牽引系統可靠性指標較好，因此可以利用DKZ4 型車輛二次廠修的機會對該系統進行更新、改造，同時本可靠性分析可以為車輛二次廠修提供相關數據支撐，并可以為后續車輛修程提供參考依據。