動車組牽引供電系統(tǒng)故障模式影響與危害分析*

盧碧紅, 張秉海, 曲寶章

(大連交通大學機械工程學院 大連,116028)

動車組牽引供電系統(tǒng)故障模式影響與危害分析*

盧碧紅, 張秉海, 曲寶章

(大連交通大學機械工程學院 大連,116028)

對某動車組(electric multiple unit，簡稱EMU)牽引供電系統(tǒng)故障模式影響與危害度進行研究，提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性，進而提高高速列車運行可靠性。采用故障模式、影響及危害度分析(failure mode effect criticality analysis,簡稱FMECA)的方法，提出了牽引供電系統(tǒng)的可靠性框圖，根據(jù)FMECA方法對牽引供電系統(tǒng)的16種主要故障展開研究，從故障發(fā)生概率及其影響的嚴重程度兩個維度得到牽引供電系統(tǒng)危害性矩陣。通過危害性矩陣分析得出絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, 簡稱IGBT)模塊監(jiān)控起作用故障、變壓器油泵34-F55跳開故障、制冷風扇故障和變壓器油流故障等4種危害度較高的故障，并提出相應的改進措施。列車現(xiàn)場運行反饋結(jié)果表明，該措施保證了牽引供電系統(tǒng)的運用可靠性，研究成果為動車組其他子系統(tǒng)的故障分析、維修決策和壽命管理提供了技術(shù)支持。

牽引供電系統(tǒng)； 故障模式、影響及危害度分析； 危害度矩陣； 動車組

引 言

高速鐵路是鐵路未來的發(fā)展方向，各國都投入大量人力物力進行高鐵建設。近十年，我國高速列車得到了快速發(fā)展，但也暴露一些問題。例如，動車組可靠性故障會造成動車經(jīng)常性的晚點以及運行安全報警等問題，給高鐵的運營推廣帶來了阻力。牽引供電系統(tǒng)是動車組中最重要的子系統(tǒng)之一，牽引供電系統(tǒng)的可靠性直接影響動車組能否正常運營。

近年來，很多學校和企業(yè)在鐵路牽引供電系統(tǒng)方面做出了大量研究。文獻[1]以整條高速鐵路所有牽引變電站的供電系統(tǒng)可靠性和鐵路通過能力為評估對象，研究外部電力系統(tǒng)(發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、牽引變電站和接觸網(wǎng))對高速鐵路牽引供電的可靠性，但沒有對高鐵內(nèi)部的牽引供電系統(tǒng)故障做深入研究。文獻[2]對動車組的牽引供電系統(tǒng)故障進行統(tǒng)計分析，得出接觸網(wǎng)系統(tǒng)的故障占重要比重, 應采取措施減小各種自然因素引起的故障，建立了較為完善的牽引供電系統(tǒng)故障統(tǒng)計表格, 為提高電力牽引供電系統(tǒng)的供電可靠性提供了依據(jù)，但沒有涉及故障模式及其影響方面的研究。文獻[3]針對某一地鐵典型牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用故障樹分析(fault tree analysis，簡稱FTA)和故障模式、影響及危害度分析對典型地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性進行分析，在故障樹圖中劃分出系統(tǒng)的最小割集，找出接觸網(wǎng)系統(tǒng)與高壓斷路器、中壓斷路器是該地鐵供電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)；但是沒有指出故障模式對系統(tǒng)的影響及危害度。文獻[4]提出幾種牽引供電系統(tǒng)的主要故障(高壓電纜故障、雷擊故障和電氣絕緣故障)供電系統(tǒng)靈活性較差并提出解決措施，但沒有指出這幾種故障模式的危害度。

筆者通過運用FMECA對動車組牽引供電系統(tǒng)進行故障模式影響及危害度研究，實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性增長，提高動車組的運營可靠性。

1 FMECA技術(shù)

FMECA起源于美國，F(xiàn)MECA技術(shù)在20世紀50年代被首次用于美國戰(zhàn)斗機操作系統(tǒng)的設計分析并取得了較好效果。它是對系統(tǒng)、部件和零件所有可能出現(xiàn)的故障模式進行分析，分析故障模式對上一級或總體的影響以及危害度， 找出故障原因提出改進措施，為維修、壽命管理和研發(fā)設計提供依據(jù)。FMECA有硬件法和功能法兩種基本方法，硬件法是列出各個硬件產(chǎn)品，對所有潛在的故障模式進行分析，根據(jù)硬件產(chǎn)品的功能對每個故障模式進行評價。根據(jù)數(shù)據(jù)掌握的情況，評價又分定性和定量兩種。筆者采用硬件法對牽引供電系統(tǒng)進行分析[5-6]。

2 牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次框圖和可靠性框圖

牽引供電系統(tǒng)的主要工作任務是將電力系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)變成適合動車組使用的電能。由于電能是動車組一切能量的來源，包括動力源、熱源等，所以牽引供電系統(tǒng)是動車組最重要的子系統(tǒng)之一。

2.1 牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次框圖

結(jié)構(gòu)層次框圖和可靠性框圖是FMECA成功進行的關鍵。結(jié)構(gòu)層次框圖是為了確定或說明一個功能子系統(tǒng)或組件的相對復雜性。它根據(jù)需要，按產(chǎn)品的相對復雜層次從比較復雜的(系統(tǒng))到比較簡單的(零件)進行劃分。

圖1 牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次框圖Fig.1 Traction power supply system hierarchy diagram

牽引供電系統(tǒng)主電路主要由高壓電器系統(tǒng)、牽引變壓系統(tǒng)、牽引變流器系統(tǒng)和牽引電機系統(tǒng)4個部分組成, 各子系統(tǒng)是樹狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。某動車組的主電路是通過架設在TC02車車頂?shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)接收AC25 kV的交流電，然后通過布置在車頂和車端的高壓電纜將電能輸送到裝在TC02車下的牽引變壓器，變壓器的副邊感應出4*1 550 V的電壓，并通過車輛間的連接饋線到設在動車車下的變流器單元。變流器單元內(nèi)部的四象限斬波器將1 550 V的交流電整流為2 700 V～3 600 V的中間直流電壓。中間直流電壓通過PWM變頻單元向牽引電機提供變壓變頻(VVVF)的三相交流電源。其中,限壓電阻接在中間直流電路的兩極，防止出現(xiàn)過高電壓，輔助變流器的輸入也取自中間直流環(huán)節(jié)。

2.2 牽引供電系統(tǒng)可靠性串聯(lián)模型

可靠性框圖是為每個壽命事件定義了所有系統(tǒng)功能或功能組合的許多相關和不相關的關系，因此提供了能夠用做功能FMEA的相互依賴關系的確定[7]。在一個系統(tǒng)中，任何一個單元(子系統(tǒng)或零部件)發(fā)生故障，都會導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障，這種系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。如果將系統(tǒng)看作一根鏈條、各單元為鏈條中的一個環(huán)節(jié)，則其中任一環(huán)節(jié)斷裂都會引起整個鏈條的失效。

串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R等于各子系統(tǒng)可靠度Ri的乘積。當系統(tǒng)的故障規(guī)律服從指數(shù)分布時，系統(tǒng)故障率λ為各子系統(tǒng)故障率λi之和，其可靠性框圖模型如圖2所示。

圖2 串聯(lián)模型Fig.2 Series model

假設各單元壽命服從指數(shù)分布，則可靠度計算公式為

(1)

系統(tǒng)可靠度R(t)為各單元可靠度Ri(t)之積

(2)

系統(tǒng)故障率λ為各單元故障率λi(t)之和

(3)

系統(tǒng)平均故障間隔時間(平均壽命)為

MTBF=1/λ

(4)

圖3 牽引供電系統(tǒng)可靠性框圖Fig.3 Traction power supply system reliability block diagram

牽引供電系統(tǒng)可靠性框圖(見圖3)以串聯(lián)組合為主，每一個零件或部件的故障都會導致牽引供電系統(tǒng)的故障?？梢钥闯觯瑺恳╇娤到y(tǒng)的可靠度R(t)不能高于各子系統(tǒng)中最小的可靠度Ri(t),而系統(tǒng)的故障率λ不低于各子系統(tǒng)中最高的故障率λi(t)。筆者目的之一是找出故障率最高的子系統(tǒng)從而提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

3 主要故障定性分析

3.1 故障模式概率等級劃分原則

定性分析法根據(jù)故障模式發(fā)生的概率來評價FMECA中所確定的故障模式。將各故障模式出現(xiàn)的概率按一定的規(guī)定分成不同的等級。根據(jù)EN 50126標準和實際經(jīng)驗綜合考慮鐵路行業(yè)的特點[8]，事件發(fā)生的概率定義如表1所示。

表1 故障模式發(fā)生概率等級劃分表

3.2 故障模式嚴重度等級劃分

通常在進行FMECA分析時，根據(jù)故障對動車組造成的影響將故障進行嚴重等級定義[9-10]，用來評估危險事件發(fā)生時可能造成的危害程度。嚴重程度的級別和后果可由使用單位來定義，如果無明確定義，可按表2定義。A類故障：可能導致系統(tǒng)功能喪失，危及行車安全，可能導致人員傷亡。B類故障：影響行車安全，可能導致主要部件性能下降，且不能在短時間內(nèi)回復。C類故障：不影響行車安全，造成停駛或性能下降，可在短時間內(nèi)回復。D類故障：一般不會導致停駛或性能下降，不需要更換部件，可在短時間內(nèi)輕易修復。

表2 嚴重度等級定義

3.3 牽引供電系統(tǒng)故障模式分析

筆者依據(jù)車載信息故障數(shù)據(jù)源統(tǒng)計了某動車組運行某一段時間內(nèi)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生的故障，列出牽引供電系統(tǒng)中部分常見的16種故障模式、故障的原因、故障影響、改正措施以及故障發(fā)生概率，如表3所示，并根據(jù)故障對動車造成的影響進行分析。

3.4 牽引供電系統(tǒng)危害度矩陣

根據(jù)表3數(shù)據(jù)將故障模式以嚴重等級為橫軸，事件發(fā)生概率為縱軸，做出危害度矩陣如圖4所示，對角線表示危害性增長方向線。將本案例的16種故障模式分別填到矩陣中得到故障模式分布點。由故障模式分布點向危害性增長線做垂線，在危害性方向上離原點越遠，表明該故障模式的危害程度越高。危害度矩陣提供了一種故障危害程度的排列次序，在有限條件下優(yōu)先處理危害度較高的故障[11]。

從危害度矩陣可以看出，1，9，11和8這4種故障危害度較高，分別對應IGBT模塊監(jiān)控不起作用故障、變壓器油泵34-F55跳開故障、制冷風扇故障和變壓器油流故障。結(jié)合運用現(xiàn)場分別給出改進措施：更換IGBT模塊、用軟件將高壓系統(tǒng)解鎖、清理濾網(wǎng)及更換電機定子溫度傳感器。列車現(xiàn)場運行反饋結(jié)果表明，上述措施保證了牽引供電系統(tǒng)的運行可靠性。

圖4 牽引供電系統(tǒng)危害度矩陣Fig.4 Harm degree matrix of traction power supply system

子系統(tǒng)名稱序號故障模式故障原因故障影響出現(xiàn)次數(shù)百分比/%事件發(fā)生概率嚴重度等級風險級別改正措施牽引控制系統(tǒng)1IGBT模塊監(jiān)控不起作用牽引系統(tǒng)失效,真空斷路器斷開6.11偶爾發(fā)生A不可容忍更換IGBT模塊2MVB-PD通信故障TCU的MVB-PD通信故障牽引丟失3.24偶爾發(fā)生B不希望切除牽引限速運行3硬短路點火太頻繁硬短路點火太頻繁牽引切除運行0.76很少發(fā)生B不希望切除牽引限速運行4變流器接地故障牽引變流器接地故障影響運營秩序0.38很少發(fā)生B不希望切除牽引限速運行受電弓5受電弓接觸片斷裂受電弓碳條故障整列車真空斷路器斷開,所有受電弓降弓4.77偶爾發(fā)生B不希望受電弓升弓被閉鎖直至靜止狀態(tài)6受電弓故障受電弓故障無法繼續(xù)行駛2.48偶爾發(fā)生C不希望換弓行駛7受電弓處漏風受電弓漏風無法繼續(xù)運行0.95很少發(fā)生C不希望將其切除維持運行變壓器冷卻單元8變壓器油流故障變壓器冷卻液流量故障斷開VCB真空斷開路器無法閉合5.92偶爾發(fā)生A不可容忍9變壓器油泵34-F55跳開變壓器油泵34-F55跳開主斷斷開0.38很少發(fā)生A不希望用軟件將高壓系統(tǒng)解鎖10冷卻水泵故障冷卻水泵故障一個牽引單元失效2.67偶爾發(fā)生C不希望復位11制冷風扇故障制冷風扇故障變壓器輸出降低,高壓單元故障1.72偶爾發(fā)生A不可容忍清理濾網(wǎng)車頂主斷路器12真空斷路器故障真空斷路器故障牽引丟失4.20偶爾發(fā)生C不希望主斷路器解鎖復位13BN1電路斷路器斷開真空短路器故障牽引丟失0.76很少發(fā)生C容忍的牽引電機通風機14牽引電機風扇接通狀態(tài)異常牽引系統(tǒng)故障牽引丟失4.96偶爾發(fā)生B不希望復位變流器冷卻單元15冷卻循環(huán)故障冷卻液壓力為負值一個牽引單元失效2.10偶爾發(fā)生C不希望清洗冷卻系統(tǒng)濾網(wǎng)牽引電機16牽引電機溫度超限牽引電機溫度傳感器故障牽引功率降低10.02很可能發(fā)生B不希望更換溫度傳感器

4 結(jié)束語

基于FMECA方法，綜合分析了某動車組牽引供電系統(tǒng)的故障模式、故障原因、故障影響、故障發(fā)生頻率以及嚴重度，并對其危害度進行定性分析，得出本系統(tǒng)危險故障源包括：IGBT模塊監(jiān)控不起作用、變壓器油泵34-F55跳開、制冷風扇故障和變壓器油流故障等。該方法從故障發(fā)生概率及其危害程度兩個維度全面判斷故障對系統(tǒng)的綜合影響程度，通過系統(tǒng)危害矩陣對危害度高的故障制定相應的預防或糾正措施，從而實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)的可靠運行。該方法對動車其他子系統(tǒng)的故障研究提供了技術(shù)支持。

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2014-01-27；修回日期：2014-06-25

U279； TM922; TH17

盧碧紅，女，1961年11月生，博士、教授。主要研究方向為軌道交通裝備質(zhì)量與RAMS工程。曾發(fā)表《虛擬數(shù)控車削加工精度預測研究》(《機械工程學報》2002年第38卷第2期)等論文。 E-mail: bhlu@djtu.edu.cn