DKZ4 型車牽引系統(tǒng)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(tǒng)簡介

DKZ4 型車牽引系統(tǒng)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(tǒng)是采用VVVF 逆變器調(diào)速、三相鼠籠式異步電動機驅(qū)動的電傳動系統(tǒng)，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(zhuǎn)換箱、司機控制器、頭尾轉(zhuǎn)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(tǒng)可靠性分析流程

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

圖1 關鍵系統(tǒng)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(tǒng)中每一部件所有可能的故障模式及其對系統(tǒng)可能造成的所有影響，并按各故障模式的嚴重程度及其發(fā)生概率確定其危害性的一種系統(tǒng)可靠性分析方法。通過FMECA 分析可全面識別影響系統(tǒng)可靠性的關鍵部件、缺陷及薄弱環(huán)節(jié)，以便采取有效措施消除或減輕它對系統(tǒng)的影響。

2.1 牽引系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)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(fā)現(xiàn)的車輛在行駛中出現(xiàn)故障及修理工在車輛檢修中發(fā)現(xiàn)的故障。

運營服務故障是指列車不足以繼續(xù)堅持進行運營載重或后果較大程度輻射到商業(yè)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(xiàn)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(shù)據(jù)，依據(jù)以下標準來統(tǒng)計：①可靠性計算的時候不會考慮引發(fā)系統(tǒng)發(fā)生故障的人為因素。②24 h 同一種偶發(fā)性事故發(fā)生3 次當作一次事故來統(tǒng)計。如果系統(tǒng)重新開機后能進入正常相關工作的狀態(tài)，經(jīng)過后期原因分析發(fā)現(xiàn)是偶然事故，也不計入。③發(fā)生同一故障的系統(tǒng)時間間隔不足1 d，則只能計一回。

根據(jù)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則，統(tǒng)計2017-01-01—2020-04-30 期間牽引系統(tǒng)維護故障數(shù)據(jù)；根據(jù)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則，統(tǒng)計2017-01-01—2020-04-30 期間牽引系統(tǒng)運營服務故障數(shù)據(jù)。

2.2 維護可靠性分析

根據(jù)維護故障頻數(shù)及車輛年運營里程計算得牽引系統(tǒng)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(jù)運營服務故障頻數(shù)及車輛年運營里程計算得牽引系統(tǒng)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(shù)據(jù)分布模型確定

根據(jù)牽引系統(tǒng)運營服務故障數(shù)據(jù)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(shù)目n=45。選取指數(shù)分布、威布爾分布及對數(shù)正態(tài)分布作為牽引系統(tǒng)運營服務故障間隔時間的備選分布模型，對上述數(shù)據(jù)分別進行3種分布函數(shù)的線性化，對應的線性值x和y如表1 所示。

表1 牽引系統(tǒng)運營服務故障間隔時間分布函數(shù)擬合值

采用決定系數(shù)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(shù)與均方根誤差如表2所示。

表2 牽引系統(tǒng)運營服務故障間隔時間擬合相關性參數(shù)

由表2 可知，決定系數(shù)結果表明指數(shù)分布的參數(shù)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(tài)分布所以初步選定牽引系統(tǒng)的運營服務故障間隔時間符合指數(shù)分布。

采用最小二乘法計算指數(shù)分布參數(shù)得λ=0.001 20，相應95%置信區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對分布的函數(shù)值F0（ti）進行計算，用F（ti）和上述分布函數(shù)來比較，其中差值最大的絕對值即為檢驗統(tǒng)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(shù)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(tǒng)運營服務故障間隔時間服從參數(shù)λ=0.001 20 的指數(shù)分布。牽引系統(tǒng)可靠度分布如圖2所示。

圖2 牽引系統(tǒng)可靠度

牽引系統(tǒng)的可靠性函數(shù)可表示如下。

概率密度函數(shù)：

可靠度函數(shù)：

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(shù)預測

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

表4 牽引系統(tǒng)運營服務故障數(shù)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(tǒng)的實際故障率均低于故障率指標，2017 及2018年牽引系統(tǒng)的故障率高于2019 年。運營服務情況下牽引系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的可靠壽命約為42 d。對于列車總數(shù)量為31 組的總體來說，平均約每27 d 牽引系統(tǒng)會發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)平均約每27 d 發(fā)生一次故障，建議據(jù)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(tǒng)進行可靠性分析，可以確定運營服務情況下牽引系統(tǒng)的MTBF 值，并可以計算出牽引系統(tǒng)可靠性壽命，計算結果表明：牽引系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)支撐，并可以為后續(xù)車輛修程提供參考依據(jù)。