基于GO法的高速动车组受电弓系统可靠性评估

邱星慧，杨建伟

(北京建筑大学 机电与车辆工程学院，北京 100044)

基于GO法的高速动车组受电弓系统可靠性评估

邱星慧，杨建伟

(北京建筑大学 机电与车辆工程学院，北京 100044)

在列车牵引供电系统中，接触网的电能通过受电弓流入牵引传动系统，受电弓其可靠性对整个列车的安全运行有很大影响. 使用GO法对受电弓系统进行可靠性评估，介绍了受电弓的结构和工作原理，进而分析了受电弓的故障类型，给出了受电弓系统部件的历史维修数据，利用GO法对受电弓气路系统进行定量分析和定性分析. 通过定量分析，得到受电弓系统的可靠性参数值，通过定性分析，指出了受电弓系统的薄弱环节为碳滑板.

GO法； 受电弓； 可靠性评估； 定量计算； 定性计算

发展高速铁路是我国现代化进程中重要的一步，而电力牵引是高速铁路列车的动力来源，电力牵引系统能否正常工作是整个列车运行的必要条件. 要保证列车运行的绝对可靠并最大限度的减少维修成本，必然要求供电的绝对可靠. 从接触网流出的电能必须经过受电弓进入牵引传动系统，其可靠性决定了供电的稳定性，对列车的正常运行有直接的影响. 因此，对受电弓系统进行可靠性评估对高速列车的正常运行具有重大的现实意义.

相关学者在利用GO法或对受电弓系统进行可靠性评估方面做了很多研究. 陈民武利用GO法对牵引变电所的可靠性进行评估，编写了实用的GO法计算程序，实现了牵引变电所可靠性评估，并指出了系统的薄弱环节[1]. 赵健利用GO法对牵引供电系统进行了全方面的评估，并把GO法同传统的故障树分析方法做了对比，得出了相关的可靠性指标[2]. 曹景雷将GO法应用到地铁牵引供电系统中，并把模糊理论引入到GO法中，采用成功状态概率算法对牵引供电系统进行可靠性分析计算[3]. 蔡国强等对GO模型的并联操作进行了改进，并将改进的GO法应用到城市轨道交通车门系统可靠性分析中，简化了计算过程[4]. 王炜俊和宋龙龙利用故障树法对受电弓系统进行了可靠性分析[5-6]. 但这些研究主要都是利用GO法对牵引供电系统的可靠性分析，利用GO法对牵引传动系统及其中的子系统研究则非常少. 对于牵引传动系统中的受电弓系统的可靠性分析，主要使用的都是传统的故障树分析方法.

本文基于GO法对高速动车组中的受电弓系统进行可靠性评估分析，分析了受电弓的故障类型后，给出了受电弓系统部件的历史维修数据，接着利用GO法画出系统原理图对应的GO图，最后运用可修系统GO法计算公式，对受电弓系统进行定量评估，得到整个受电弓系统的可靠性参数，同时对受电弓系统进行了定性评估，指出了受电弓系统的薄弱环节.

1 受电弓故障模式分析及部件可靠性数据

1.1 受电弓结构组成及气路控制工作原理分析

广泛应用于“和谐号”动车组的DSA250型受电弓由充气弹簧、下臂杆、平衡杆、弓头、上框架、拉杆、阻尼器等部分组成. 其主要结构参数如表1[6]. 受电弓中的各个部件通过铰链连接而成，每处铰接的地方都装有滚动轴承，轴承之间再通过金属软管编织线短接起来，这样可以避免轴承的电气损毁，受电弓系统中平衡杆的作用是使碳滑板面处于受电弓的工作平面内，进而保证系统的平衡. 详见文献[7]. CRH2型动车组是由两个动力单元组成的，每个动力单元又是由两动两拖组成. 受电弓是与接触网直接接触的部件，通常安装在列车顶部.

表1 受电弓主要结构参数

受电弓的升降是通过气动来进行控制的，要了解受电弓的工作原理可以通过分析其气路控制方式. 受电弓气路控制原理如图1所示. 当电控阀处于开启状态时，风缸中的压缩空气通过升弓塞门、电控阀进入到空气过滤器中，空气过滤器的作用是去除压缩空气中的固液体杂质，起到过滤作用，过滤之后的压缩空气进入升弓节流阀，通过控制升弓节流阀可以调节升弓的速度. 随后，压缩空气由升弓节流阀到达调压阀. 调压阀的输出压力即为气囊压力，它直接影响弓网接触压力，对整个牵引供电系统产生影响. 由调压阀出来的压缩空气进入降弓节流阀，与升弓节流阀类似，降弓节流阀也影响降弓速度. 由降弓节流阀流出的压缩空气流经安全阀到达绝缘软管. 安全阀的作用是平衡受电弓气路系统中的空气压力，此外，当调压阀不能正常工作时，安全阀便可以进行工作补偿. 经安全阀流出的压缩空气通过绝缘软管到达气囊，气囊是升弓执行元件. 在升弓压力控制回路中，压缩空气一边经过快速降弓阀到达碳滑板底部(碳滑板是直接与接触网接触的受流部件，它的厚度会因为摩擦不断的变薄)，一边通过绝缘软管到达压力开关，使触电闭合.

动车组运行过程中，ADD关闭阀处于开启状态，即受电弓自动降弓系统处于工作状态. 当受电弓出现因碳滑板磨损过度或者控制回路漏气而导致控制回路压力降低等弓网问题时，空气输入管路与空气控制管路就会出现压力差，此时换向阀打开，管路中的空气便通过换向器排入大气，气囊收缩，受电弓降弓. 同时，压力开关通过电信号使计算机关闭主断路器，电控阀关闭，避免降弓时产生电弧.

1.2 受电弓故障模式及部件可靠性数据

在列车受电弓历史维修记录中，其工作出现的问题主要集中在受电弓滑板条与接触网摩擦的位置，两者的摩擦会导致滑板条的磨损消耗. 由于受电弓系统既是机械系统又属于电气系统，因此滑板条的磨耗也分为这两种磨耗. 前者一般出现在新的弓网系统中，对于新的线路，毛刺比较多，导致滑板条急剧磨耗，这种情况随着运行次数的增多会减缓. 电气磨耗是由于滑板条与新建线路接触不佳，致使电火花比较严重，产生磨耗. 受电弓的另一种故障模式是弓网拉弧，在受电弓与接触网之间的的压力过小时，两者便会产生微小的距离，在这瞬间会产生电弧，这种电弧会使碳滑板出现电气损耗，此类故障也是造成受电弓工作失常的重要原因. 滑板偏磨，由于碳滑板与接触网的不正常接触导致的滑板偏磨是影响受电弓寿命的一个很大因素. 刮弓，如果将电力机车驶入无电线路，不及时降弓就会导致刮弓. 瓷瓶损坏，瓷瓶损坏会导致电网直接接地，造成机车故障. 受电弓机械连接部件损坏也是其中的一个故障原因.

根据历史维修信息获取了上述的故障原因，并得到了根据经验编订的受电弓系统部件可靠性数据. 如表2所示[8].

应用GO法进行可修系统可靠性分析时，可修单元的可靠性参数是已知的[9]. 以上受电弓系统部件可靠性数据将用于GO法运算.

表2 受电弓系统部件可靠性参数

2 基于GO法的受电弓气路系统可靠性建模

GO法是根据GO图进行可靠性分析的，而GO图是根据系统图绘制得到，GO图与系统图基本处于一一对应的关系. 系统部件对应GO图中的操作符，系统中的物流对应GO图中的信号流. 利用GO法进行系统可靠性分析的两大要素是操作符和信号流. 目前GO法已经定义了17种操作符.

根据图1画出受电弓电气控制系统GO图. GO图中的不同位置的数字表示不同的含义，操作符类型及其编号在下文给出. 在受电弓系统中，风缸相当于信号发生器，用类型5操作符表示. 电空阀需要信号激励才让输入通过，所以用类型6操作符表示. 在受电弓气路系统中，除风缸及电空阀之外的部件都是单输入单输出的情形，其工作类型只有正常与非正常两种，根据GO法概述，用类型1操作符表示即可. 受电弓系统GO图如图2所示. 图2中的编号与表2中的编号一一对应.

受电弓系统属于可修系统. 受电弓系统可修是指在受电弓气路系统中，假如电空阀出现故障，进而对整个系统进行停工维修时，其它例如空气过滤器等原件由于系统的停止运行并不再出现工作失常状况的情形. 受电弓气路系统中的除了风缸之外的每个部件的工作状态都受到其他部件工作状态的影响，各个部件并不是相互独立的个体，部件之间具有停工相关性. GO法中规定，每个操作符的输入信号，操作符本身及输出信号的失效率、维修率都有对应的表示，分别记为λs，μs，λc，μc，λR，μR.

2.1 两状态单元

两状态单元的输入信号和操作符有停工相关，停工故障数I=1，输入信号和操作符有一个故障停工时，另一个也停工运行，不会发生故障. 此时输出信号的失效率与等效维修率的计算公式为：

λR=λS+λC

(1)

(2)

2.2 单信号发生器

在GO法中，处于首端的单信号发生器是输入装置，因此，该操作符的失效率和等效维修率与输出信号的失效率、等效维修率是相同的，其计算公式如下：

λR=λC

(3)

μR=μC

(4)

2.3 有条件信号而导通的元件

该操作符有两个输入信号，主输入信号和次输入信号(条件信号). 在受电弓系统中，该操作符两个输入信号和操作符有停工相关，停工故障数，两个输入信号和操作符中有一个停工故障时，另两个也停止运行，不会发生故障. 两个输入信号和操作符有停工相关时的计算公式如下：

λR=λS1+λS2+λC

(5)

(6)

3 基于GO法的受电弓气路系统可靠性定量分析

根据串联结构系统等效故障率的算法和串联结构故障率与维修率的比值算法，有以下公式：

(7)

(8)

式中：λi和μi分别表示串联结构系统中各单元的故障率和维修率.

下面给出经过足够长的时间，系统达到稳定后的可靠性特征量计算公式.

平均无故障工作时间：

(9)

平均维修时间：

(10)

平均寿命周期：

(11)

稳态可用度(平均工作概率)：

(12)

稳态不可用度(平均停工概率)：

(13)

单位时间平均故障次数：

(14)

根据表2中受电弓系统部件可靠性数据和以上给出的计算公式，通过计算机可以算出受电弓系统可靠性参数值，如表3所示.

表3 受电弓系统可靠性特征值

4 基于GO法的受电弓气路系统可靠性定性分析

此受电弓系统有15个操作符代表系统的部件，通过状态概率直接定性分析[10]. 得到受电弓系统的最小割集有13个，且都为一阶割集. 各一阶割集内操作符编号以及割集发生的概率列于表4.

表4 受电弓系统定性评估得出的一阶割集

由表4中计算结果表明一阶割集中，每一个割集发生的概率都不小，这说明每一个部件故障都会很大程度上影响整个受电弓系统的正常工作. 其中，碳滑板的割集发生概率为0.107×10-5，是整个系统中割集发生概率最大的. 因此，找出受电弓系统的薄弱环节为碳滑板.

通过定性分析得到的一阶割集发生概率总和为0.308×10-5，对比定量计算得到的系统平均停工概率0.296×10-5，两者相差不大. 并且通过定量计算得到的精确值比定性分析得到的近似值大，是符合割集发生概率总和作为系统故障概率上限这一基本情况的.

5 结论

本文以高速动车组牵引系统用受电弓为研究对象，利用GO法对受电弓系统进行可靠性建模，画出受电弓系统对应的GO图模型，并且给出了绘制过程中所遵循的依据. 通过对受电弓气路系统的定量分析，得到了受电弓系统可靠性一系列特征值，完成了受电弓系统可靠性评估. 利用GO法对受电弓气路系统的定性计算得到系统最小割集，通过分析系统中各个部件对整体的影响程度，指出了受电弓系统的薄弱环节为碳滑板，同时也验证了GO法的适用性和准确性.

[1] 陈民武. 基于GO法的高速铁路牵引变电所可靠性评估[J].电力系统保护与控制, 2011,39(18):56-61

[2] 赵健. 基于GO法的交流牵引供电系统可靠性研究[D]. 西安：西安理工大学, 2010

[3] 曹景雷. 基于GO法的地铁牵引供电系统可靠性研究[D]. 成都：西南交通大学, 2009

[4] 蔡国强, 周莉茗, 李熙, 等. 基于GO法的城市轨道交通车门系统可靠性分析[J]. 西南交通大学学报, 2011,46(2):264-270

[5] 王炜俊. 基于故障树法的城市轨道交通受电弓可靠性分析[J]. 工业技术, 2016(1):59-61

[6] 宋龙龙, 王太勇, 宋晓文, 等. 基于Petri网建模与FTA的动车组受电弓故障诊断[J]. 仪器仪表学报, 2014,35(9):1990-1997

[7] 马果垒. 受电弓系统研究[D]. 成都：西南交通大学, 2006

[8] 李永华, 李嘉文, 明鉴, 等. 高速动车组受电弓系统RAMS评估[J]. 高速铁路技术, 2015,5(6):18-21

[9] 沈祖培, 黄祥瑞. GO法原理及应用：一种系统可靠性分析方法[M]. 北京：清华大学出版社, 2004:121

[10] 沈祖培, 高佳. GO法原理和改进的定量分析方法[J]. 清华大学学报：自然科学版,1999，39(6)：15-19

[责任编辑：牛志霖]

Reliability Evaluation of Pantograph System of High-Speed EMU Based on GO Methodology

Qiu Xinghui，Yang Jianwei

(School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

The power of contact line flows into the traction tramsmission system directly by the pantograph in vehicle power-supply system, and the reliability of pantogragh has a great influence on the working performance of the whole traction system of the high-speed EMU. The reliability of the pantogragh system is evaluated by using the GO method in the paper. GO method is a success-oriented method of reliability calculation, and it translates the system schematic diagram into GO figure directly, so it can reflect the relationship between system function well. Firstly, the structure and operational principle of pantogragh are introduced, the fault type is analyzed, and the historical maintenance data is given, so that the weaknesses of pantogragh system are pointed out. Then, the GO figure can be drawn through the schematic diagram. Finally, the reliability parameter can be calculated through GO methodology which is suitable for repairable system. A certain references to the reliability evaluation of pantogragh system of high-speed EMU are provided in this paper. Key words: GO method; pantogragh; reliability evaluation; quantitative calculation; qualitative calculation

2016-09-07

长城学者培养计划项目(CIT&TCD20150312)； 国家自然科学基金资助项目(51605023)

邱星慧(1992—)，女，硕士研究生，研究方向： 轨道交通车辆可靠性.

1004-6011(2016)04-0047-05

U268.3

A