一种电力机车用受电弓全寿命周期可靠性分析

霍肖伟,陈玉芬,蒯冠明

(中车大同电力机车有限公司 技术中心研究院，山西 大同 037038)*

近年来随着我国高速铁路的迅猛发展，电力机车的出现给人们的出行带来了极大的方便.现役电力机车运行的可靠性和安全性已成为人们关注的首要问题，如何保证其安全可靠的稳定运营，直接关系着人们的生命财产安全，所以对机车相关重要部件的可靠性分析至关重要.

受电弓作为电力机车关键部件，直接影响列车运行的安全性和可靠性.过去一直停留在对受电弓整件的可靠性分析，并没有对影响受电弓功能的各分解部件进行分析[1]，本文以DSA200型受电弓为例，通过多种可靠性分析方法分析影响其可靠性的敏感部件，通过现场运用数据情况，选取适合的评估方法，开展可靠性评估，为完善受电弓的维护保养及检修规程、产品的技术提升提供有力的数据支撑.

1 产品可靠性影响因素分析

1.1 受电弓功能说明

受电弓是电力机车从接触网获取电能的重要电气部件[2].HXD2系列机车均采用DSA200型单臂受电弓.

1.2 受电弓结构分解

图1是DSA200型受电弓结构示意图，表1为DSA200型受电弓结构树.

图1 DSA200受电弓结构示意图

表1 DSA200型受电弓结构分解

表1 DSA200型受电弓结构分解 续表

受电弓主要由底架、阻尼器、升弓装置、下臂、弓装配、下导杆、上臂、上导杆、弓头、碳滑板、控制阀板及空气管路组成.底架、下臂、上臂、下导杆、上导杆、弓头构成受电弓的框架结构，是受电弓运行过程中各种载荷及冲击的承载机构.升弓装置是受电弓的驱动装置，负责受电弓的升降，在受电弓工作过程中，缓冲来自接触网的振动冲击，保证弓网间接触良好，为电力机车提供稳定受流.

1.3 受电弓检修规程

表2为DSA200型受电弓检修规程.C1修为3个月检修内容；C2修为6个月检修内容；C3修为年检内容；C4修为3年检内容；C5修为6年检内容；C6修为12年检内容.

表2 DSA200型受电弓检修规程

1.4 影响因素初步识别

钢丝绳是是受电弓升弓装置的关键部件，负责将气囊的驱动力转换为力矩，传递给受电弓的框架结构，配合线导板保证受电弓在工作范围内的静态接触力恒定.

底架，下臂，上臂为受电弓框架结构中的关键部件，有大量的焊接结构，其可靠性是受电弓安全运行的关键.

阻尼器是受电弓在运行过程中的减震部件，其性能对于受电弓的动态性能具有重要意义，受电弓的阻尼器具有特殊性，不仅要保证受流状态下的减震性能，还需保证在降弓时对受电弓进行缓冲，防止“砸顶”发生.

减压阀是受电弓控制阀板的关键部件，将电力机车提供的压缩空气进行减压，供给气囊使用.受电弓采用的减压阀为先导式精密减压阀，根据运用经验可以发现，减压阀长期工作易受工作介质的影响，特别是油污影响使用寿命.减压阀性能决定了受电弓静态接触力的稳定性，对于受电弓的受流性能具有重要影响.

安全阀是受电弓控制阀板的关键部件，当气压超过安全范围时启动，对受电弓气路提供保护.受电弓采用的安全阀为直动式安全阀，安全阀内部核心部件为橡胶密封圈及弹簧，密封圈长期处于压紧状态，易发生塑性变形，导致密封性能下降出现漏风故障，弹簧受到交变载荷作用，易发生疲劳问题.安全阀性能对于受电弓的安全性具有重要影响.

初步识别影响受电弓可靠性的部件主要为阻尼器，升弓装置的气囊、钢丝绳，升弓控制阀板的减压阀、安全阀，受电弓框架的底架、下臂、上臂等.

表3为各部件可靠性影响分析.

表3 部件可靠性影响分析

2 数据分析

2.1 受电弓故障数据统计

故障数据是可靠性数据中的重要部分，它是对部件故障时状况的描写，在开展现场数据统计分析之前，首先需要根据故障现象、故障原因和处理结果确定故障属于责任故障还是非责任故障，其中按合同(或协议)规定是该研制或生产部门责任范围内发生的故障称为责任故障，不在研制或生产部门责任范围内发生的故障称为非责任故障.并且只有责任故障中的耗损型故障才纳入故障统计范围[3].

由于部件投入使用的时间不同，观测者记录数据时除故障时间外，还有一些部件统计时仍在完好地工作，以及完好部件使用中途因检修要求视情更换等，形成了现场数据随机截尾的特性[4]，如图2所示.

图2 现场数据随机截尾示意图

统计新八轴机车DSA200受电弓实际使用中的运用故障数据，各零部件责任故障数如表4所示，截尾数据1196个.

表4 各零部件责任故障数据统计结果

责任故障主要集中在压力开关、快速降弓阀、减压阀、升弓阀板管路、安全阀等，其中快速降弓阀故障处理方式以更换膜片与阀板为主，鉴于导致该零部件故障的主要原因为进口阀膜片低温性能不理想，且目前已对快速降弓阀膜片国产化，基本解决快速降弓阀膜片故障，故不对快速降弓阀故障进行评估分析.

2.2 最优寿命分布确定

著名统计学家赤池弘次(Hirotugu Akaike)在研究信息论特别是解决时间序列定阶问题中提出了赤池信息准则(Akaike Information Criterion，AIC)[5].其定义为：

AIC代表的是使用该模型描述分布时所“损失的信息”，因此使用该准则时，选取AIC值最小的分布.特别注意的是，AIC数值的绝对大小没有意义，只有在多个模型相比时才有相对大小的意义，才可得出到某个模型在所有备选模型中最好的结论.

2.3 可靠性评估方法选择

在得到产品的可靠性数据(截尾样本等)后根据残存比率法或者平均秩次法计算样本的经验分布函数.

根据故障数据数量的多少，选取不同的评估方法得到零部件可靠性评估结果[6].对于故障数大于等于10的零部件，采用AIC准则，从被广泛使用的指数分布、威布尔分布、正态分布与对数正态分布中选取最合适的分布对零部件进行可靠性评估[7]；对于故障数小于10的零部件，分别采用指数分布与威布尔分布对故障、截尾数据进行分析，得出可靠性指标的置信下限，最后选取较为保守的计算结果作为该零部件的可靠性评估结果.

2.4 各零部件可靠性评估

2.4.1 压力开关、减压阀、升弓阀板管路

压力开关、减压阀、升弓阀板管路故障数大于等于10，截尾数据1196个，故障、截尾数据分布如图3所示.

(a) 压力开关

(b) 减压阀

(c)升弓阀板管路

采用不同寿命分布对压力开关、减压阀、升弓阀板管路运行数据进行拟合，得到的累积分布函数(Cumulative Distribution Function，CDF)曲线[4]如图4所示.

(a) 压力开关

(b) 减压阀

(c)升弓阀板管路

各分布类型的AIC值计算结果如表5所示，结合累积分布函数曲线比较结果和AIC准则计算结果，认为四种分布中最合适的分布为对数正态分布，其参数估计结果如表6所示.

表5 零部件各分布AIC准则计算结果

表6 压力开关对数正态分布参数估计结果

图5 零部件可靠度曲线

(a)压力开关

(b)减压阀、升弓阀板管路

根据分布参数估计结果，可绘制零部件可靠度及失效率曲线，如图5、图6所示；零部件在给定可靠度条件下的可靠寿命点估计以及不同置信水平下的置信下限，如表7所示.

表7 不同可靠度下的可靠寿命评估结果 万公里

2.4.2 安全阀、气囊、阻尼器

安全阀、阻尼器、气囊故障数小于10，截尾数据1196个，故障、截尾数据分布如图7所示.

(a) 安全阀

(b) 阻尼器

(c)气囊

假设零部件的寿命服从指数分布和威布尔分布，分别计算出各零部件的可靠性指标的置信下限，并采用其中较为保守的结果，见表8.需要指出的是，按照此方法给出的可靠性评估结果是基于目前非常有限的运行数据给出的保守结果[10].随着产品的继续运行，可能出现更多的故障数据，还需要根据实际运行情况对评估结果进行更新.

表8 不同可靠度下的可靠寿命评估结果 万公里

3 结论

本文通过对受电弓及其功能影响部件的可靠性分析，初步判断受电弓寿命影响因素，并对运行故障数据分析，对主要故障部件进行可靠性评估，评估结果相对保守.

钢丝绳，受电弓框架的底架、下臂、上臂等部件，在运行过程中未发生责任故障，在本文中未进行可靠性评估，后续可以通过检修数据进一步进行评估完善.