动车组的电气系统可靠性分析

动车组的电气系统可靠性分析

王仁军,葛士清,张娟

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省   青岛市  266000

摘要：近年来我国高铁事业蓬勃发展，快速、便捷的动车组正逐渐成为人们出行的首选交通工具。但动车组结构功能复杂、运行环境多样，如何在高速度、高载荷的条件下，保证动车组安全稳定的运行，其可靠性研究显得愈发重要，尤其是整车层级的可靠性研究对于铁路运输具有更现实的意义。

关键词：动车组运行；电气系统；可靠性分析

1动车组运用环境条件

不同国家高速动车组技术不尽相同，且都会针对本国特有的运用环境进行设计生产。我国高速动车组的运用环境条件最为复杂，主要集中在以下几个方面：

（1）交路长、跨线运营、频繁启停：我国高速铁路是世界运营速度最高的铁路，京沪、京广等主干线运营速度在300km/h以上；除了速度高，不少动车组运行里程超两千公里，跨线运营情况较多。以南宁至北京西为例，跨宁、广、武、郑、京5个铁路局，其中南宁-衡阳区间为有砟轨道，衡阳-北京西区间为无砟轨道，跨线运行对动车组牵引、制动等性能影响明显；在珠江三角洲等发达区域，站间距短，频繁启停是突出的运行特点。

（2）线路条件复杂：为保护生态，减少土地占用，高速铁路的坡道、弯道、桥隧比例均较高，如宝鸡至兰州客运专线，桥隧比高达92%，经过桥隧产生的气动力和振动会加速车辆各系统的磨损。

（3）客流量大、常态化超员：我国作为人口世界第一、GDP世界第二的大国，地区间经济贸易往来频繁，人员快速流动。如京沪等繁忙干线甚至出现一票难求的局面，在京广、京哈、沪昆等线路经常处于超员状态。由此，高速度带来的高应力和高载荷、复杂的运行环境和大载客量等多方面因素对动车组的可靠性提出了更高要求。

2动车组可靠性指标体系

保证动车组安全、正点的送达旅客是动车组运输的根本目的，因此本论文重点分析研究影响动车组运行可靠性的车辆设施设备故障。参考德国西门子故障分类及其指标定义，依据我国事故及故障管理现状，按照分类、分级的原则对不同严重程度后果的动车组设备故障进行如下定义。

（1）A类故障：在规定工作环境和条件下，引起动车组途中异常停车时间大于20分钟且小于1小时的车辆设备故障。按照《事规》规定，途中非正常停车超过1h将构成一般D类事故，为此将停车1h作为A类故障的考核上限。（2）B类故障：在规定工作环境和条件下，引起动车组途中异常停车少于20分钟的车辆设备故障。（3）C类故障：在规定工作环境和条件下，引起动车组出入站晚点，或使动车组在有限功能模式下运行的车辆设备故障，具体划分详见表1。（4）D类故障。对动车组正常运行没有实质性影响的其他各类故障。

表1 C类故障划分

我国动车组可靠性评价指标主要包括：可靠度、可靠寿命、平均故障间隔时间、平均故障率等。

（1）可靠度：可靠度指动车组不同层级产品在规定条件下、规定时间或运行里程内不发生故障的概率，可靠度函数为R(t)。（2）可靠寿命：可靠寿命指动车组在特定可靠度下，对应的使用寿命值，如某型动车组在给定0.9可靠度下，可累计走行300万公里即该动车组的使用寿命。可靠寿命常见指标有：可靠度为0.5时所对应的中位寿命；可靠度为0.9时的额定寿命。（3）平均故障间隔时间：产品两次故障之间的平均间隔时间。（4）平均故障率：产品在单位时间内产生故障的平均次数。通常产品在长期累积工作期间会发生多次故障，折合单位时间平均发生的故障次数称为平均故障率，按照评价精度不同，单位时间可长可短。因此，本论文将结合上面的故障分级，以各级故障的平均故障率为基础作为动车组可靠性主要评价指标。

3动车组系统可靠性建模与分配

3.1动车组系统可靠性建模

针对可能影响行车秩序、产生安全隐患等后果严重的故障，按照分层、分级原则，针对动车组整车及重要系统给出可靠性功能逻辑框图及可靠度计算公式，建立可靠性模型。

按照动车组故障分类及定义，对动车组运行影响较大的关键系统主要包括：车体及车端连接系统、转向架、高压牵引系统、供风及制动系统、辅助供电系统、网络控制系统，而车内环境控制、给排水及卫生、车内设施等系统故障主要影响动车组舒适性，一般不会引起动车组非正常停车等严重后果，建模时可暂不考虑。动车组正常运行离不开前六大关键系统，一旦有系统发生故障，动车组可能无法正常运行，因此各系统在逻辑功能上是串联关系。

3.2动车组可靠性分配方法应用

为方便说明，本节统计某型动车组故障数据，以该型动车组供风及制动系统为例，利用综合评分法进行可靠性分配方法的应用演算。

根据式（3.1）至式（3.2）采用综合评分法对供风及制动系统进行故障率初分配，由统计数据得知该供风及制动系统的故障率为0.073。系统总评价得分数为92，控制分系统的评价得分数为48分。

则控制分系统的评价系数为：

               （3.1）

分配给控制分系统的故障率为：

             （3.2）

4动车组可靠性优化

动车组系统层面产品进行了初步分析，在此基础上可结合产品的层次化结构逐层开展FMEA分析。可以看出，牵引变流器、牵引电机、主断路器、受电弓、牵引变压器依次占比较高，针对上述部件进一步开展FMEA分析，制定防治措施可有效降低高压牵引系统故障率。同理，可对转向架等其他系统部件开展深层FMEA分析，制定有效防治措施。

经过对高压牵引系统、转向架、列控车载设备、车体及车端连接以及供风及制动系统等故障整治后得到图3所示的故障率曲线，考虑上述系统故障经过整治后虽会大幅减少，但不会达到零故障率水平，为此取其余各系统故障率的平均值作为上述5项系统整治后近似故障率相对比较合理。

在根据FMEA表进行故障系统优化预测之后，动车组寿命周期内整车故障率下降72%，平均故障率降至每百万公里2.11件，优化效果明显。故障整治后故障率明显下降，但仍有轻微的早期故障倾向，一方面是由于占比较高的其他类故障整治效果没有考虑，另一方面，大型复杂装备由于新造组装不当、偶发源头缺陷等原因不可避免会产生一些早期故障。

5结语

动车组由于其结构复杂且系统间关联较多，本文在可靠性建模中只是基于基本系统功能建模，为方便计算部分系统进行了简化。因此在追求高精度的可靠度计算时，动车组可靠性模型还有待进一步细化。在动车组可靠性分配方法中，当新系统分配可靠性在采用综合评分法时，由于依赖专家工程经验，个人主观因素影响较大，未来可以考虑运用人工智能算法对系统进行综合评分，以最大可能去除人为因素，使评分更加准确客观。

参考文献：

[1]张杨宁,孙伟,郑世伟.动车组高压电气系统可靠性分析[J].企业科技与发展,2021(06):94-96.

[2]杜文然.动车组系统运用可靠性评估方法研究[D].中国铁道科学研究院,2021.

[3]崔秀国.CRH3型动车组电气系统可靠性研究[D].北京交通大学,2013.