城市轨道交通车辆关键系统可靠性研究_潘丽莎

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1、 80 CHINESE RAILWAYS 2012 07 城市轨道交通车辆关键系统可靠性研究 潘丽莎 等城市轨道交通 1 概述 我国城市轨道交通车辆的维修制度基本沿袭了铁路 机车车辆的维修制度 即依据运行里程和运行时间进行 相关检修 1 检修计划主要根据现场工程技术人员经验 和已有的维修规程制定 这种方式对技术人员的经验依 赖过大 缺乏一种科学的方式评估车辆可靠性 因此 根据城市轨道交通车辆在长期维修过程中积累的大量维 修数据 研究车辆可靠性 对分析车辆服役状态 制定 车辆检修计划 保障城市轨道交通安全运营具有重要意 义 国内部分学者针对轨道交通车辆的可靠性进行了初 步研究 王德等 2 采用可

2、靠性数值分析方法 对货车车 辆的故障数据进行研究 得出货车车辆的可靠性数值 并提出提高车辆可靠度的方法和建议 王灵芝等 3 针对 我国铁路设备运营和维修的实际问题 建立了关键零部 件可靠性分析模型 李勤等 4 采用随机过程和可靠性理 论 对轨道车辆部件的故障规律和可靠性分析方法进行 研究 提出了故障分布规律和可靠性指标计算流程 符 萌等 5 指出我国铁路信号系统中可靠性应用还处于初期 阶段 提出了相关的解决办法和建议 建立了可靠性指 标体系 为今后铁路信号设备的可靠性评估提供了一种 新思路 城市轨道交通 车辆关键系统可靠性研究 潘丽莎 广州市地下铁道总公司车辆中心 高级工程师 广东 广州 51

3、0320 龚 玲 广州市地下铁道总公司车辆中心 工程师 广东 广州 510320 冒玲丽 南京理工大学机械工程学院 硕士研究生 江苏 南京 210094 摘 要 研究城市轨道交通车辆的可靠性对 保证其安全运营有着重要意义 介绍可靠性 分析的相关理论 以广州地铁一号线车辆为 对象进行故障统计分析 选择车门系统 信 号接口系统和牵引 电制动系统为车辆关键 系统 确定关键系统的故障分布模型 计算 得出关键系统的可靠性指标函数 为城市轨 道交通车辆可靠性评价与维修提供决策参 考 关键词 城市轨道交通 车辆 可靠性 威 布尔分布 基金项目 国家科技支撑项目 2011BAG01B05 81 CHINESE

4、 RAILWAYS 2012 07 城市轨道交通车辆关键系统可靠性研究 潘丽莎 等城市轨道交通 结合以上分析 以广州地铁一号线车辆故障数据为 基础 首先通过故障统计分析法确定车辆关键系统 然 后基于经验选择关键系统的分布模型 并计算得到各关 键系统的可靠性指标函数 从而为车辆检修部门评价车 辆可靠性 制定与优化维修规程提供决策参考 2 可靠性分析 2 1 可靠性指标 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规 定功能的能力 6 对于城市轨道交通车辆而言 采用可 靠度 故障概率密度函数 故障率和平均寿命作为衡量 可靠性的主要指标 1 可靠度 是指系统在规定时间内和规定条件 下正常工作的概率 取

5、值范围为0 1 由定义可知 系 统开始使用时 可靠度为1 系统可以正常使用 当使 用时间充分大时 可靠度为0 即系统最终都会失效或 发生故障 可靠度估计值是指在规定时间区间内 能够 完成规定功能的样本数与在该时间区间开始时投入工作 的样本总数的比值 2 故障概率密度函数 表示在任意时刻样本总 数中下一个单位时间内发生故障的概率 是可靠度函数 导数的负值 3 故障率 也称失效率 表示工作到规定时刻 尚未故障的样本 在规定时刻后的单位时间内发生故障 的概率 对于有限样本 其故障率等于在规定时刻后单 位时间内新发生的故障样本数除以工作到规定时刻尚未 故障的样本数和单位时间的乘积 4 平均寿命 也称故

6、障间隔时间和平均无故障 时间 表示样本在2次故障间的平均时间 是故障概率 密度函数的期望 2 2 可靠性分析流程 可靠性分析方法主要包括机理模型法和统计模型 法 7 由于城市轨道交通车辆是一类包含机械零部件和 电子元器件等的复杂系统 机理模型法很难评价其可靠 性 因此 采用统计模型法进行城市轨道交通车辆可靠 性的分析 首先 进行数据准备与分析 确定城市轨道交通 车辆的关键系统 其次 根据专家经验候选几种可能 的故障分布模型 采用极大似然法对各分布模型进行 参数估计 采用A D统计量各分布进行拟合度检验 确定最佳故障分布模型 最后 计算关键系统的可靠 性指标 1 数据准备与分析 根据车辆运营状况

7、及维修 记录 采用可靠性数据统计方法 剔除或合并非故障条 目 最终确定有效的城市轨道交通车辆故障数据 并基 于故障数据统计分析进一步确定车辆关键系统 2 选择分布模型 可靠性工程中较常用的分布 有指数分布 威布尔分布 正态分布 极值分布和正态 对数分布 不同失效机理的设备其分布模型也不同 指 数分布适合大部分电子元器件和大型综合系统的故障模 型 正态分布适合因临界参数决定成功 失败的硬件类 故障模型 威布尔分布适合因腐蚀 磨损 疲劳而强度 受损的设备 以及具有递增或递减故障率特性的简单装 置 选择指数分布 对数正态分布 两参数威布尔分布 和三参数威布尔分布为车辆关键系统的初选分布模型 三参数威

8、布尔分布的概率密度函数中包含形状参数 尺 度参数和位置参数 形状参数决定分布密度函数曲线的 基本形状 使得威布尔分布在数据拟合上具有较大调整 空间 可以很好地描述数据分布情况 尺度参数也称离 散度 主要影响分布函数的广度和均值 位置参数也称 起始参数 系统在位置参数之前的时间内不发生失效或 故障 具有100 的可靠度 当其为0时 三参数威布尔 分布转化为两参数威布尔分布 3 参数辨识与拟合度检验 参数辨识是根据数 据样本计算分布模型参数的过程 辨识精度取决于样本 数据的多少及辨识算法 常用的辨识算法有矩估计法 极大似然估计法 最小二乘法和相关系数法等 采用极 大似然估计法进行参数辨识 拟合度检

9、验用来确认样本数据是否符合指定的分布 模型 常用的检验方法包括皮尔逊 2检验 柯尔莫哥洛 夫K S检验 Anderson Darling A D 检验等 针对故 障分布模型采用A D拟合度检验法 参数辨识与拟合度 检验均采用Matlab编程实现 4 可靠性指标计算 根据通过检验的分布模 型计算可靠度函数 故障概率密度函数 故障率函数 等 并在此基础上计算平均寿命 可靠寿命等预测指 标 82 CHINESE RAILWAYS 2012 07 城市轨道交通车辆关键系统可靠性研究 潘丽莎 等城市轨道交通 3 实例分析 针对广州地铁一号线车辆进行正线故障可靠性分 析 参照国标GB T 21562 20

10、08 轨道交通可靠性 可用性 可维修性和安全性规范及示例 8 选择 周 期 为量纲 定义一个周期为车辆运营的一个工作日 根据广州地铁一号线西朗车辆段对车辆子系统的 分类 将车辆划分为如下系统 车门系统 辅助系统 牵引 电制动系统 空调 通风系统 有接点控制电路系 统 信号接口系统 列车控制及诊断系统 空气制动系 统和乘客信息系统等 在2010年10月1日 2011年10月1 日期间 共采集1 380条正线子系统故障数据 其中有效 数据1 115条 图1给出了各系统发生故障的柱状图 由图1可知 牵引 电制动系统 车门系统和信号接 口系统故障次数较多 占总故障比例的61 6 参照国标GB T 21

11、562 2008 轨道交通可靠性 可 用性 可维修性和安全性规范及示例 定义整车系统 故障为列车正线运行时出现晚点超过5 min 清客 救援 等直接导致城市轨道交通车辆不能完成规定运营任务的 事故 在2010年10月1日 2011年10月1日期间 共采集 159条正线整车故障记录 图2给出了由各系统故障导致 整车故障所占比例的饼状图 由图2可知 车门系统 信号接口系统 牵引 电制 动系统是造成整车故障的主要子系统 占总故障比例的 93 综上所述 车门系统 信号接口系统 牵引 电制动 系统无论在整车子系统故障统计中 还是在整车故障统 计中 均占有绝大比例 因此 定义车辆的关键子系统 为车门系统

12、信号接口系统 牵引 电制动系统 针对车门系统 信号接口系统和牵引 电制动系统3 个关键系统 选择指数分布 对数正态分布 两参数威 布尔分布和三参数威布尔分布作为初选的分布模型 并 利用极大似然估计法进行参数辨识 利用A D检验法进 行拟合度检验 计算结果见表1 在表1中 当衡量分布模型是否有效的P值大于指定 的显著性水平 0 05 时 认为数据服从指定分布 分 布模型通过假设检验 另外 A D统计量越小 表示分 布与数据拟合越好 因此可得出如下结论 城市轨道交 通车辆关键系统均服从威布尔分布 其中车门系统 牵 引 电制动系统为三参数威布尔分布 信号接口系统为两 参数威布尔分布 根据表1中确定的

13、威布尔分布参数 以车门系统为 图1 车辆各系统故障统计 图2 车辆整车故障所占比例分布图 表1 城市轨道交通车辆关键系统故障分布模型 关键 系统 候选分布模型 A D 统计量 P值 最佳 分布 参数辨识 车门 系统 指数分布1 340 049 三参数 威布尔 分布 形状 0 848 7 尺度 37 69 位置 0 945 6 对数正态分布1 536 0 005 两参数威布尔分布0 5390 229 三参数威布尔分布0 4180 433 牵引 电 制动系统 指数分布5 651 0 003 形状 0 773 5 尺度 36 33 位置 0 970 4 对数正态分布1 794 0 005 两参数威布

14、尔分布1 293 0 010 三参数威布尔分布0 5860 166 信号接 口系统 指数分布3 557 0 003 两参数 威布尔 分布 形状 0 857 7 尺度 48 16 对数正态分布1 815 0 005 两参数威布尔分布0 6410 133 三参数威布尔分布0 6650 108 故障数 起 272 300 250 200 150 100 50 0 224 191 111 87 70 56 31 20 1515 1211 牵引 电制动 车门系统 信号接口系统 空调系统 列车控制及诊断 有接点控制电路 辅助系统 其他 乘客信息 照明系统 转向架 轮对 受电弓 集电靴 车体及内装 有接点控

15、制电路3 转向架 轮对2 信号接口24 牵引 电制动8 列车控制及诊断2 车门61 83 CHINESE RAILWAYS 2012 07 城市轨道交通车辆关键系统可靠性研究 潘丽莎 等城市轨道交通 例 给出车门关键系统的可靠度函数 故障概率密度函数 和故障率函数 车门关键系统可靠性指标函数见图3 根据车门可靠性指标函数 可以计算出车门系统的 寿命指标 其平均寿命为42 01 d 为校核由可靠性指标函数计算得到的平均寿命的 正确性 同时采用统计法计算车门系统的平均寿命 为 41 92 d 与理论计算结果基本一致 说明了可靠性指标 函数的正确性 根据关键系统的寿命指标 包括平均寿命和可靠寿 命等

16、 可以分析不同关键系统的维修状态 并为进一步优 化维修规程提供辅助决策 实例中车门系统的平均寿命为 42 01 d 信号接口系统的平均寿命为52 11 d 牵引 电制 动系统的平均寿命为43 20 d 3个关键系统的平均寿命 基本保持一致 说明广州地铁一号线关键系统的维修行 为合理 下一步可适当加强车门系统的维修 降低信号 接口系统的维修 4 结束语 通过统计分析广州地铁一号线车辆故障数据 选 择车辆关键系统 并对其进行可靠性分析 确定车门系 统 信号接口系统和牵引 电制动系统的分布模型 并 以车门系统为例给出了可靠性指标函数 研究成果对评 价车辆维修效果 优化车辆维修规程具有重要的参考意 义 参考文献 1 范忠胜 周卫兵 以可靠性为中心的车辆最小周期 双日检 维修制度研究 J 现代城市轨道交通 2010 5 59 63 2 王德 魏建国 货车车辆可靠性数值初步分析 J 铁道车辆 2005 43 2 27 30 3 王灵芝 徐宇工 张家栋 铁路设备关键零部件的 可靠性分析模型及其应用研究 J 铁道学报 2008 30 4 93 97 4 李勤 周立新 轨道车辆部件运用可靠性分析方法 研