電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)論文發(fā)表

　　摘要：本文分析接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的必要性，對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)方法的區(qū)別，提出接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其可靠性分析方法，同時(shí)提出一些提高其可靠性水平的建議。

　　關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng),可靠性設(shè)計(jì),失效,措施

　　接觸網(wǎng)沿鐵路線路露天架設(shè)，通過(guò)接觸線和受電弓的滑動(dòng)接觸把電能輸送給電力機(jī)車(chē)，是電氣化鐵路的主要組成部分。由于其所處環(huán)境復(fù)雜多變，在受電弓和風(fēng)、霜、雪、冰的作用下，一直處于動(dòng)態(tài)變化之中。與電力系統(tǒng)的架空輸電線相比，接觸網(wǎng)具有無(wú)備用、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在與受電弓的動(dòng)態(tài)相互作用、故障率高等特點(diǎn)。要防止或減少故障發(fā)生，必須提高接觸網(wǎng)的系統(tǒng)安全可靠性。

　　可靠性的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代美國(guó)的航天計(jì)劃，起源于軍用電子設(shè)備。日本、德國(guó)、法國(guó)等極其重視接觸網(wǎng)可靠性理論與方法體系的研究，對(duì)接觸網(wǎng)可靠性提出了較明確的指標(biāo)要求，如歐洲有EN50126《鐵路應(yīng)用-可靠性 可用性 可維護(hù)性和安全性技術(shù)條件和驗(yàn)證(RAMS)》，德國(guó)明確要求電氣化鐵路系統(tǒng)的可用性要達(dá)到0.98以上。而我國(guó)目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接觸網(wǎng)的可靠性、可用性提出明確要求。接觸網(wǎng)系統(tǒng)固有可靠性是在設(shè)計(jì)階段確定的，對(duì)其開(kāi)展可靠性研究應(yīng)首先從設(shè)計(jì)階段進(jìn)行。

　　一、可靠性設(shè)計(jì)的必要性

　　1、接觸網(wǎng)零部件和技術(shù)更新快，采用沒(méi)有成熟運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的新技術(shù)或新產(chǎn)品。

　　2、接觸網(wǎng)整體系統(tǒng)復(fù)雜，零部件多，機(jī)車(chē)運(yùn)行速度提高，疲勞磨耗嚴(yán)重，發(fā)生故障的機(jī)會(huì)增多。

　　3、外部環(huán)境復(fù)雜，如大氣污染、風(fēng)、霜、雪、冰、雷擊等導(dǎo)致接觸網(wǎng)故障時(shí)有發(fā)生。

　　4、零部件和系統(tǒng)可靠性的提高可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　二、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)方法的比較

　　1、可靠性出現(xiàn)的原因

　　傳統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì)是以計(jì)算安全系數(shù)為主要內(nèi)容的，即零件的安全系數(shù)(n)=零件的強(qiáng)度(F)/零件的應(yīng)力(S)，且強(qiáng)度及壓力均為單值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但事實(shí)并非如此。

　　雖然有較高的安全系數(shù)，但由于材料強(qiáng)度與應(yīng)力分布并非單值的，因此，當(dāng)處于某種情況時(shí)，應(yīng)力S>材料強(qiáng)度F，這樣零件就可能發(fā)生失效。

　　2、傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方法

　　傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)認(rèn)為動(dòng)荷載、靜荷載、強(qiáng)度極限、彈性模量、極限應(yīng)力、剖面慣性矩、機(jī)加工尺寸、材料性能等于設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)或變量，不隨時(shí)間的變化而變化，設(shè)計(jì)中使用的是平均值。為了保證機(jī)械的可靠性，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)影響計(jì)算結(jié)果的各個(gè)參數(shù)乘以相應(yīng)的系數(shù)，例如荷載系數(shù)、溫度系數(shù)、工作環(huán)境系數(shù)、時(shí)間系數(shù)等。最后還要乘以安全系數(shù)，為了保證安全，往往取偏大的安全系數(shù)。這就使支持裝置結(jié)構(gòu)冗長(zhǎng)，重量較重，材料及相關(guān)的資源浪費(fèi)也是非常值得注意的問(wèn)題;同時(shí)也不利于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　3、可靠性設(shè)計(jì)方法

　　可靠性設(shè)計(jì)中，認(rèn)為所有與設(shè)計(jì)有關(guān)的變量均隨時(shí)間的變化而變化，并將它們視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量。這樣設(shè)計(jì)中就保證了載荷測(cè)定的準(zhǔn)確性和材料性能的穩(wěn)定性，從而保證了結(jié)構(gòu)的可靠性。而且可靠性設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)做了統(tǒng)計(jì)分析，這樣求得的安全系數(shù)就更加貼近實(shí)際。

　　三、接觸網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)組成

　　接觸網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，不僅要承受因機(jī)車(chē)供電帶來(lái)的電氣負(fù)荷，而且還要承受外界環(huán)境、弓網(wǎng)接觸等產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷。接觸網(wǎng)失效的因素主要有系統(tǒng)短路引起的過(guò)電流、接觸線磨損、接觸線疲勞、接觸網(wǎng)零部件在復(fù)雜的環(huán)境工況下的松動(dòng)斷裂、絕緣子閃絡(luò)放電等。

　　接觸網(wǎng)的可靠性定義為接觸網(wǎng)各元件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能保持正常工作的能力。它是評(píng)估接觸網(wǎng)向機(jī)車(chē)供電穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。

　　為系統(tǒng)評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)可靠性，有必要制定一些評(píng)價(jià)其可靠性的量化標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括可靠度與不可靠度、失效、瞬時(shí)失效率、平均壽命、維修度、可用度等。

　　1、可靠度R(t)

　　接觸網(wǎng)可靠度可定義為接觸網(wǎng)系統(tǒng)或其設(shè)備和零部件在給定的條件下和給定的時(shí)間內(nèi)能完成要求的功能的概率。可靠度是時(shí)間的函數(shù)。可靠度越高，可以無(wú)故障工作的時(shí)間就越長(zhǎng)。

　　可靠度的計(jì)算公式：若令R(t)代表零件的可靠度;Q(t)代表零件失效的概率或零件的故障概率，則當(dāng)對(duì)總數(shù)為N個(gè)零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，有NQ(t)件失效，NR(t)件仍正常工作。

　　該零件的可靠度：該零件的故障(失效)概率：

　　2、失效

　　接觸網(wǎng)系統(tǒng)或其設(shè)備和零部件，由于各種原因而喪失其正常工作能力的現(xiàn)象，稱(chēng)為失效。

　　3、瞬時(shí)失效率λ(t)

　　設(shè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)或其設(shè)備和零部件在某時(shí)刻前未發(fā)生失效，在該時(shí)刻后的下一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)失效的概率。反映了某一時(shí)刻t殘存的零部件在其后緊接著的一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)失效的零部件數(shù)量對(duì)時(shí)刻t的殘存零部件數(shù)之比。它能更直觀的反映每一時(shí)刻的失效情況。

　　4、平均失效間隔時(shí)間

　　接觸網(wǎng)作為可修復(fù)系統(tǒng)，平均失效間隔時(shí)間指接觸網(wǎng)系統(tǒng)或其設(shè)備和零部件從修復(fù)完成到下次失效的間隔時(shí)間。

　　5、平均修復(fù)時(shí)間

　　在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，接觸網(wǎng)系統(tǒng)或其設(shè)備和零部件維修總時(shí)間與修復(fù)的失效總數(shù)之比。

　　四、接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析

　　可靠性分析和預(yù)測(cè)是系統(tǒng)可靠性工程的關(guān)鍵，是系統(tǒng)維修性、安全性、可用性的基礎(chǔ)。可靠性分析和預(yù)測(cè)包括：功能分析和系統(tǒng)失效定義,失效樹(shù)形分析和塊狀圖表分析，失效模式作用分析，共因失效或多重失效分析,敏感性分析和平衡研究，可靠性分配，壓力分析,糟糕情況的預(yù)測(cè)和可容忍度分析等。

　　接觸網(wǎng)可靠性分析可將接觸網(wǎng)視為由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱及基礎(chǔ)、補(bǔ)償裝置等部分組成的綜合系統(tǒng)。接觸網(wǎng)零件發(fā)生斷裂、破壞、過(guò)量磨損及嚴(yán)重變形，無(wú)法繼續(xù)使用，可統(tǒng)稱(chēng)為失效，每個(gè)部件失效都影響著接觸網(wǎng)正常工作。

　　接觸網(wǎng)零部件失效形式包括：整體斷裂，過(guò)大的殘余變形，零件的表面破壞，異常工作條件引起的失效等;接觸網(wǎng)系統(tǒng)失效形式包括：系統(tǒng)短路，絕緣子閃絡(luò)，雷擊故障，零部件失效等。

　　五、提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的措施

　　1、采用先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系及設(shè)計(jì)方法

　　接觸網(wǎng)系統(tǒng)或組成部件固有可靠性水平應(yīng)在設(shè)計(jì)階段確定，采用技術(shù)水平能達(dá)到的較高標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精確工點(diǎn)設(shè)計(jì)，在滿足技術(shù)要求的同時(shí)，追求更高的安全性和使用壽命。

　　2、提高接觸網(wǎng)零部件標(biāo)準(zhǔn)化程度

　　由于接觸網(wǎng)零部件工作條件復(fù)雜，疲勞破損嚴(yán)重，應(yīng)盡量采用有成熟運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化零部件，便于利用已知的零件失效分析數(shù)據(jù)，有效降低使用風(fēng)險(xiǎn)，降低使用成本。

　　3、采用新材料、新工藝時(shí)應(yīng)充分重視結(jié)構(gòu)疲勞壽命

　　為降低接觸網(wǎng)零部件應(yīng)力集中水平，需對(duì)零部件結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行了大量研究，一旦產(chǎn)品成熟，基本形狀一般不輕易改變。新材料應(yīng)考慮應(yīng)用廣泛的成熟材料，并針對(duì)接觸網(wǎng)工況進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的工藝處理，以保證其結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

　　4、采用先進(jìn)的施工方法

　　重視貫徹標(biāo)準(zhǔn)施工工藝工法和大多采用近乎“機(jī)械” 的程序化以及“慢工細(xì)活” 的流程，施工前采用工廠預(yù)配，專(zhuān)人精確測(cè)量，工序按照流程，施工安裝作業(yè)時(shí)間也較充裕，工期有保障。

　　六、結(jié)論

　　本文根據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)工作環(huán)境及其工作特點(diǎn)，分析接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的必要性，對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)方法的區(qū)別，提出接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其可靠性分析方法。針對(duì)目前我國(guó)接觸網(wǎng)系統(tǒng)尚無(wú)明確的可靠性要求的情況，本文對(duì)接觸網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究，提出一些提高其可靠性水平的建議，希望對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的提高能起到一定的作用。

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