電氣化鐵路接觸網可靠性設計論文發表

　　摘要：本文分析接觸網系統進行可靠性設計的必要性，對比傳統設計方法與可靠性設計方法的區別，提出接觸網系統可靠性評價標準及其可靠性分析方法，同時提出一些提高其可靠性水平的建議。

　　關鍵詞：接觸網,可靠性設計,失效,措施

　　接觸網沿鐵路線路露天架設，通過接觸線和受電弓的滑動接觸把電能輸送給電力機車，是電氣化鐵路的主要組成部分。由于其所處環境復雜多變，在受電弓和風、霜、雪、冰的作用下，一直處于動態變化之中。與電力系統的架空輸電線相比，接觸網具有無備用、結構復雜、存在與受電弓的動態相互作用、故障率高等特點。要防止或減少故障發生，必須提高接觸網的系統安全可靠性。

　　可靠性的研究開始于20世紀60年代美國的航天計劃，起源于軍用電子設備。日本、德國、法國等極其重視接觸網可靠性理論與方法體系的研究，對接觸網可靠性提出了較明確的指標要求，如歐洲有EN50126《鐵路應用-可靠性 可用性 可維護性和安全性技術條件和驗證(RAMS)》，德國明確要求電氣化鐵路系統的可用性要達到0.98以上。而我國目前尚無標準對接觸網的可靠性、可用性提出明確要求。接觸網系統固有可靠性是在設計階段確定的，對其開展可靠性研究應首先從設計階段進行。

　　一、可靠性設計的必要性

　　1、接觸網零部件和技術更新快，采用沒有成熟運營經驗的新技術或新產品。

　　2、接觸網整體系統復雜，零部件多，機車運行速度提高，疲勞磨耗嚴重，發生故障的機會增多。

　　3、外部環境復雜，如大氣污染、風、霜、雪、冰、雷擊等導致接觸網故障時有發生。

　　4、零部件和系統可靠性的提高可獲得較大的經濟效益和社會效益。

　　二、傳統設計方法與可靠性設計方法的比較

　　1、可靠性出現的原因

　　傳統的零部件設計是以計算安全系數為主要內容的，即零件的安全系數(n)=零件的強度(F)/零件的應力(S)，且強度及壓力均為單值來進行計算，但事實并非如此。

　　雖然有較高的安全系數，但由于材料強度與應力分布并非單值的，因此，當處于某種情況時，應力S>材料強度F，這樣零件就可能發生失效。

　　2、傳統的接觸網設計方法

　　傳統的接觸網設計認為動荷載、靜荷載、強度極限、彈性模量、極限應力、剖面慣性矩、機加工尺寸、材料性能等于設計有關的參數或變量，不隨時間的變化而變化，設計中使用的是平均值。為了保證機械的可靠性，往往根據經驗對影響計算結果的各個參數乘以相應的系數，例如荷載系數、溫度系數、工作環境系數、時間系數等。最后還要乘以安全系數，為了保證安全，往往取偏大的安全系數。這就使支持裝置結構冗長，重量較重，材料及相關的資源浪費也是非常值得注意的問題;同時也不利于接觸網系統的優化設計

　　3、可靠性設計方法

　　可靠性設計中，認為所有與設計有關的變量均隨時間的變化而變化，并將它們視為屬于某種概率分布的統計量。這樣設計中就保證了載荷測定的準確性和材料性能的穩定性，從而保證了結構的可靠性。而且可靠性設計對結構的安全系數做了統計分析，這樣求得的安全系數就更加貼近實際。

　　三、接觸網可靠性評價標準組成

　　接觸網系統在運行過程中，不僅要承受因機車供電帶來的電氣負荷，而且還要承受外界環境、弓網接觸等產生的機械負荷。接觸網失效的因素主要有系統短路引起的過電流、接觸線磨損、接觸線疲勞、接觸網零部件在復雜的環境工況下的松動斷裂、絕緣子閃絡放電等。

　　接觸網的可靠性定義為接觸網各元件在規定的時間內能保持正常工作的能力。它是評估接觸網向機車供電穩定性的重要指標之一。

　　為系統評價接觸網可靠性，有必要制定一些評價其可靠性的量化標準。這些標準包括可靠度與不可靠度、失效、瞬時失效率、平均壽命、維修度、可用度等。

　　1、可靠度R(t)

　　接觸網可靠度可定義為接觸網系統或其設備和零部件在給定的條件下和給定的時間內能完成要求的功能的概率。可靠度是時間的函數。可靠度越高，可以無故障工作的時間就越長。

　　可靠度的計算公式：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，則當對總數為N個零件進行實驗，經過t時間后，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

　　接觸網系統或其設備和零部件，由于各種原因而喪失其正常工作能力的現象，稱為失效。

　　3、瞬時失效率λ(t)

　　設接觸網系統或其設備和零部件在某時刻前未發生失效，在該時刻后的下一個單位時間內失效的概率。反映了某一時刻t殘存的零部件在其后緊接著的一個單位時間內失效的零部件數量對時刻t的殘存零部件數之比。它能更直觀的反映每一時刻的失效情況。

　　4、平均失效間隔時間

　　接觸網作為可修復系統，平均失效間隔時間指接觸網系統或其設備和零部件從修復完成到下次失效的間隔時間。

　　5、平均修復時間

　　在規定的條件下和規定的時間內，接觸網系統或其設備和零部件維修總時間與修復的失效總數之比。

　　四、接觸網系統可靠性分析

　　可靠性分析和預測是系統可靠性工程的關鍵，是系統維修性、安全性、可用性的基礎。可靠性分析和預測包括：功能分析和系統失效定義,失效樹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,糟糕情況的預測和可容忍度分析等。

　　接觸網可靠性分析可將接觸網視為由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱及基礎、補償裝置等部分組成的綜合系統。接觸網零件發生斷裂、破壞、過量磨損及嚴重變形，無法繼續使用，可統稱為失效，每個部件失效都影響著接觸網正常工作。

　　接觸網零部件失效形式包括：整體斷裂，過大的殘余變形，零件的表面破壞，異常工作條件引起的失效等;接觸網系統失效形式包括：系統短路，絕緣子閃絡，雷擊故障，零部件失效等。

　　五、提高接觸網系統可靠性的措施

　　1、采用先進的技術標準體系及設計方法

　　接觸網系統或組成部件固有可靠性水平應在設計階段確定，采用技術水平能達到的較高標準，進行點對點的精確工點設計，在滿足技術要求的同時，追求更高的安全性和使用壽命。

　　2、提高接觸網零部件標準化程度

　　由于接觸網零部件工作條件復雜，疲勞破損嚴重，應盡量采用有成熟運營經驗的標準化零部件，便于利用已知的零件失效分析數據，有效降低使用風險，降低使用成本。

　　3、采用新材料、新工藝時應充分重視結構疲勞壽命

　　為降低接觸網零部件應力集中水平，需對零部件結構的合理性進行了大量研究，一旦產品成熟，基本形狀一般不輕易改變。新材料應考慮應用廣泛的成熟材料，并針對接觸網工況進行專門的工藝處理，以保證其結構疲勞壽命。

　　4、采用先進的施工方法

　　重視貫徹標準施工工藝工法和大多采用近乎“機械” 的程序化以及“慢工細活” 的流程，施工前采用工廠預配，專人精確測量，工序按照流程，施工安裝作業時間也較充裕，工期有保障。

　　六、結論

　　本文根據接觸網系統工作環境及其工作特點，分析接觸網系統進行可靠性設計的必要性，對比傳統設計方法與可靠性設計方法的區別，提出接觸網系統可靠性評價標準及其可靠性分析方法。針對目前我國接觸網系統尚無明確的可靠性要求的情況，本文對接觸網可靠性設計進行了初步研究，提出一些提高其可靠性水平的建議，希望對接觸網系統可靠性的提高能起到一定的作用。

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