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0、摘要

 

城軌車(chē)輛低壓直流斷路器是電氣控制回路的關(guān)鍵部件，研究低壓直流斷路器的可靠性分布模型具有重要意義?；谏虾?0號(hào)線(xiàn)城軌車(chē)輛低壓直流斷路器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的故障數(shù)據(jù)，利用威布爾分布的擬合度檢驗(yàn)、參數(shù)估計(jì)，求解三參數(shù) 威布爾分布函數(shù)，擬合斷路器失效率曲線(xiàn)，從而得出低壓直流斷路器屬于故障率逐漸下降的早期失效的結(jié)論，為城軌車(chē) 輛可靠性設(shè)計(jì)及以可靠性為中心的維護(hù)性（RCM）活動(dòng)提供一定的參考意義。

 

1、引言

 

斷路器是能接通、承載和分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流，也能在規(guī)定的非正常條件下（例如短路）接通、承載和分?jǐn)嚯娏鞯囊环N機(jī)械開(kāi)關(guān)電器［１］。在城軌車(chē)輛上，控制電路例如開(kāi)關(guān)門(mén)控制、照明燈具控制等前端均配置低壓直流斷路器，所在回路發(fā)生過(guò)載或短路等故障情況下，斷路器及時(shí)切斷電路，保護(hù)終端設(shè)備并防止故障擴(kuò)大化。從安全角度考慮，起保護(hù)作用的斷路器一般沒(méi)有冗余設(shè)計(jì)，從可靠性角度看，斷路器屬于控制回路中的單點(diǎn)故障，因此對(duì)斷路器的可靠性分析顯得尤為重要。目前，對(duì)于城軌車(chē)輛部件的可靠性研究多數(shù)集中于某一具體系統(tǒng)，針對(duì)低壓直流斷路器的分析很少，例如高云建立了城軌車(chē)輛車(chē)門(mén)子系統(tǒng)的可靠性模型并對(duì)繼電器的可靠性及疲勞壽命進(jìn)行分析［２］，王偉、李永生、段洪亮闡述了大數(shù)據(jù)技術(shù)在車(chē)輛運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及深度挖掘中的重要意義［３］。因此，本文針對(duì)上海10號(hào)線(xiàn)低壓直流斷路器進(jìn)行可靠性模型建立和分析，為電路設(shè)計(jì)、選型決策及RCM策略提供理論依據(jù)。

 

2、低壓直流斷路器故障模式及原因分析

 

GJB299C中對(duì)電阻器、電容器、開(kāi)關(guān)等各類(lèi)型電氣元件的故障模式和故障率預(yù)測(cè)公式進(jìn)行了定義［４］，但該標(biāo)準(zhǔn)中的電器元件不包含斷路器。從斷路器的功能上考慮，斷路器的故障模式及故障原因如表１所示。

 

 

3、威布爾分布

 

威布布爾爾分分布布是可靠性應(yīng)用分布最常用的分布，可用于表示故障時(shí)間模型［５］。三參數(shù)威布爾分布的分布函數(shù)見(jiàn)式（１），概率密度函數(shù)見(jiàn)式（２），故障率函數(shù)見(jiàn)式（３）：

 

 

4、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

 

4.1 設(shè)定原假設(shè) 

 

      假設(shè)上海10號(hào)線(xiàn)地鐵低壓直流斷路器可靠度服從三參數(shù)威布爾分布。

 

4.2 選擇樣本

 

本文以2012年1月1日-2016年12月31日上海地鐵10號(hào)線(xiàn)車(chē)輛為分析對(duì)象，低壓直流斷路器故障統(tǒng)計(jì)如表２所示。

 

 

4.3 擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

 

 

4.4 威布爾參數(shù)估計(jì)

 

參數(shù)估計(jì)有最小二乘法、最大似然估計(jì)法等數(shù)學(xué)方法，大多比較復(fù)雜，需要借助Matlab等工具完成，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用文獻(xiàn)［７］提出的利用Excel規(guī)劃求解模塊功能來(lái)求解威布爾分布函數(shù)的參數(shù)估計(jì)［７］。

 

１）按表３整理數(shù)據(jù)并假定初始δ０=194。（僅截取了部分?jǐn)?shù)據(jù)示意）

 

 

２）選擇規(guī)劃求解模塊，目標(biāo)值定為相關(guān)系數(shù)r最大，約束為δ≥０且δ≤ｔ１，可變單元格為位置參數(shù)δ，進(jìn)行100次迭代后解得最優(yōu)解如表４所示。

 

 

4.5 失效率曲線(xiàn)擬合

 

 

5、總結(jié)與展望

 

5.1 總結(jié)

 

根據(jù)威布爾分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。 

１）上海10號(hào)線(xiàn)在2010年投入運(yùn)營(yíng)，到2012年已經(jīng)過(guò)２年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間。根據(jù)浴盆曲線(xiàn)，理論上斷路器已進(jìn)入隨機(jī)失效階段，即服從指數(shù)分布，但從實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，形狀參數(shù)小于１，指示的是早期失效狀態(tài)，失效率隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，可見(jiàn)理論分析和實(shí)際應(yīng)用還是有一定的差異，從應(yīng)用數(shù)據(jù)得出 的失效率曲線(xiàn)及可靠性模型更能反映真實(shí)情況。 

２）早期失效模式下，實(shí)施預(yù)防性維護(hù)是不合適的，因?yàn)榫S護(hù)后的失效率會(huì)有上升的過(guò)程。 

３）根據(jù)威布爾分析理論，在這種失效率曲線(xiàn)下，對(duì)其進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)以后會(huì)導(dǎo)致故障率的升高，因此進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)是不合適的。引起這種失效率曲線(xiàn)的原因主要包括缺少充分的過(guò)程控制、不充分的篩選實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)問(wèn)題、錯(cuò)誤的組裝、不良的質(zhì)量控制等。因此，在車(chē)輛的可靠性設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重對(duì)斷路器供應(yīng)商的過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行管控。

 

5.2 展望

 

本文基于上海10號(hào)線(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，對(duì)斷路器建立可靠性模型及失效率曲線(xiàn)擬合，得出該項(xiàng)目低壓直流斷路器符合威布爾三參數(shù)模型，失效率隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸下降的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上還有以下幾個(gè)方面可以進(jìn)一步完善。

１）增大樣本量，將相同低壓直流斷路器型號(hào)、相似項(xiàng)目的失效數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并擴(kuò)大時(shí)間跨度，利用大數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)分析結(jié)果的可信度。 

２）優(yōu)化參數(shù)估計(jì)方法，本文采用Excel的規(guī)劃求解功能進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，可通過(guò)采用最小二乘法等多種方法進(jìn)行對(duì)比，提升參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。 

３）細(xì)化故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)失效模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，優(yōu)化斷路器失效模式、模式比例及失效原因數(shù)據(jù)庫(kù)，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)階段的元器件失效率預(yù)測(cè)結(jié)果、失效模式影響及危害度分析 （FMECA），有助于電路可靠性設(shè)計(jì)的提升。

 

參考文獻(xiàn)

 

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[3] 王偉，李永生，段洪亮．大數(shù)據(jù)技術(shù)在城市軌道交通車(chē)輛RAMS驗(yàn)證過(guò)程中的應(yīng)用[J]．城市軌道交通研究，2020（２）:1-4． 

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[6] International Electrotechnical Commission. IEC 61649-2008 goodness-of-fit tests，confidence intervals and lower confidence limits for Weibull distributed data[S]. 2008.

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