基于可靠性框图的地铁牵引系统可靠性分析

基于可靠性框图的地铁牵引系统可靠性分析

张允学

苏州轨道交通运营有限公司运营二分公司  江苏苏州 215000

摘要：介绍了一种城市轨道交通综合牵引系统可靠性框图分析方法，说明了可靠性框图分析的相关概念，列出了基础可靠性公式，详细阐述了串行和并行两个模式下的可靠性计算方法。在此基础上，结合综合监控系统的架构及可靠性计算的相关假设，论述了可靠性框图分析方法在综合牵引系统的可靠性和可用性计算方面的具体应用，给出了可靠性及可用性计算的详细分析流程及计算过程。

关键词：城市轨道交通；可靠性框图分析；故障率计算；可用性计算

1、地铁牵引系统简介

我国城镇化正在加快推进，城市轨道交通作为公共交通的重要组成部分，起到了不可替代的作用。牵引系统作为列车驱动系统的组成部分之一，主要目的是将线网上的直流电压逆变为一个带有可变振幅和频率的三相电压，供牵引电动机平稳运行。列车牵引系统设备包含高压箱、牵引逆变器、制动电阻、司机控制器、牵引电机，它具有牵引、再生制动和电阻制动功能。牵引电机为三相鼠笼式异步电机，牵引系统设备位置如图1所示。

图1

牵引控制系统采用完全冗余的MVB车辆总线的网络控制（硬线备份）方式。司机控制器或 ATO设备将牵引指令及给定值发送到牵引逆变器，并根据从制动控制设备接收到的列车空重车的信号，控制列车进行牵引和输出转矩。它的系统具有限速功能，在火车的车速超出这个限速时，会对火车的车速进行锁定，使牵引力为0，直至车速恢复为止。在 ATP停止运行时，该系统还能实现车速限制。此外，该系统还具备高加速功能，在斜坡救助启动时，牵引系统可以输出在正常粘附系数0.185牵引力下的1.15倍的牵引力，通过这个功能，可以提高列车启动时的牵引力，并将停靠在最大斜坡上的故障列车推过斜坡。火车系统提供了一种洗车方式。该系统在设定了清洗方式后，能在指定的转速范围内，实现对拖曳的自动调节或切断。

牵引逆变器是牵引系统的中心，它在牵引控制单元（ICU）的控制下，能够完成如下的工作：接收和执行驾驶员（或 ATO）操控命令/进行牵引电机转矩控制/混合电刹车控制/抗冲击控制/空运行/滑行控制/空重车控制/牵引/制动开关控制等逆转保护。能够与空气制动控制系统进行数据的交流，从而达到对电空制动的联合控制，进行系统控制逻辑检测和故障诊断、故障显示、故障记录，并与铁路监测系统进行数据的交流，最后按照故障严重程度进行分级，进行保护动作。牵引逆变器由 RFI滤波器、线路电抗器、线路接触器、预充电电路、逆变器单元、检测及保护用的电压及电流传感器、牵引控制单元（TCU）、冷却风机及控制电路组成。

在进行轨道交通运行和管理的时候，要通过行之有效的手段，强化对列车运行中出现的问题的探测，并根据问题的出现，制定相应的对策，以达到提升解决问题的效果。要对轨道交通的轨道交通牵引系统的故障问题进行高效的解决，必须要对轨道交通工具的问题展开科学的分析，同时还要对其所能检测到的问题进行确定，通常来讲，在对轨道交通工具的驱动进行诊断时，要做好下面两个工作。第一步是运用现代检测设备，对列车外部检测设备进行检测与判定，通过实验平台对列车运行状态进行仿真，寻找引起列车运行异常的根本因素，这个环节就是要运用检测设备与外部检测设备相配合来完成，而且这个环节比较困难，所以要引起检测设备的重视；第二，在进行故障诊断时，因为轨道交通工具均装备有与之对应的运行参数，所以，技术人员需要根据运行数据来判断轨道交通工具的运行情况。但是，要指出的是，无论车外或车上的诊断系统，都只是对轨道交通中的情况做出了判断，并没有做出任何的预报，所以，轨道交通的运营中，仍然会有一些安全问题。

1 可靠性框图分析方法

可靠性框图是系统单元以及可靠性意义下连接关系的图形表达。可靠性框图是利用互相连接的方框来计算某系统的失效逻辑，并逐个分析该系统各个组成部分失效率对系统的影响，最后评估系统的整体可靠性。可靠性框图分析将组成整个系统的各个部件的系统故障率（failure rate，FR）、平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均修复时间（Mean Time to Repair，MTTR）、固有可用性（Inherent Availability，Ai）等基础可靠性指标通常以串行或并行的方式进行计算，从而获得整个系统的可靠性指标数据。

2、基础可靠性公式

（1）系统故障率（λ）

系统故障率（λ）的定义是单位时间内系统失败的次数。

（2）平均故障间隔时间（MTBF）

在规定的工作环境条件下系统或产品开始工作到出现第一个故障的时间的平均值，也即是系统故障率的倒数。 MTBF 数值越大，则反映出系统或产品越可靠稳定，反映了系统或产品的时间质量，是系统或产品在规定时间内保持功能的一种体现。

（3）平均修复时间（MTTR）

描述系统或产品由故障状态转为工作状态时修理时间的平均值。

（4）固有可用性（Ai）

当只考虑正确的系统停机时间时， 也就是平均修复时间（MTTR）时，固有可用性（Ai）就是稳定状态可用性。 固有可用性（Ai） 为平均故障间隔时间（MTBF）与平均故障间隔时间（MTBF）和平均修复时间（MTTR）之和的比值。

3、可靠性串行计算

串联系统是组成系统的所有子系统中任一子系统失效就会导致整个系统失效的系统， 或者说当且仅当所有的子系统都能正常工作时，系统才能正常工作。 可以用可靠性框图进行说明。

（1）串行系统故障率（λseries）

对单个子系统而言，故障率就是λ1。 对两个子系统，系统故障率就是λ1＋λ2，若是 n 个子系统则为λ1＋λ2＋…＋λn。

（2）串行系统平均故障间隔时间（MTBF）

串行关系的系统 MTBF 为串行系统故障率λseries 的倒数。

（3）串行系统固有可用性（Aseries）

对于可用系统，每个子系统在串行计算中都是可用的。因此系统可用性的串行计算为 Aseries＝A1*A2*…*An。

5、可靠性框图分析在牵引系统中的应用

地铁的牵引系统的统计故障是基于相关数据进行计算的。常用的牵引系统故障分为高速开关、逆变模块、牵引逆变器模块、制动电气控制系统、受流设备、牵引电机、制动电阻箱、牵引设备箱、牵引控制单元。表1为某市地铁列车在3年运行过程产生的故障数据、为了方便对数据的计算，现对已有的数据进行分析，以图表的形式展现。表1为近三年牵引系统各部件故障数据的次数统计，图2是表格的直方图展示。

                          表1

                    图2

为了进一步精简计算，将以上统计数据归类为受流设备、牵引控制单元、制动电阻箱、牵引设备箱以及牵引电机5大类以方便下面的计算。

由于牵引系统的各部件故障均会导致牵引系统发生故障，所以可靠性框图采用串联的方式计算，故牵引系统可靠性框图如下图所示。

（1）平均修复时间

为确保牵引系统正常运行， 所有设备的平均修复时间（MTTR）都假设为 1 小时（由于牵引系统各部件的故障修复时间不统一，故采取平均值1小时）。

（2）固有可用性

将可用性要求设为稳定状态固有可用性（Ai），固有状态 （Ai）

就是时间趋于无穷大时的可用性，只考虑修复时间（平均修复时

间）正确的情况。 运行可用性（Ao）不能确定，因为它取决于维修

时间和平均逻辑停机时间（包括但是不限于管理延时，获得备用

时间、传输时间），由于不能准确预测平均逻辑停机时间，因此不

能确定运行可用性（Ao）。

5、故障率计算

概述

经计算牵引系统平均故障间隔时间掉线+换表=16109/60=268

牵引系统Ai固有可用性=268/268+1=99.6283%

上述应用上海地铁某条线两年的牵引故障统计，分别计算出各个部件的系统平均故障间隔时间，然后应用串行系统可靠性分析的公式，得出牵引系统的可靠性为99.6283%。

6、结束语

根 据 计 算 ， 综 合 牵引系 统 的 平 均 无 故 障 时 间 MTBF 为 1．11×109小时，系统可用性为 99．6283％。 可见，地铁牵引系统关键设备采用冗余配置结构可以极大地提高整个系统的可靠性和可用性，一些安全要求非常高的场合要求自动化系统采用设备冗余方式的原因就在于此。可靠性框图分析提供了综合牵引系统可靠性和可用性计算的具体方法及可量化的指标，从而可确保综合牵引系统在安全性和可靠性方面能够满足相关规范的要求。在地铁系统运行的过程中，地铁车辆的运行安全性是至关重要的，因此，地铁部门必须做好针对地铁车辆牵引系统故障的处理工作，认识到地铁车辆牵引系统故障问题的危害性，同时针对故障现状采取针对性的措施，推动牵引故障问题的解决，从而提高行车安全性和行车效率。

参考文献：

[1]王家林,崔楠楠.基于可靠性框图法的智能变电站继电保护系统可靠性分析[J].光源与照明,2022(03):138-140.

[2]林晓伟,卜凡,许超.城市轨道交通综合监控系统可靠性框图分析方法[J].工业控制计算机,2021,34(07):26-28.