城轨车辆电气系统可靠性设计分析

城轨车辆电气系统可靠性设计分析

郝宏峰 张晓雨

中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116021

^{摘要：城轨车辆可靠性是指城轨车辆在正常运营条件下，在规定时间内进行工作而不发生故障的可靠程度。本文以城轨车辆的可靠性设计理论为基础，具体分析了城轨车辆电气系统的可靠性设计方法。}

^{关键词：城轨车辆；电气系统；可靠性}

1前言

城市轨道交通车辆，以其载客量大、性能优异、运行稳定、安全可靠和环保美观等许多优势条件，逐渐成为城市交通的主要运输力量。

城轨车辆正常运营的一个必要条件就是车辆具有良好的可靠性。城轨车辆可靠性是指城轨车辆在正常运营条件下，在规定时间内进行工作而不发生故障的可靠程度。

城轨车辆可靠性的保证应贯穿于整个项目中，包括设计、生产、试验、售后等诸多环节。本文主要讨论城轨车辆的电气系统在设计阶段的可靠性保证方法。

2城轨车辆电气系统可靠性设计

2.1设计原则

对于城轨车辆电气系统来说，提高整体系统的可靠性，就是采用提高组成电气系统的每个元器件的可靠性来达到的。可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计中入手来解决产品的可靠性，以改善对各个元器件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。

可靠度的分配是可靠性设计的核心。它主要有以下几种分配方法：

（1）按重要程度分配可靠度。

（2）按复杂程度分配可靠度。

（3）按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。

（4）按相对故障率分配可靠度。

各部分有了明确的可靠性指标后，就可以根据不同计算准则，进行元器件的设计。

2.2设计规范和经验积累

为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验反馈到产品设计中，需要采取以下措施：

（1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查，考虑预防的对策。

（2）推行FMEA，FTA方法。FMEA（失效模式影响分析）和FTA（故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是从元器件故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的元器件和故障模式。FTA则是从整机或系统故障开始，逐步分析到元器件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。

（3）故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设计者随时参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。

（4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际用的数据形成检索系统和数据库，使设计者能超越本公司充分利用别人实践过的经验。

（5）设计、试验规范的不断充实、改善。从实际得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范和试验标准的改进依据，使它们成为设计技术的一部分。

2.3设计方法

产品的设计决定着产品的固有可靠性。城轨车辆电气系统可靠性设计主要包括以下几方面的内容。

（1）冗余设计

当产品设计中发现某个组成部分的可靠性过低，影响产品的总可靠性指标时，便采取所谓冗余设计来提高这一部分的可靠性。

（2）漂移设计

元器件的性能参数容许有一定的散布。其上限为上公差，下限为下公差。随着出厂时间的增加，性能参数产生漂移。温度和其他环境条件的变化也会造成参数漂移。只要元器件的漂移不超过公差的上下限，就是合格的。电路的设计应该是：只要所用的元器件性能参数在规定容许上下限以内，电路的性能参数就应该是合格的，即使元器件的参数值到了规定容许的上下限的边缘，也应如此，这称为电路的漂移设计。在满足元器件规定容许的上下限前提下，在理论分析上，元器件有一些最坏组合，使电路的性能参数产生最大的偏离。如果这些最坏组合产生的电路仍能满足要求，则电路就满足漂移设计要求，这也可以通过最坏组合的实际电路加以验证。但是，最坏组合方法往往偏于过分保守。如果能知道元件、器件性能参数的概率分布，则可以分析出电路性能参数的概率分布，从而作漂移分析和漂移试验，这称为概率法。这往往比最坏组合法更符合实际情况。

（3）元器件的选择与降额设计

通过调查研究制订出产品的元器件优选目录，尽量压缩元器件的品种、规格和生产厂家。监督元器件生产质量的一致性和稳定性。不论对元器件的生产过程如何严格控制，材料、工艺、生产环境等并不能绝对一致。因此，不可避免地有一部分产品会存在一些潜在的缺陷和弱点。这些有缺陷和弱点的元器件的平均寿命比正常产品的平均寿命短得多，使元器件的早期故障率较高。如果对元器件不加处理就装入系统，便会使系统的早期故障率大大增加。因此，在把元器件装入系统前，应采取施加强应力或其他手段，尽可能地剔除这种早期故障的产品。这就是元器件的可靠性筛选。筛选所加的强应力，可以是电的、热的、机械的或综合的。筛选项目须根据元器件的主要故障模式和故障机理，结合元器件的工艺设计、结构材料以及质量控制的情况而定。筛选不是提高产品的可靠性，它只能排除早期故障产品,使产品恢复其固有可靠性,但不能提高固有可靠性。如果元器件的筛选淘汰率较高，则说明设计、工艺或生产管理上存在较多问题，不易筛选彻底。这样的元器件不宜用于高可靠性要求的部位，应根据本部门的需要制订元器件筛选条例，并规定出容许的筛选淘汰率。在一般情况下，元器件出厂越久，可靠性也就越低。因此，应在调查研究和进行必要的试验后，制定元器件保管和保管年限条例。

降额设计：元器件的负荷，就是施加于元器件的一种应力。降负荷使用元器件就是提高元器件的安全系数，从而可以在一定程度上提高元器件的可靠性。

（4）热设计

使元器件在较低温度下工作有三个好处：①参数漂移较小，电气性能容易稳定；②故障率较低；③机械应力较小,金属化接点等的蜕化较慢,寿命较长。因此，需要根据热量传播的规律，研究作为热源的元器件的合理布局；采取什么降温措施可使设备的局部温升不会过高，以保证设备的可靠性。这称为热设计。在简单的情况下可利用自然冷却，但效果有限。当功率密集度较大时，应采取强迫通风冷却和水冷等措施。

（5）潜在通路分析

潜在通路会在所有元器件工作正常的情况下导致出现不需要的功能，或使需要的功能受到抑制。潜在通路分析一般在设计阶段后期或设计文件完成之后进行。

（6）简化设计。避免片面追求高性能指标和过多的功能，合理划分软硬件功能和合理的元器件使用。

（7）电磁兼容性设计。采用电磁兼容性措施，改善车辆的电磁环境，降低干扰度，保证控制和通信电路的正常运行。

3结论

城轨车辆的可靠性是关乎到车辆运营和安全的重要指标，而作为城轨车辆动力和控制核心的电气系统的可靠性更是重中之重。因此，研究城轨车辆电气系统可靠性设计具有重要意义。本文分析了电气系统可靠性设计的常用方法和措施，为城轨车辆电气系统可靠性设计起到了一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]牛振宇，城市轨道交通信号电源系统可靠性分析.城市轨道交通研究，2017年第09期

[2]孙彰林、何颖，地铁供电系统可靠性设计.现代城市轨道交通，2006年第01期