电气化铁路接触网设备维修的对策研究

电气化铁路接触网设备维修的对策研究

张 ,飞

中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北 武汉 430063

摘要：作为电气化铁路的重要组成部分，接触网承担着向电力机车输送电能的重任。接触网的安全稳定运行对电气化铁路的正常运营至关重要，是实现电气化铁路经济效益与社会效益的重要保障。接触网检修是保证接触网处于良好状态的重要手段，随着电气化铁路运营里程的增加，接触网系统规模日益增大，接触网检修压力越来越大，在保证接触网可靠性的前提下减少维修次数、降低维修成本，对接触网的运维具有重要的现实意义。

关键词：电气化铁路；接触网

现阶段，接触网维修采取对零部件进行周期性检修的方式，利用固定的天窗点定期对接触网零部件进行整体性保养维护，检修工作量大，存在过度维修的情况，不能满足当前铁路减员增效的要求。国内学者提出一些以可靠性为中心的接触网维修策略及优化方法。由于周期性维修可以保障接触网系统的高可靠性，有学者提出以周期性维修为基础，优化周期性维修的费用。采用第I类极值分布逼近估计法估计接触网零部件可靠性，以可靠性-维修费用最优为目标函数，对接触网周期性预防维修策略进行优化，但该维修策略仍需要维修人员定期检测与维修接触网系统，经济效益并不明显。为此，提出以可靠性为中心的维修策略（RCM），通过定期维修和状态维修的配合，提高铁路部门维修的机动性，节省维修成本，但该检修策略并未综合考虑接触网系统的可靠性、维修性和经济性等多项指标。采用蒙特卡洛仿真方法定量计算接触网零部件重要度指标，制定了接触网主动维修流程及主动维修策略，但实际应用较少。对常用的接触网可靠性分析方法和维修策略进行比较，得出基于可靠性的接触网维修策略更有利于接触网系统可靠运行的结论。上述研究多针对接触网单一的零部件进行分析，未考虑接触网众多零部件相互之间的关联关系，若每个零部件故障时都进行一次维修，将会产生高额的维修费用和停电损失费用。

接触网系统是一个由多零部件构成的复杂系统，任一零部件的故障都可能导致接触网停电。若在维修接触网故障零部件时，对可靠度比较低的其他零部件同时检修，就可以共同分摊固定维修费用和停电损失费，从而达到节约成本的目的。

1 接触网预防性机会维修

1.1 接触网预防性维修

为避免接触网系统因零部件故障失效出现停电的情况并影响铁路行车，需在零部件故障发生前预先对其进行维修或换新。

接触网零部件的可靠度函数可表示为

式中：t为时间变量；α为比例参数，α>0;β为形状参数，β>0。

由于接触网是一个典型的机械结构，其可靠度函数满足威布尔分布。可根据接触网各零部件允许的可靠度标准，确定零部件的预防性维修时间Tp(i)。对于零部件i来说，当其可靠性逐渐降低至允许的阈值Rp(i)时，可对其实施预防性维修，此时

式（2）与式（1）联立，可求出预防性维修时间Tp(i):

1.2 接触网预防性机会维修

在对接触网的某一零部件进行预防性维修时，对满足要求的其他零部件同时进行机会维修，即为接触网预防性机会维修，如图1所示。

图1 接触网预防性机会维修示意图 

图中：Ro为机会维修可靠度，Rp为预防性维修可靠度，∆R为可靠度裕度，To(i)、To(j)、To(k)分别为零部件i、j、k的机会维修限定时间，Tp(i)、Tp(j)、Tk分别为零部件i、j、k的预防性维修时间。定()p义预防性机会维修模型如下：

(1）对于零部件i(i=1,2,…,N)，当其运行时间t满足式（4）时，可对零部件i进行预防性维修。

(2）对于其他任意零部件j(j=1,2,…,N，且j≠i)，在对零部件i进行预防性维修时，当零部件j的运行时间t满足式（5）时，可在对零部件i进行预防性维修的同时对零部件j进行机会维修。

(3）对于任意零部件k(k=1,2,…,N，且k≠j≠i)，当其运行时间t满足式（6）时，不对零部件k进行维修。

因此，机会维修在预防性维修时间Tp的基础上引入时间间隔∆T，使得对零部件进行预防性维修的时间点Tp扩大为一个时间段[To,Tp]，该时间段即为零部件的机会维修区间。当某个零部件的工作时间落在(To,Tp)区间时，此时若有其他零部件进行预防性维修，则可同时对该零部件进行机会维修。

由图1可知，可靠度裕度∆R是对接触网系统进行预防性机会维修的决策基础，其值是零部件机会维修可靠度Ro与预防性维修可靠度Rp之差，与机会维修空间的范围存在直接密切的关联。在考虑预防性机会维修策略时，需要选取合理的可靠度裕度，在保证零部件和接触网系统可靠性的同时尽可能地将预防性维修变为预防性机会维修，通过减少维修次数降低维修活动的固定费用。

2 不同运行阶段的差异化预防性机会维修策略

2.1 接触网不同阶段的可靠度变化规律

根据可靠性理论，处于不同运行阶段的接触网，其故障率不同，典型的故障失效率曲线如图2所示。

图2 典型故障失效率曲线（浴盆曲线）

在设备的早期失效期内，威布尔分布的形状参数β<1，零部件的累计失效函数在定义域内单调递减，此时设备开始投入运行，系统的各零部件仍然处于磨合阶段，因此失效率较高。

随着工作时间不断增加，各零部件磨合稳定后失效率将逐渐降低到某个水平，并在一段时间内保持稳定。在失效率降低至某一水平并保持稳定后，进入零部件的偶然失效期，该阶段的形状参数β=1，威布尔分布为特殊的指数分布，该阶段失效率的变化趋势比较稳定，可以近似看作常数，零部件处于长期稳定的工作状态，在没有其他外界因素的影响下，能够一直保持正常稳定的工况。

最后，随着工作时间的累积，设备性能也进入磨损老化时期，称为耗损失效期，威布尔分布的形状参数β>1。在该阶段由于设备的磨损、疲劳、老化等原因，零部件的失效率会再次升高，直到换新后进入下一个磨损循环周期。

针对处于不同阶段的接触网，若采用固定的检修策略，将很容易出现“维修过剩”或“维修不足”的情况，不能很好地实现经济性与可靠性的统一。

2.2 接触网不同运行阶段的差异化维修策略

可靠度裕度∆R是对接触网系统进行预防性机会维修的决策基础，与预防性机会维修区间紧密相连。可靠度裕度是零部件i的机会维修可靠度Ro与预防性维修可靠度Rp之差，即

机会维修时间裕度是零部件i的预防性维修时间Tp与机会维修时间To之差，即∆T(i)=Tp(i)-To(i)，两者之间的关系如图3所示。

图3 机会维修裕度 

可靠度裕度∆R(i)与机会维修区间∆T(i)之间的关系为

式中：kR(i)为可靠性函数在点(Tp(i),Rp(i))处切线的斜率。在∆T(i)较小时，可得

由式（8）、式（9）可得

可以看出，kR(i)为尺度参数αi与形状参数βi的函数。

在可靠度函数拟合结果中，对于形状参数β大、尺度参数α小的零部件而言，其可靠度函数的斜率kR较大，对其给定相同可靠度裕度∆R的变化范围内，机会维修的裕度空间∆T较小，能够对该零部件进行机会维修的可能性也更小。反之，对于可靠度函数斜率较小的零部件，能够获得机会维修的空间更大。

图4所示为在相同可靠度裕度下不同阶段机会维修区间的变化。图中在可靠度裕度相同的条件下，T1时刻的可靠度曲线斜率大于T2时刻的可靠度曲线斜率，T1时刻的机会维修区间∆T1小于T2时刻机会维修区间∆T2。

图4 相同可靠度裕度条件下机会维修区间的变化

因此，在接触网运行的初期，故障失效率高，可靠度曲线斜率大，机会维修区间小，零部件相互之间的配合机会少，维修将更为频繁；在接触网运行的中期，运行稳定，可靠度曲线斜率小，机会维修区间大，零部件之间的配合机会多，维修频率可适当降低；而到了接触网运行后期，可靠度曲线斜率再次增加，将导致机会维修区间变小，此时应增加维修次数。

3结语

保证接触网的可靠性是接触网维修的根本目的，预防性机会维修可在保证可靠性的同时减少接触网的维修次数，从而降低维修成本。

接触网投运的早期、稳定期及耗损期，其可靠性变化规律不同，针对不同的运行阶段，采取差异化的预防性机会维修策略，可以进一步减少维修次数，实现接触网的精益化检修。

参考文献

[1] 詹广振.基于可靠性的接触网检修优化研究[D].北京：清华大学，2009.

[2] 陈绍宽.铁路牵引供电系统维修计划优化模型与算法[D].北京：北京交通大学，2007.

[3] 王小峰.基于RCM的铁路牵引供电设备维修模式的研究[D].成都：西南交通大学，2008.