电气化铁路电气化铁路接触网可靠性设计选题

摘要：本文分析接触网系统进行可靠性设计的必要性，对比传统设计方法与可靠性设计方法的区别，提出接触网系统可靠性评价标准及其可靠性分析方法，同时提出一些提高其可靠性水平的建议。
关键词：接触网; 可靠性设计; 失效; 措施
Abstract: This paper analyzed the necessity of catenary system reliability design, differences between the traditional design method compared with the reliability design method, the contact network system reliability evaluation standard and its reliability analysis method, and puts forward some suggestions to improve its reliability level.
Keywords: contact network; reliability design; failure; measures
2095-2104（2013）
接触网沿铁路线路露天架设，通过接触线和受电弓的滑动接触把电能输送给电力机车，是电气化铁路的主要组成部分。由于其所处环境复杂多变，在受电弓和风、霜、雪、冰的作用下，一直处于动态变化之中。与电力系统的架空输电线相比，接触网具有无备用、结构复杂、存在与受电弓的动态相互作用、故障率高等特点。要防止或减少故障发生，必须提高接触网的系统安全可靠性。
可靠性的研究开始于20世纪60年代美国的航天计划，起源于军用电子设备。日本、德国、法国等极其重视接触网可靠性理论与方法体系的研究，对接触网可靠性提出了较明确的指标要求，如欧洲有EN50126《铁路应用-可靠性 可用性 可维护性和安全性技术条件和验证（RAMS）》，德国明确要求电气化铁路系统的可用性要达到0．98以上。而我国目前尚无标准对接触网的可靠性、可用性提出明确要求。接触网系统固有可靠性是在设计阶段确定的，对其开展可靠性研究应首先从设计阶段进行。

一、可靠性设计的必要性

1、接触网零部件和技术更新快，采用没有成熟运营经验的新技术或新产品。

2、接触网整体系统复杂，零部件多，机车运行速度提高，疲劳磨耗严重，发生故障的机会增多。

3、外部环境复杂，如大气污染、风、霜、雪、冰、雷击等导致接触网故障时有发生。

4、零部件和系统可靠性的提高可获得较大的经济效益和社会效益。

二、传统设计方法与可靠性设计方法的比较

1、可靠性出现的原因

传统的零部件设计是以计算安全系数为主要内容的，即零件的安全系数（n）＝零件的强度（F）/零件的应力（S），且强度及压力均为单值来进行计算，但事实并非如此。
虽然有较高的安全系数，但由于材料强度与应力分布并非单值的，因此，当处于某种情况时，应力S>材料强度F，这样零件就可能发生失效。

2、传统的接触网设计方法

传统的接触网设计认为动荷载、静荷载、强度极限、弹性模量、极限应力、剖面惯性矩、机加工尺寸、材料性能等于设计有关的参数或变量，不随时间的变化而变化，设计中使用的是平均值。为了保证机械的可靠性，往往根据经验对影响计算结果的各个参数乘以相应的系数，例如荷载系数、温度系数、工作环境系数、时间系数等。最后还要乘以安全系数，为了保证安全，往往取偏大的安全系数。这就使支持装置结构冗长，重量较重，材料及相关的资源浪费也是非常值得注意的问题；同时也不利于接触网系统的优化设计

3、可靠性设计方法

可靠性设计中，认为所有与设计有关的变量均随时间的变化而变化，并将它们视为属于某种概率分布的统计量。这样设计中就保证了载荷测定的准确性和材料性能的稳定性，从而保证了结构的可靠性。而且可靠性设计对结构的安全系数做了统计分析，这样求得的安全系数就更加贴近实际。

三、接触网可靠性评价标准组成

接触网系统在运行过程中，不仅要承受因机车供电带来的电气负荷，而且还要承受外界环境、弓网接触等产生的机械负荷。接触网失效的因素主要有系统短路引起的过电流、接触线磨损、接触线疲劳、接触网零部件在复杂的环境工况下的松动断裂、绝缘子闪络放电等。
接触网的可靠性定义为接触网各元件在规定的时间内能保持正常工作的能力。它是评估接触网向机车供电稳定性的重要指标之一。
为系统评价接触网可靠性，有必要制定一些评价其可靠性的量化标准。这些标准包括可靠度与不可靠度、失效、瞬时失效率、平均寿命、维修度、可用度等。

1、可靠度R（t）

接触网可靠度可定义为接触网系统或其设备和零部件在给定的条件下和给定的时间内能完成要求的功能的概率。可靠度是时间的函数。可靠度越高，可以无故障工作的时间就越长。
可靠度的计算公式：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，则当对总数为N个零件进行实验，经过t时间后，有NQ（t）件失效，NR（t）件仍正常工作。
该零件的可靠度：
该零件的故障（失效）概率：
2、失效
接触网系统或其设备和零部件，由于各种原因而丧失其正常工作能力的现象，称为失效。

3、瞬时失效率λ（t）

设接触网系统或其设备和零部件在某时刻前未发生失效，在该时刻后的下一个单位时间内失效的概率。反映了某一时刻t残存的零部件在其后紧接着的一个单位时间内失效的零部件数量对时刻t的残存零部件数之比。它能更直观的反映每一时刻的失效情况。

4、平均失效间隔时间

接触网作为可修复系统，平均失效间隔时间指接触网系统或其设备和零部件从修复完成到下次失效的间隔时间。

5、平均修复时间

在规定的条件下和规定的时间内，接触网系统或其设备和零部件维修总时间与修复的失效总数之比。

四、接触网系统可靠性分析

可靠性分析和预测是系统可靠性工程的关键，是系统维修性、安全性、可用性的基础。可靠性分析和预测包括：功能分析和系统失效定义,失效树形分析和块状图表分析，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，压力分析,糟糕情况的预测和可容忍度分析等。
接触网可靠性分析可将接触网视为由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱及基础、补偿装置等部分组成的综合系统。接触网零件发生断裂、破坏、过量磨损及严重变形，无法继续使用，可统称为失效，每个部件失效都影响着接触网正常工作。
接触网零部件失效形式包括：整体断裂，过大

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的残余变形，零件的表面破坏，异常工作条件引起的失效等；接触网系统失效形式包括：系统短路，绝缘子闪络，雷击故障，零部件失效等。

五、提高接触网系统可靠性的措施

1、采用先进的技术标准体系及设计方法

接触网系统或组成部件固有可靠性水平应在设计阶段确定，采用技术水平能达到的较高标准，进行点对点的精确工点设计，在满足技术要求的同时，追求更高的安全性和使用寿命。

2、提高接触网零部件标准化程度

由于接触网零部件工作条件复杂，疲劳破损严重，应尽量采用有成熟运营经验的标准化零部件，便于利用已知的零件失效分析数据，有效降低使用风险，降低使用成本。

3、采用新材料、新工艺时应充分重视结构疲劳寿命

为降低接触网零部件应力集中水平，需对零部件结构的合理性进行了大量研究，一旦产品成熟，基本形状一般不轻易改变。新材料应考虑应用广泛的成熟材料，并针对接触网工况进行专门的工艺处理，以保证其结构疲劳寿命。

4、采用先进的施工方法

重视贯彻标准施工工艺工法和大多采用近乎“机械” 的程序化以及“慢工细活” 的流程，施工前采用工厂预配，专人精确测量，工序按照流程，施工安装作业时间也较充裕，工期有保障。
六、结论
本文根据接触网系统工作环境及其工作特点，分析接触网系统进行可靠性设计的必要性，对比传统设计方法与可靠性设计方法的区别，提出接触网系统可靠性评价标准及其可靠性分析方法。针对目前我国接触网系统尚无明确的可靠性要求的情况，本文对接触网可靠性设计进行了初步研究，提出一些提高其可靠性水平的建议，希望对接触网系统可靠性的提高能起到一定的作用。
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