1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 005基于 WPHM 的动车组牵引传动系统可靠性分析赵志龙1，齐金平1，2，3，刘一鸣1，燕大强4(1 兰州交通大学 机电技术研究所，兰州 730070;2 甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心，兰州 730070;3 甘肃省物流与运输装备行业技术中心，兰州 730070;4 中国铁路兰州局集团有限公司，兰州 730070)摘要:
2、提出了一种考虑天气因素的威布尔比例故障率模型(WPHM)，采用威布尔分布的基准故障率函数，构建能够反映动车组外部运行环境的天气因素协变量，建立牵引传动系统的部件 WPHM，利用遗传算法进行模型参数估计，依据所估计参数得出正常天气状态和恶劣天气状态下各部件的故障率和可靠度。实例研究表明，当牵引传动系统各部件均处于耗损失效期，部件均不同程度受天气因素影响，其中影响程度较大的部件有 M2S 车牵引电机及冷却风机，TP 车主断路器，TPB 车主断路器，MH 车牵引电机及冷却风机等;不同天气状态下系统各部件的故障率和可靠度随服役时间推移均有明显变化，尤其恶劣天气状态下部件故障率更高，可靠度更低。因此，模
3、型能有效地度量天气因素对部件可靠性的影响，为运用维修决策提供理论依据。关键词:牵引传动系统;威布尔比例故障率模型;天气因素;可靠性分析;动车组中图分类号:U 266文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0021 05收稿日期:2022-06-27基金项目:国家自然科学基金项目(71861021);甘肃省重点研发项目(17YF1FA122);甘肃省高等学校科研项目(2018A-026，2018C-10);铁路总公司科研计划课题(2015T002-D)作者简介:赵志龙(1996 )，男，山西大同人，硕士生，研究方向为动车组可靠性建模与分析。Tel:17361605118;E-
4、mail:906620449 qq com通信作者:齐金平(1978 )，男，山东诸城人，副教授，主要研究动车组部件可靠性建模分析、动车组部件剩余寿命等。Tel:18693104867;E-mail:qijinping mail lzjtu comeliability Analysis of Electric Multiple Units Traction Drive SystemBased on Weibull Proportional Hazards ModelZHAO Zhilong1，QI Jinping1，2，3，LIU Yiming1，YAN Daqiang4(1 Mechatro
5、nics T Institute，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2 Gansu ProvincialEngineering Technology Center for Informatization of Logistics Transport Equipment，Lanzhou 730070，China;3 Gansu Provincial Industry Technology Center of Logistics Transport Equipment，Lanzhou 730070，China;4 China ailw
6、ay Lanzhou Group Co，Ltd，Lanzhou 730070，China)Abstract:A Weibull proportional hazards model(WPHM)considering weather factors is proposed，using the baselinehazards rate function with Weibull distribution，by constructing weather factor covariates reflecting the external operatingenvironment of electric
7、 multiple units，establishing the WPHM of traction drive system components，estimating the modelparameters using genetic algorithm，and deriving the hazards rate and reliability of each component under normal weatherconditions and severe weather conditions based on the estimated parameters A case study
8、 shows that the components ofthe traction drive system are in the wear and tear period，and the components are affected by weather factors to varyingdegrees，among which the components with greater impact are the traction motor and cooling fan of M2S car，the maincircuit breaker of TP car，the main circ
9、uit breaker of TPB car，the traction motor and cooling fan of MH car，etc Thehazards rate and reliability of system components in different weather conditions change significantly with service time，and the hazards rate of components in severe weather conditions in higher and reliability is lower There
10、fore，the model第 42 卷can effectively measure the influence of weather factors on the reliability of the components and provide a theoreticalbasis for applying maintenance decisionsKey words:traction drive system;Weibull proportional hazards model;weather factor;reliability analysis;electricmultiple u
11、nits0引言兰新客运专线动车组由于长期面临复杂的运行环境，各关键系统的可靠性均受到不同程度恶劣天气的影响，给相关部件或设备的服役性能带来严峻考验。牵引传动系统既是动车组能量传递与转换的关键组成部分之一，也是动车组高发故障的主要来源之一，牵引传动系统失效将导致动车组的稳定运行，传统的评估方法难以客观评估不同天气状态下的系统可靠性。因此，为得到更准确地描述时间及环境相依的牵引传动系统可靠性指标，需建立全量化外部天气因素的系统可靠性分析模型。牵引传动系统可靠性分析是目前高速列车可靠性及故障诊断领域的热点问题之一，对其研究已经取得一定的成果，文献 1中建立了牵引传动系统重要组成元件的马尔科夫链，获得
12、系统可靠度随时间的变化曲线。文献 2 中对动车组牵引系统故障分布规律的分析方法进行了对比分析，提出根据系统故障样本数量来选取分析方法。文献 3 中结合京津城际高速铁路某 CH3 型动车组历史运行数据，用蒙特卡罗模拟-元胞自动机算法，分析牵引传动系统的可靠度和可用度。文献 4中依据动车组牵引传动系统的组成结构、工作原理和逻辑关系等，建立了牵引传动系统可靠性分配模型，对各部件进行可靠性预分配。以上研究均没有将天气因素作为可靠性评估中的重要尺度之一，为得到更准确的评估结果，部分学者开始考虑天气因素进行部件可靠性分析。文献 5 中针对兰新线强风沙环境对动车组塞拉门故障的影响特性，利用威布尔分布函数确定
13、预防性维修保养周期。文献 6 中为准确地描述时间及环境相依的电网故障率，建立了不同时间尺度和不同气象灾害类型下的元件故障模型。文献 7 中提出一种考虑天气状态影响的高速铁路接触网系统可靠性评估方法，得到接触网系统各类元件不同天气状态下的故障率与修复率。上述研究均不同程度地体现了雷雨、风沙和冰雪等天气因素，对系统或部件进行可靠性评估时存在不可忽视的影响。因此，对动车组牵引传动系统可靠性分析时需要考虑外部天气因素。为综合考虑部件或设备运行中的复杂因素，部分研究采用威布尔比例故障率模型(Weibull ProportionalHazards Model，WPHM)进行了相关研究。文献 8 中将振动信
14、号特征作为协变量，提出一种设备状态振动特征的 WPHM 可靠性评估的新方法，能够提供有效的可靠性评估。文献 9 中针对装备的实际寿命受到多种复杂因素影响的情况，以 WPHM 为基础，建立了反应装备状态的可靠度模型。文献 10中提出一种应用比例风险模型进行剩余寿命的预测方法，以威布尔分布作为基准失效函数，环境应力作为协变量，建立威布尔比例风险模型，提高了剩余寿命预测的准确性。以上研究表明 WPHM 能够有效地描述运行中的复杂因素对部件或设备的影响。本文提出一种考虑天气因素的 WPHM，采用威布尔分布的基准故障率函数，构建能够反映动车组外部运行环境的天气因素协变量，建立牵引传动系统的部件 WPHM
15、，利用遗传算法进行模型参数估计，对系统服役故障数据和外部运行环境天气数据分析，评估高发故障部件的可靠性，从而得到能准确地表征系统各部件运行过程天气因素的可靠性评估指标，度量天气因素对部件可靠性的影响，为运用维修决策提供理论依据。1考虑天气因素的 WPHM 模型本文提出考虑天气因素 WPHM 模型的框架如图1 所示。模型建立所需基础数据由两部分组成:系统服役故障数据;系统外部运行环境天气数据。由基础数据可以得到部件(X1，X2，Xi)威布尔分布参数以及天气协变量回归参数，最终获得牵引传动系统各部件可靠性分析模型。图 1考虑天气因素 WPHM 模型的框架22第 2 期赵志龙，等:基于 WPHM 的
16、动车组牵引传动系统可靠性分析1.1WPHM 模型比例 故 障 率 模 型(Proportional Hazards Model，PHM)11 是一种适用性很强的寿命数据统计分析方法，也是一种利用协变量进行失效分析的半参数回归模型，协变量能够表示内外部影响因素，且将各因素对设备的乘积效应考虑到故障率模型中，因此，该模型近年来在可靠性领域被广泛使用。PHM 的基本形式为h(t，Z)=h0(t)exp(Z)(1)式中:h(t，Z)为故障率;h0(t)为仅与时间有关的基准故障率;Z 为反映设备运行状态的协变量;为协变量回归参数;t 为运行时间。动车组牵引传动系统各部件的失效模型有指数分布、正态分布和威布尔分布等，如果采用多种失效分布模型对各部件可靠性分析，将难以对各部件的失效规律统一度量。其中威布尔分布通过调整形状参数、位置参数和尺度参数描述样本数据的变化情况，使其具备了较强的适应能力，而且能够全面的描述浴盆曲线的各个阶段，较好地分析大部分机电类产品的寿命分布规律，被广泛应用于机械部件、电子元器件的可靠性分析 12。鉴于威布尔分布的上述特点，本文选用威布尔分布作为基准故障率函数，采用 WPHM
