多状态多模式受电弓机械系统混合可靠性模型研究

摘要

当今世界，高速铁路迅速发展。我国通过新建快速客运专线、大力加强既有线路的技术改造，大幅度提高了列车的运行速度。但是随之而来的弓网相互作用加剧，受电弓在规定使用寿命内出现裂纹、断裂、磨损等严重故障，导致高速列车维护成本增加，弓网使用可靠度降低，影响列车的正常运行和行车安全。因此开展受电弓可靠性研究具有很强的理论意义和工程背景。而受电弓可靠性研究既不同于传统机械设计方法，也不同于传统电子系统可靠性理论方法，研究表明，高速运营的受电弓机械系统具有多状态、多模式、模式相关、部件相关等诸多特点。目前少有研究者对受电弓可靠性展开研究，若沿用传统的二值独立假设的可靠性研究方法忽略受电弓系统多状态多模式的特征，又会导致忽略不同失效模式之间的相关性以及忽略功能退化和故障隐患状态，导致误差过大，甚至造成危及安全的事故。因此本文针对受电弓系统的多状态多模式特征，基于混合理论，开展了受电弓设计、使用、储备和维修等四个阶段的可靠性研究工作。
　　受到国家重点基础研究发展规划（973计划）项目“高速列车安全服役关键基础问题研究”(2007CB714703)，“十一五”国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究与装备研制”，“优秀国家重点实验室研究项目”(50823004)等项目的资助，本文主要开展了以下几方面的研究工作:
　　(1)详细论述了国内外机械系统可靠性研究的历史和现状，受电弓机械系统可靠性研究中的几个关键因素，明确了受电弓系统可靠性研究的意义和方向。
　　(2)定义新的多状态多模式机械系统，并给出相应的表示方法;引入混合理论的定义、基本理论和性质，介绍几类经典的混合分布;为后面受电弓机械系统可靠性研究提供理论基础。
　　(3)建立了受电弓部件静应力计算方法，用多状态多模式应力强化系数修正静应力计算结果获得了多状态多模式部件静应力;在计算得到多状态多模式静应力的基础上建立部件可靠性安全系数设计方法，以及基于可靠性的部件截面优化算法。把多状态多模式受电弓部件静强度可靠性设计方法应用于我国自主开发的某高速受电弓，证明此方法的有效性。
　　(4)建立了失效模式相关的受电弓部件动应力计算方法，获得了多状态多模式部件的动应力;建立考虑模式相关的部件寿命可靠性模型，预测给定可靠度的部件寿命和给定寿命的部件可靠度。比较受电弓单模式两状态部件可靠性预测结果和多状态多模式部件可靠性预测结果表明，多状态多模式寿命可靠性预测模型给出的预测结果更符合线路运营统计结果。
　　(5)考虑部件相关性，建立了多状态多模式串联、并联以及储备系统可靠性模型。比较部件独立假设的系统可靠性预测结果和部件相关的系统可靠性预测结果，考虑部件失效相关的可靠性预测方法更符合实际。
　　(6)根据线路运营中受电弓失效数据建立了多状态多模式受电弓部件寿命分布估计方法;建立多状态多模式受电弓系统故障树理论，能够分析系统失效的原因，以及部件状态退化可能导致的危害;建立多状态多模式年龄更换策略，以及基于Weibull分布的时间检测策略，制订受电弓部件的更换策略和重点部件的检测策略。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 可靠性工程的发展

1．2．2 机械系统可靠性研究进展

1．2．3 受电弓机械系统可靠性研究中的几个关键因素

1．3 主要研究内容和研究方法

1．3．1 论文主要研究内容和结构组织

1．3．2 论文研究思路和技术路线

第2章 多状态多模式机械系统定义及其可靠性分析的混合基础知识

2．1 多状态多模式机械系统定义

2．1．1 多状态多模式机械系统特征

2．1．2 多状态多模式机械系统定义及表示方法

2．2 混合分布简介

2．3 混合分布定义和基本定理

2．4 混合分布基本性质

2．4．1 混合分布失效率的界

2．4．2 混合分布的极限失效率

2．5 几类经典的混合分布

2．5．1 正态(Gauss)混合分布

2．5．2 截尾正态混合分布

2．5．3 韦布尔(Weibull)混合分布

2．5．4 指数型混合分布

2．6 本章小结

第3章 受电弓部件可靠性设计

3．1 安全系数设计

3．1．1 经典数值型安全系数与零件可靠度

3．1．2 多状态多模式可靠度

3．1．3 多状态多模式部件可靠度敏感度分析

3．2 受电弓框架截面的可靠性优化设计方法

3．2．1 受电弓框架部分载荷简化

3．2．2 上臂杆截面优化设计算法

3．2．3 下臂杆截面优化设计算法

3．2．4 拉杆截面优化设计算法

3．2．5 转轴截面优化设计算法

3．3 受电弓框架可靠性设计方法应用

3．3．1 受电弓材料概率特性

3．3．2 受电弓载荷概率特性

3．3．3 考虑可靠度的受电弓部件的安全系数和截面设计

3．4 本章小结

第4章 受电弓部件疲劳寿命可靠性预测模型

4．1 考虑多状态多模式的受电弓动应力仿真方法

4．1．1 有限元瞬态分析理论

4．1．2 受电弓有限元模型

4．1．3 实验获得多状态多模式应力增强因子

4．1．4 实例

4．2 多状态多模式受电弓疲劳寿命可靠性模型

4．2．1 理论基础

4．2．2 多状态多模式部件寿命预测算法

4．2．3 多状态多模式部件的可靠度预测算法

4．2．4 受电弓疲劳可靠性预测算例

4．3 参数时变的受电弓部件可靠性模型

4．3．1 受电弓失效分析

4．3．2 弓头弹簧参数测试方法

4．3．3 载荷计算模型

4．3．4 参数时变的受电弓疲劳寿命算法

4．3．5 考虑参数时变的受电弓寿命可靠性预测实例

4．4 本章小结

第5章 受电弓系统可靠性预测理论及应用

5．1 受电弓系统中串联结构的可靠性预计模型

5．1．1 多状态多模式部件失效相关的串联系统可靠性预计模型

5．1．2．受电弓串联结构可靠性预计模型

5．1．3 多状态多模式串联系统可靠性模型实例

5．2 受电弓系统中并联结构的可靠性预计模型

5．2．1 多状态多模式部件失效相关的并联系统可靠性预计模型

5．2．2 受电弓并联子系统可靠性预计模型

5．2．3 并联系统可靠性模型在受电弓上的应用

5．3 受电弓系统中储备冗余结构的可靠性预计模型

5．3．1 多状态多模式的冷储备系统可靠性模型

5．3．2 多状态多模式的温储备系统可靠性模型

5．4 本章小结

第6章 受电弓系统维修策略

6．1 受电弓部件寿命分布函数参数估计

6．1．1 选择分布函数

6．1．2 参数估计

6．1．3 参数估计在受电弓上的应用

6．2 多状态多模式受电弓系统故障树分析

6．2．1 受电弓系统分析

6．2．2 顶端事件T的选取

6．2．3 受电弓部件故障及编码

6．2．4 建立多状态多模式故障树

6．2．5 多状态多模式故障树的数学描述

6．3 多状态部件年龄更换策略

6．3．1 年龄更换策略分析

6．3．2 年龄更换策略

6．3．3 年龄更换策略在受电弓上的应用

6．4 Weibull分布的时间检测策略

6．4．1 Weibull分布时间检测策略分析

6．4．2 Weibull分布部件时间检测策略

6．4．3 时间检测策略在受电弓上的应用

6．5 本章小节

第7章 结论与展望

7．1 论文主要研究工作和结论

7．2 论文主要创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文与科研实践