城市轨道交通能馈式牵引供电系统可靠性、疲劳损伤评估及维护维修方法研究

论文摘要

能馈式牵引供电系统由于其特有的双向能量流动特性以及完全可控的交直流特性,较之传统牵引供电系统有着突出的优势。牵引供电系统为城轨车辆提供直流牵引电源,在整个城轨交通系统中具有举足轻重的作用。因此保证供电系统的运行可靠性是至关重要的。本文从以可靠性为中心的维修理论(RCM)出发,应用数学建模方法以及疲劳的累积损伤理论、系统的动态优化方法,对城轨能馈式牵引供电系统可靠性建模、疲劳损伤评估方法和维护与维修动态优化方法进行了深入研究。对能馈式牵引供电系统进行合理分层并分别建立其可靠性模型。将能馈式牵引供电系统可靠性评估过程划分为三个层次进行研究,通过对比研究详细分析能馈式牵引供电系统与传统牵引供电系统相比在可靠性上的差别和特殊性,提出提高系统可靠性的措施。基于拓扑等效原理将系统的不同工况下的可靠性研究问题等效为不同串、并联拓扑下的可靠性建模问题,得到相应的可靠度表达式；基于累积损伤理论,提出能馈式牵引供电系统的疲劳损伤评估方法,并据此建立了能馈式牵引供电系统的疲劳损伤评估模型。分析了累积损伤度的定义方法及其在系统疲劳损伤评估过程中的关键作用,并通过对累积损伤度的分析计算实现了对能馈式牵引供电系统内的关键部件(电解电容、变压器、直流断路器、接触网等)以及系统整体的疲劳损伤评估。最后阐述了基于系统运行档案的疲劳损伤评估模型参数修正策略。将动态维修方法和动态优化理论应用于能馈式牵引供电系统中,运用动态检修模型选择系统的维修模式,在牵引供电系统部件使用寿命及可靠性水平已知的条件下,动态优化牵引供电系统的维护与维修范围。对高可靠性和低维修费用进行多目标规划,得出基本的预防性维护与维修间隔策略,分析牵引供电系统的动态维修过程、确定动态检修周期。优化过程中随着系统的实际运行情况实时进行,得到最佳维护与维修周期,以保证系统的可靠性最大、运行效率最高和维护维修费用最少。在研究过程中,本文通过建立能馈式牵引供电系统的可靠性模型,首先推导出内各关键部件与系统整体疲劳损伤的相互关系并分析出各自的影响因素；然后使用累积损伤度表征疲劳损伤影响因素的实际作用历程及其累积效果,完成各关键部件和系统整体的疲劳损伤估计；最后基于系统的疲劳损伤变化规律通过动态寻优的方法确定能馈式牵引供电系统的最优维护维修范围和间隔。本文的研究成果首次在能馈式牵引供电系统在可靠性和高性能维护和维修方法方面做了有益的研究与尝试,相信在城轨交通新型牵引供电系统中能够起到积极的作用。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究方法和现状
• 1.2.1 牵引供电系统的可靠性建模研究和应用现状
• 1.2.2 累积损伤理论的研究和应用现状
• 1.2.3 以可靠性为中心的维修理论的研究和应用现状
• 1.3 论文主要工作
• 2 能馈式牵引供电系统的可靠性分析与建模
• 2.1 可靠性及可靠性的评价指标
• 2.2 现有牵引供电系统的可靠性情况及提高可靠性的措施
• 2.3 能馈式牵引供电系统可靠性的分层研究及与二极管式牵引供电系统的对比
• 2.3.1 可靠性分层原则
• 2.3.2 层次二和层次三的可靠性分析
• 2.3.3 层次一的可靠性分析
• 2.4 能馈式牵引供电系统的元件级可靠性建模方法
• 2.5 能馈式牵引供电系统的可靠度计算
• 2.5.1 串、并联系统的可靠度
• 2.5.2 能馈式牵引供电系统的供电方式拓扑等效及其可靠度计算
• 2.5.3 运行拓扑对能馈式牵引供电系统可靠性的影响
• 2.6 本章小结
• 3 基于累积损伤理论的能馈式牵引供电系统疲劳损伤评估方法研究
• 3.1 应用于电气设备的累积损伤理论
• 3.1.1 元器件的疲劳寿命、疲劳特性曲线和失效率曲线
• 3.1.2 元器件的有限寿命设计原理和Miner法则
• 3.2 能馈式牵引供电系统的累积损伤度分析
• 3.2.1 累积损伤度与部件疲劳损伤的关系
• 3.2.2 能馈式牵引供电装置内直流电解电容的累积损伤度分析
• 3.2.3 整流变压器的累积损伤度分析
• 3.2.4 直流断路器的累积损伤度分析
• 3.2.5 接触网的累积损伤度分析
• 3.2.6 能馈式牵引供电系统的总体累积损伤度分析及参数修正方法
• 3.3 本章小结
• 4 能馈式牵引供电系统的维护与维修动态优化理论及方法
• 4.1 基本维护与维修策略
• 4.1.1 维护与维修方式
• 4.1.2 最佳维修周期（检测周期）
• 4.2 检修范围的优化
• 4.2.1 能馈式牵引供电系统设备和元器件的可靠性矩阵
• 4.2.2 现有的维护与检修范围确定方法
• 4.3 基于可靠度的维护与维修范围确定方法
• 4.4 能馈式牵引供电系统的动态维护与维修
• 4.4.1 维护与维修间隔时间
• 4.4.2 动态维护与维修模型
• 4.4.3 维护与维修间隔的动态确定方法
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 公式符号表
• 附录B 实验系统图
• 作者简历
• 学位论文数据集