基于大數(shù)據(jù)分析的高速動(dòng)車組車輪磨耗統(tǒng)計(jì)分析研究

胡曉依，孫加林，姚建偉，侯茂銳，成棣

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

基于大數(shù)據(jù)分析的高速動(dòng)車組車輪磨耗統(tǒng)計(jì)分析研究

胡曉依，孫加林，姚建偉，侯茂銳，成棣

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

基于大數(shù)據(jù)分析思想，通過(guò)調(diào)用高速鐵路動(dòng)車組檢修數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量車輪鏇修記錄，利用MATLAB工具自編統(tǒng)計(jì)分析程序，對(duì)我國(guó)2條高速鐵路（京滬高鐵、京廣高鐵武廣段）運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組車輪一個(gè)鏇修周期內(nèi)車輪磨耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。大樣本統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，對(duì)于同一條高鐵線路一個(gè)鏇修周期內(nèi)350 km/h速度等級(jí)的高速動(dòng)車組，短編組動(dòng)車組車輪磨耗量均值高于長(zhǎng)編組動(dòng)車組、CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量均值小于CRH380B型動(dòng)車組、CRH3C動(dòng)車組車輪磨耗量均值小于CRH380B。不同高鐵線路相同類型動(dòng)車組車輪磨耗量樣本統(tǒng)計(jì)均值及磨耗量統(tǒng)計(jì)分布也不盡相同。研究結(jié)論對(duì)高鐵輪軌關(guān)系、高速動(dòng)車組車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大意義。

大數(shù)據(jù)分析；高速動(dòng)車組；車輪磨耗；車輪鏇修

當(dāng)前對(duì)我國(guó)主要高速動(dòng)車組車輪磨耗特點(diǎn)和規(guī)律的了解，主要是通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試列車車輪磨耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析研究獲得。該研究方式有不可替代的優(yōu)點(diǎn)，但由于各種條件的限制，所選跟蹤測(cè)試動(dòng)車組列車的樣本數(shù)較少，由此樣本數(shù)據(jù)分析得到的輪軌磨耗特點(diǎn)和規(guī)律有可能缺乏普遍性。為彌補(bǔ)這一不足，嘗試采用大數(shù)據(jù)分析思想，通過(guò)調(diào)用高速鐵路動(dòng)車組檢修數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量車輪鏇修記錄，利用MATLAB工具編制分析程序，研究京滬高鐵、京廣高鐵武廣段開(kāi)行的350 km/h速度等級(jí)高速動(dòng)車組車輪一個(gè)鏇修周期內(nèi)車輪磨耗量的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律[1]。通過(guò)選取京滬高鐵開(kāi)行的CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四種類型動(dòng)車組，京廣高鐵武廣段開(kāi)行的CRH3C、CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B五種類型動(dòng)車組上萬(wàn)個(gè)車輪鏇修記錄作為統(tǒng)計(jì)分析樣本，分析相同高鐵線路不同類型動(dòng)車組、不同線路上運(yùn)行的相同類型動(dòng)車組車輪磨耗特點(diǎn)和規(guī)律。

1 京滬高鐵開(kāi)行的高速動(dòng)車組車輪磨耗統(tǒng)計(jì)分析

京滬高鐵開(kāi)行的動(dòng)車組類型主要包括CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四種，其中CRH380AL、CRH380A型動(dòng)車組車輪踏面為L(zhǎng)MA型，CRH380BL、CRH380B型動(dòng)車組車輪踏面為S1002CN型。京滬高鐵正線軌道結(jié)構(gòu)類型：鋼軌采用U71MnK，鋼軌廓形采用預(yù)打磨設(shè)計(jì)廓形，以CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道為主，配備SKI 15彈條的Vossloh 300-1U扣件。

利用MATLAB編程工具，通過(guò)計(jì)算前次鏇修后滾動(dòng)圓直徑處輪徑減去本次鏇修前滾動(dòng)圓直徑處輪徑的差值，除以2即可求得名義滾動(dòng)圓處的磨耗量，分析得出一個(gè)鏇修周期即鏇修里程在動(dòng)車組規(guī)定計(jì)劃鏇修里程（20萬(wàn)～25萬(wàn)km）范圍內(nèi)京滬高鐵所有類型動(dòng)車組的車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)分布直方圖（見(jiàn)圖1—圖4）。

通過(guò)選取京滬高鐵25列CRH380AL型動(dòng)車組單元、400節(jié)車輛、1 600個(gè)輪對(duì)、3 200個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 987。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.53 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10 mm。由圖1可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)120次，約占總樣本數(shù)的6%。

圖1 京滬高鐵CRH380AL型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

通過(guò)選取京滬高鐵27列CRH380A型動(dòng)車組單元、216節(jié)車輛、864個(gè)輪對(duì)、1 728個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 348。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.58 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 mm。由圖2可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)234次，約占總樣本數(shù)的17%。

圖2 京滬高鐵CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

通過(guò)選取京滬高鐵24列CRH380BL型動(dòng)車組單元、384節(jié)車輛、1 536個(gè)輪對(duì)、3 072個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為3 427。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14 mm。由圖3可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)599次，約占總樣本數(shù)的17%。

圖3 京滬高鐵CRH380BL型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

通過(guò)選取京滬高鐵17列CRH380B型動(dòng)車組單元、136節(jié)車輛、544個(gè)輪對(duì)、1 088個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 170。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.61 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 mm。由圖4可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)242次，約占總樣本數(shù)的21%。

圖4 京滬高鐵CRH380B型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

京滬高鐵CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四種類型動(dòng)車組車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出：（1）同類型短編組動(dòng)車組（CRH380A、CRH380B）車輪磨耗量均值明顯高于長(zhǎng)編組動(dòng)車組（CRH380AL、CRH380BL）。（2）相同編組的動(dòng)車組車型比較，CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量均值小于CRH380B型動(dòng)車組。CRH380AL型動(dòng)車組車輪磨耗量均值比CRH380BL約少7%，CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少5%。

表1 京滬高鐵各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量均值與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比 mm

2 京廣高鐵武廣段開(kāi)行的高速動(dòng)車組車輪磨耗統(tǒng)計(jì)分析

京廣高鐵武廣段開(kāi)行的動(dòng)車組類型主要包括CRH380AL、CRH380A、CRH3C、CRH380BL、CRH380B五種，其中CRH380AL、CRH380A型動(dòng)車組車輪踏面為L(zhǎng)MA型，CRH3C、CRH380BL、CRH380B型動(dòng)車組車輪踏面為S1002CN型。京廣高鐵武廣段正線軌道結(jié)構(gòu)類型：以鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道為主，配備SKI 15彈條的Vossloh 300-1U扣件，全線正線鋼軌采用U71MnK，鋼軌廓形采用預(yù)打磨設(shè)計(jì)廓形[2]。

運(yùn)用MATLAB數(shù)據(jù)分析工具自編程序分析得出1個(gè)鏇修周期即鏇修里程在動(dòng)車組規(guī)定計(jì)劃鏇修里程（20萬(wàn)～25萬(wàn)km）范圍內(nèi)京廣高鐵武廣段所有類型動(dòng)車組的車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)分布直方圖（見(jiàn)圖5—圖9）。

通過(guò)選取京廣高鐵武廣段24列CRH3C型動(dòng)車組單元、192節(jié)車輛、768個(gè)輪對(duì)、1 536個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 643。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.59 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13 mm。由圖5可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)319次，約占總樣本數(shù)的19%。

通過(guò)選取京廣高鐵武廣段23列CRH380AL型動(dòng)車組單元、368節(jié)車輛、1 472個(gè)輪對(duì)、2 944個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 378。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.52 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10 mm。由圖6可以看出：磨耗量＞0.7 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)75次，約占總樣本數(shù)的5%。

通過(guò)選取京廣高鐵武廣段25列CRH380A型動(dòng)車組單元、200節(jié)車輛、800個(gè)輪對(duì)、1 600個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 536。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.62 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10 mm。由圖7可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)319次，約占總樣本數(shù)的21%。

圖5 京廣高鐵武廣段CRH3C型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

圖6 京廣高鐵武廣段CRH380AL型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

圖7 京廣高鐵武廣段CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

通過(guò)選取京廣高鐵武廣段25列CRH380BL型動(dòng)車組單元、400節(jié)車輛、1 600個(gè)輪對(duì)、3 200個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為2 677。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.55 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13 mm。由圖8可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)351次，約占總樣本數(shù)的13%。

圖8 京廣高鐵武廣段CRH380BL型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

通過(guò)選取京廣高鐵武廣段17列CRH380B型動(dòng)車組單元、136節(jié)車輛、544個(gè)輪對(duì)、1 088個(gè)車輪作為研究對(duì)象，編程去除記錄錯(cuò)誤影響因素，實(shí)際有效磨耗量樣本數(shù)為1 037。編程計(jì)算得出車輪磨耗量均值為0.63 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14 mm。由圖9可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現(xiàn)300次，約占總樣本數(shù)的29%。

圖9 京廣高鐵武廣段CRH380B型動(dòng)車組車輪磨耗量分布

對(duì)京廣高鐵武廣段CRH3C、CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B五種類型動(dòng)車組車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，京廣高鐵武廣段各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)規(guī)律與京滬高鐵各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)規(guī)律完全一致：（1）同類型短編組動(dòng)車組（CRH380A、CRH380B、CRH3C）車輪磨耗量均值明顯高于長(zhǎng)編組動(dòng)車組（CRH380AL、CRH380BL）。（2）相同編組的動(dòng)車組車型比較，CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量均值小于B型動(dòng)車組。CRH380AL型動(dòng)車組車輪磨耗量均值比CRH380BL約少5%，CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少2%。

表2 京廣高鐵武廣段各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量均值與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比 mm

另外，CRH3C型動(dòng)車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少6%，由于2種車輛運(yùn)行在相同線路且車輪輪緣踏面完全相同，只是在車輛懸掛參數(shù)上存在差異，為進(jìn)一步開(kāi)展高速動(dòng)車組車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的依據(jù)[3]。

3 對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析

京滬高鐵和京廣高鐵武廣段各種類型動(dòng)車組一個(gè)鏇修期內(nèi)車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)均值對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表3。京滬高鐵和京廣高鐵武廣段各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數(shù)比例對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 京滬高鐵和京廣高鐵武廣段動(dòng)車組車輪磨耗量均值對(duì)比 mm

表4 京滬高鐵和京廣高鐵武廣段動(dòng)車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數(shù)比例對(duì)比 %

由表3、表4綜合分析可以看出：對(duì)于相同類型的動(dòng)車組，2條高鐵線路車輪磨耗量存在一定差異?？紤]到2條高鐵線路鋼軌、扣件類型以及材料均相同，只是在線路平縱斷面以及無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)類型方面存在差別（京滬高鐵為板式無(wú)砟軌道、京廣高鐵武廣段為雙塊式無(wú)砟軌道），建議開(kāi)展高鐵線路全長(zhǎng)范圍的動(dòng)力學(xué)仿真以及軌道結(jié)構(gòu)類型對(duì)輪軌磨耗影響規(guī)律方面的深化研究。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)調(diào)用高速鐵路動(dòng)車組檢修數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量車輪鏇修記錄，利用MATLAB工具編制分析程序，可以較方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪磨耗規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析，該方法可以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)量少、缺乏普遍性的缺陷，同時(shí)還可大大節(jié)省試驗(yàn)成本，為我國(guó)高鐵車輪磨耗規(guī)律的研究提供創(chuàng)新、實(shí)用、可行的研究手段。

（2）對(duì)于同一條高鐵線路運(yùn)行的不同類型的350 km/h速度等級(jí)的動(dòng)車組，1個(gè)鏇修周期內(nèi)各種類型動(dòng)車組的車輪磨耗量樣本統(tǒng)計(jì)均值及磨耗量統(tǒng)計(jì)分布不盡相同，但京滬高鐵和京廣高鐵武廣段分析得出的規(guī)律完全一致，即同類型短編組動(dòng)車組車輪磨耗量均值高于長(zhǎng)編組動(dòng)車組、CRH380A型動(dòng)車組車輪磨耗量均值小于CRH380B型動(dòng)車組，該結(jié)論對(duì)于高速鐵路輪軌關(guān)系深化研究具有重大指導(dǎo)意義。

（3）京廣高鐵武廣段運(yùn)行的CRH3C型動(dòng)車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少6%，由于2種車輛運(yùn)行在相同線路且車輪輪緣踏面完全相同，只是在車輛懸掛參數(shù)上存在差異，這為進(jìn)一步開(kāi)展高速動(dòng)車組車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

（4）對(duì)于不同高鐵線路，相同類型動(dòng)車組車輪磨耗量樣本統(tǒng)計(jì)均值及磨耗量統(tǒng)計(jì)分布不盡相同。例如，京滬高鐵CRH380A車輪磨耗量均值為0.58 mm，而京廣高鐵武廣段CRH380A車輪磨耗量均值為0.62 mm，二者存在一定差異。京滬高鐵鏇修周期在20萬(wàn)～25萬(wàn)km范圍內(nèi)運(yùn)行的各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數(shù)比例約為：CRH380AL 6%、CRH380A 17%、CRH380BL 17%、CRH380B 21%；京廣高鐵武廣段鏇修周期在20萬(wàn)～25萬(wàn)km范圍內(nèi)運(yùn)行的各種類型動(dòng)車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數(shù)比例約為：CRH380AL 5%、CRH380A 21%、CRH380BL 13%、CRH380B 29%、CRH3C19%。建議開(kāi)展高鐵線路全長(zhǎng)范圍的動(dòng)力學(xué)仿真以及軌道結(jié)構(gòu)類型對(duì)輪軌磨耗影響規(guī)律方面的深化研究。

[1]胡曉依，成棣，孫加林，等. 高速輪軌磨耗機(jī)理及 減磨控制技術(shù)措施研究研究[R]. 北京：中國(guó)鐵道科 學(xué)研究院，2016.

[2]刁曉明，朱韶光，董孝卿. 武廣客專動(dòng)車組車輪 磨耗及振動(dòng)性能跟蹤研究[J]. 鐵道機(jī)車車輛， 2013，33(2)：1-6.

[3]黃永達(dá). 武廣客專輪對(duì)磨耗規(guī)律分析[J]. 甘肅科 技，2012, 28(18)：48-49.

On Statistical Analysis of Wear of High Speed EMU Wheels Based on Big Data Analysis

HU Xiaoyi，SUN Jialin，YAO Jianwei，HOU Maorui，CHENG Di
（Railway Science &Technology Research & Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the idea of big data analysis, by referring to the mass records of wheel lathing records in the HS EMU maintenance database and using MATLAB to compile the statistical analysis program, the author analyzes the statistics of wheel wear of EMUs in operation on two high-speed railways within a repair cycle. Statistical analysis of large number of samples shows that for high-speed EMUs with a speed grade of 350 km/h on the same high-speed railway line, the mean value of wheel wear of the short-formation EMUs is higher than that of the longformation EMUs, the mean value of wheel wear of the CRH380A series EMUs is less than that of the CRH380B series, and that of CRH3CEMU is less than CRH380B. Also the mean value and wear statistical distribution of wheel wear samples of EMUs of the same type running on di ff erent high-speed railway lines are not the same. The conclusion of the study is of great signi fi cance to researches on the relationship between wheel and rail of the highspeed railway and the structure design of high-speed EMU trains.

big data analysis；HS EMU；wheel wear；wheel lathing

U279.2

A

1001-683X（2017）12-0013-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.013

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（SY2016G002、J2017G011-C）

胡曉依（1972—），男，副研究員，博士。E-mail: xiaoyihu@126.com

責(zé)任編輯 楊曉莉

2017-11-09