動(dòng)車組輪對運(yùn)行狀態(tài)檢測及健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅光兵，羅 彥，嚴(yán) 皓，郭富強(qiáng)

（中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 成都動(dòng)車段， 成都 610000）

中國動(dòng)車組已歷經(jīng)10年的迅猛發(fā)展，高速鐵路運(yùn)營里程超過2.2萬km，動(dòng)車組擁有量超過3 000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)列。在引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的戰(zhàn)略基礎(chǔ)上，我國已具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組研發(fā)生產(chǎn)能力。伴隨著動(dòng)車組數(shù)量的不斷增加，如何有效地對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控成為重要研究課題。通過對動(dòng)車組各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、故障診斷以及故障有效處理，能及時(shí)有效地掌握動(dòng)車組的運(yùn)行狀況，制定維修計(jì)劃，保障動(dòng)車組在線安全有序的運(yùn)行，同時(shí)能有效節(jié)約成本，提升安全性能。目前，動(dòng)車組零部件的管理還處于探索階段，未形成一套系統(tǒng)的管理辦法，各基層站段認(rèn)識(shí)上存在差異、管理和維修人員對信息錄入和分析的水平不一致，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)累計(jì)不夠。不同信息系統(tǒng)之間沒有數(shù)據(jù)交換，導(dǎo)致信息孤立，不利于零部件的壽命管理，存在以下問題：信息交互困難；數(shù)據(jù)記錄困難；輪對匹配困難；鏇修方案需要優(yōu)化。

為了探尋軌道車輛輪對的健康管理，專家學(xué)者進(jìn)行了分析，但多限于在管理流程上的分析[1-4]。此外，航空航天器的健康管理思路和策略已有一定的研究基礎(chǔ)，為動(dòng)車組部件的健康管理提供了必要的參考[5-8]?；诖?，本文有針對性地以走行部件系統(tǒng)的輪對為研究對象，構(gòu)建運(yùn)行狀態(tài)檢測及健康管理系統(tǒng)，利用傳感技術(shù)，借助物理模型和數(shù)據(jù)模型，采用智能算法實(shí)現(xiàn)對動(dòng)車組輪對健康狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)測和管理，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)車組維護(hù)不足和維護(hù)過剩的卡控，使檢修體系逐漸由計(jì)劃修過渡到狀態(tài)修，降低維護(hù)成本，提升作業(yè)效率和安全性能。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

目前，動(dòng)車組輪對的檢修方式主要以定期維修和事后維修為主，采用“過度修”預(yù)防故障的發(fā)生，往往造成維修成本增加，效率低下，資源耗費(fèi)嚴(yán)重，引入健康管理策略能有效改變該現(xiàn)狀，提高其維修性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，可以將輪對的健康管理分為3個(gè)板塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，即狀態(tài)檢測、健康評估及預(yù)測、故障診斷及運(yùn)維決策，整個(gè)系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1.1 狀態(tài)檢測

動(dòng)車組建設(shè)經(jīng)過快速發(fā)展，走行部狀態(tài)檢測系統(tǒng)逐步完善，能有效掌握輪對的運(yùn)行狀況。從手段上可分為自檢測系統(tǒng)和輔助檢測系統(tǒng)，如表1所示。

表1 檢測系統(tǒng)配置

動(dòng)車組自帶的傳感系統(tǒng)，可以對部分關(guān)鍵緊急的故障事件進(jìn)行監(jiān)控。如溫度傳感器可以監(jiān)測軸承的變化，在規(guī)定的溫度范圍外給出預(yù)警提示；橫向晃動(dòng)檢測裝置可以對走行部的橫向晃動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，提醒降速運(yùn)行，防止發(fā)生大幅蛇形失穩(wěn)。輔助監(jiān)測分為動(dòng)態(tài)監(jiān)測、定期監(jiān)測以及臨時(shí)監(jiān)測3個(gè)層次，分別在走行線和動(dòng)車所檢修庫內(nèi)進(jìn)行，涵蓋了異音、裂紋及型面尺寸檢測。

軌邊聲學(xué)檢測系統(tǒng)（TADS）安裝在正線上，利用聲音識(shí)別技術(shù)自動(dòng)檢測輪對軸承的故障，及時(shí)有效地給出警示，防止高速運(yùn)行導(dǎo)致的熱軸故障和安全事故發(fā)生。

輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)（LY）安裝在動(dòng)車段入庫的檢測線上，利用光截圖像測量技術(shù)、電磁超聲探傷技術(shù)以及高精度位移測量技術(shù)，在線對輪對外形尺寸參數(shù)、輪對踏面表面缺陷以及表層裂紋等進(jìn)行檢測，及時(shí)為地勤提供參考。

輪輞輪輻探傷系統(tǒng)（LU、LA）安裝在檢修庫內(nèi)，利用超聲探傷技術(shù)能夠檢測輪輞各部位以及輪輻各方向的缺陷狀況。

不落輪鏇修設(shè)備安裝在檢修庫內(nèi)，該設(shè)備可以對踏面尺寸進(jìn)行檢測以及輪對缺陷進(jìn)行鏇修處理。

便攜式輪對尺寸檢測設(shè)備（LB）可針對具體情況對輪對外形狀況進(jìn)行臨時(shí)測量和分析，及時(shí)有效的針對具體問題提出解決方案。

上述系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、層次完善的特點(diǎn)，對輪對的外形幾何參數(shù)、輪對表面及深層次的缺陷全方位、多角度的覆蓋。各設(shè)備操作靈活方便、能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能分析，提升了故障處置效率，保障了輪對的安全質(zhì)量。

1.2 健康趨勢評估及預(yù)測

鑒于目前輪對的自診斷系統(tǒng)的功能簡單，大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)手段有限且部分關(guān)鍵技術(shù)還不完善，無法全面進(jìn)行輪對狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，輪對健康趨勢的評判和預(yù)估的數(shù)據(jù)主要來源于輔助檢測系統(tǒng)。通過對檢測數(shù)據(jù)的分析和處理，建立相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，判斷當(dāng)前輪對的運(yùn)行狀況和后期的發(fā)展趨勢，設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)的超限閥值，實(shí)現(xiàn)對潛在故障隱患的預(yù)判功能。

健康趨勢的評估及預(yù)測主要是利用檢測數(shù)據(jù)的變換趨勢，結(jié)合線路運(yùn)行環(huán)境和輪軌耦合分析進(jìn)行綜合判斷，自動(dòng)預(yù)測輪對線路運(yùn)行狀況，并給出相應(yīng)的預(yù)警提示，排除潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高動(dòng)車的安全運(yùn)行性能，在輪對的全壽命周期管理中提供健康監(jiān)控平臺(tái)。

1.3 故障診斷及運(yùn)維決策

故障診斷及運(yùn)維決策是對檢測數(shù)據(jù)加工分析的智能決策支持平臺(tái)。故障診斷是本模塊的核心，其原理是基于各種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、邏輯推理以及模糊分析的方法對檢測數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立相應(yīng)的狀態(tài)分析和故障診斷模型，形成智能專家分析平臺(tái)，提升故障的判斷效率。運(yùn)維決策是基于故障診斷過程，對輪對故障采用不同的維修策略，如觀察運(yùn)行、鏇修處理以及探傷處理等決策，在保障安全的前提下得到預(yù)防性維修方案，排除潛在故障，恢復(fù)運(yùn)行能力。此外，該模塊對數(shù)據(jù)不斷的積累分析，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)以及深度學(xué)習(xí)等智能化診斷算法，豐富知識(shí)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容，達(dá)到精準(zhǔn)決策的目的。

2 關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)車組輪對運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)以基本履歷數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、日常運(yùn)維數(shù)據(jù)以及線路運(yùn)行的環(huán)境參數(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)清洗，篩選關(guān)鍵數(shù)形成關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，打破信息孤島，將各類數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，為數(shù)據(jù)分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。對于輪對健康管理而言，需要經(jīng)歷長期的數(shù)據(jù)積累和驗(yàn)證分析，有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要研究。

2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要是車載系統(tǒng)、軌道監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。通過局域網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，掌握當(dāng)前輪對的狀態(tài)信息，對踏面損傷、剝離、軸溫超高以及異常振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，以便制定應(yīng)急方案，防止安全事故的發(fā)生。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和有效性是關(guān)鍵，數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)測試和分析技術(shù)也是重點(diǎn)研究的環(huán)節(jié)。

2.2 趨勢分析及預(yù)測

基于輪對狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測，綜合考慮車輪尺寸特征參數(shù)、踏面磨耗特性、損傷程度、輪軌接觸關(guān)系以及等效錐度等變化對整車安全性、穩(wěn)定性以及平穩(wěn)性的影響，結(jié)合線路條件、環(huán)境以及輪對特征提出健康狀態(tài)綜合指標(biāo)，從而對輪對的磨耗趨勢和故障狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)使用情況合理制定檢修計(jì)劃，可以有效節(jié)約資源，提高車輛的安全性能。

2.3 故障診斷算法

故障診斷是基于狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)信息庫，針對輪對運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。采用KNN法、K-means法、PCA分析以及因子分析等數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)、挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律，結(jié)合對應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型對故障狀態(tài)以及故障發(fā)生的趨勢進(jìn)行充分論證，對故障進(jìn)行定位、定量和定因分析，并針對運(yùn)用環(huán)境提出故障處置方法。通過故障診斷模型的建立，輔助人工及時(shí)有效的排除故障，能有效提高作業(yè)效率。其技術(shù)難點(diǎn)在于數(shù)學(xué)模型的建立和修正，算法的合理性也是提高故障診斷精度和效率的重要保障。

2.4 鏇修方案制定

輪對的鏇修是健康管理中的重要環(huán)節(jié)，既要保證安全質(zhì)量又要降低鏇修成本。因此，鏇修方案的合理性是輪對使用壽命的決定性因素。根據(jù)輪對狀態(tài)檢測設(shè)備功能，可有效計(jì)算鏇修前的輪緣厚度、輪緣高度、運(yùn)行中的輪徑磨耗量以及運(yùn)行中踏面基線上逐點(diǎn)的磨耗量分布情況。綜合全列車的輪對進(jìn)行綜合判斷，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，自適應(yīng)地調(diào)整與之最適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輪踏面外形，且保證標(biāo)準(zhǔn)輪踏面曲線的連續(xù)與光滑。通過優(yōu)化方案的實(shí)施，可以計(jì)算出需要的最優(yōu)輪徑鏇修量、鏇修制約點(diǎn)的位置坐標(biāo)、鏇修損耗與運(yùn)行磨耗的比例系數(shù)、輪徑鏇修量與輪緣厚度恢復(fù)量的比例系數(shù)等決策指標(biāo)。同時(shí)，鏇修過程中滿足同軸原則、同架原則和同單元原則。

隨著綜合管理程度的不斷提高，更多的管理需求要通過運(yùn)行狀態(tài)檢測及健康管理系統(tǒng)平衡。數(shù)據(jù)量的增加、模型修正、算法優(yōu)化以及系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程度更加復(fù)雜，使得該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善。針對輪對的運(yùn)維管理、健康評價(jià)以及申購計(jì)劃等現(xiàn)狀和技術(shù)條件，制定了如圖2所示的輪對管理流程。

圖2 輪對管理流程

3 輪對健康管理實(shí)例

動(dòng)車組輪對健康管理是相對復(fù)雜的過程，涉及內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)的篩選以及邏輯推理，需要建立完善的物理模型和精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型才能有效地對輪對狀況進(jìn)行判斷。

本節(jié)以輪對鏇修為例進(jìn)行分析，其流程如圖3所示。通過鏇修方案的選擇，可以降低輪對鏇修量，增加運(yùn)行里程，提高經(jīng)濟(jì)效益。以現(xiàn)有某型動(dòng)車組為例，采用鏇修策略后，輪對的鏇修量得到緩減，相對節(jié)約量在25%左右，如圖4所示。若考慮全周期壽命管理進(jìn)行推測，可增加2個(gè)鏇修周期，有效延長了輪對使用壽命。

圖3 輪對鏇修流程

圖4 輪對鏇修分析

4 結(jié)束語

本文對動(dòng)車組輪對運(yùn)行狀態(tài)檢測及健康管理系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了分析，介紹了構(gòu)建該系統(tǒng)的重要性和必要性。影響輪對健康的因素很多，各要素之間的關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。目前，系統(tǒng)還處于完善階段，需要不斷地對健康狀態(tài)進(jìn)行有效分析，建立合理精準(zhǔn)的分析模型。