淺析轉(zhuǎn)向架故障診斷技術(shù)在軌道車輛健康管理中的研究與應(yīng)用

高珊 高明亮 周博 孫洪亮 張瑛 中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130062

1 健康管理技術(shù)

健康管理技術(shù)是指通過技術(shù)或管理算法來構(gòu)建和和搭創(chuàng)產(chǎn)品的參數(shù)性能、指標(biāo)、功能模型，來保障與監(jiān)督產(chǎn)品的健康狀態(tài)與設(shè)計(jì)使用性能，通過擬合產(chǎn)品的相關(guān)輸入?yún)?shù)與設(shè)計(jì)檢修相關(guān)數(shù)據(jù)來構(gòu)建產(chǎn)品的性能監(jiān)督模型，通過模型的輸出參數(shù)對產(chǎn)品使用過程中的劣化度進(jìn)行監(jiān)督與評價(jià)，并提供決策建議與結(jié)果給領(lǐng)導(dǎo)決策者進(jìn)行最優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與使用決策。

1.1 軌道車輛健康管理

軌道車輛健康管理技術(shù)是針對軌道車輛整車、關(guān)鍵系統(tǒng)、部件進(jìn)行其安全監(jiān)控與可靠性維護(hù)，通過利用軌道車車輛運(yùn)行、使用、檢修過程中的數(shù)據(jù)來構(gòu)建健康管理模型，實(shí)現(xiàn)對其的運(yùn)行狀態(tài)、使用性能進(jìn)行健康評估，提供最優(yōu)的運(yùn)維決策建議給領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行產(chǎn)品決策與檢修設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1.2 軌道車輛健康管理現(xiàn)狀

為實(shí)現(xiàn)軌道車輛整車、關(guān)鍵系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件的健康管理及對其全生命周期過程中質(zhì)量管控，前人已經(jīng)開展對關(guān)鍵零部件的健康管理研究，但是也存在眾多問題。朱菲基于軸溫?cái)?shù)據(jù)提出基于D-S融合理論的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法[1]，李昌喜針對振動數(shù)據(jù)提供變分模態(tài)分解的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法[2],羅光兵對高速動車組轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷分析進(jìn)行了深入的分析工作[3]。而后，穆世恒又提出智能算法進(jìn)行高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷智能決策方法研究[4]。

在軌道車輛健康管理研究設(shè)計(jì)過程中，存在許多不可預(yù)料的因素，如模型構(gòu)建過程中用戶需求的變化，模型分析設(shè)計(jì)的變化等，所有這些因素都可能會對健康管理模型的構(gòu)建質(zhì)量、診斷精度、系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，因?yàn)榻】倒芾砟Ｐ蜆?gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)化的工程。

2 轉(zhuǎn)向架故障診斷技術(shù)

轉(zhuǎn)向架作為軌道車輛產(chǎn)品研制過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，如何確保配置管理活動的實(shí)時(shí)性、有效性、可控性，從而提高并保證軌道車輛安全性成為開展軌道車輛健康管理活動的關(guān)鍵因素。轉(zhuǎn)向架的各種參數(shù)直接決定了車輛的穩(wěn)定性和車輛的乘坐舒適性。

2.1 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛結(jié)構(gòu)中最為重要的部件之一，其主要作用如下：

1）車輛上采用轉(zhuǎn)向架是為增加車輛的載重、長度與容積、提高列車運(yùn)行速度，以滿足鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要；

2）保證在正常運(yùn)行條件下，車體都能可靠地坐落在轉(zhuǎn)向架上，通過軸承裝置使車輪沿鋼軌的滾動轉(zhuǎn)化為車體沿線路運(yùn)行的平動；

3）支撐車體，承受并傳遞從車體至車輪之間或從輪軌至車體之間的各種載荷及作用力，并使軸重均勻分配。

4）保證車輛安全運(yùn)行，能靈活地沿直線線路運(yùn)行及順利地通過曲線。

5）轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)要便于彈簧減振裝置的安裝，使之具有良好的減振特性，以緩和車輛和線路之間的相互作用，減小振動和沖擊，減小動應(yīng)力，提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性。

6）充分利用輪軌之間的粘著，傳遞牽引力和制動力，放大制動缸所產(chǎn)生的制動力，使車輛具有良好的制動效果，以保證在規(guī)定的距離之內(nèi)停車。

7）轉(zhuǎn)向架是車輛的一個(gè)獨(dú)立部件，在轉(zhuǎn)向架于車體之間盡可能減少聯(lián)接件。

2.2 轉(zhuǎn)向架故障診斷技術(shù)

轉(zhuǎn)向架故障診斷技術(shù)是對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和異常情況作出判斷，并根據(jù)診斷作出判斷為系統(tǒng)故障恢復(fù)提供依據(jù)。要對系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，首先必須對其進(jìn)行檢測，在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，對故障類型、故障部位及原因進(jìn)行診斷，最終給出解決方案，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。就本系統(tǒng)而言，為保證轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)穩(wěn)定性，專門設(shè)計(jì)了故障診斷方案。

2.3 故障診斷模型構(gòu)建

故障診斷模型構(gòu)建是指將與車輛運(yùn)營有關(guān)的信息，包括檢修數(shù)據(jù)、線路運(yùn)行數(shù)據(jù)、天氣等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合清洗，在整個(gè)生命周期中控制對軌道車輛進(jìn)行建模型的分析，在軌道車輛故障診斷模型構(gòu)建過程中做，主要包含如下步驟：

（1）數(shù)據(jù)梳理與清洗：將轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)梳理成系統(tǒng)模型需要的數(shù)據(jù)樣例形式，對異常值、噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

（2）模型搭建與仿真驗(yàn)證：將清洗好的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，分別構(gòu)建模型訓(xùn)練集和測試集數(shù)據(jù)，確定模型的輸入輸出參數(shù)，模型調(diào)優(yōu)參數(shù)。

（3）模型上線運(yùn)行與優(yōu)化：將訓(xùn)練好的模型進(jìn)行上線發(fā)布，通過車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線驗(yàn)證，對結(jié)果驗(yàn)證不理想的進(jìn)行模型參數(shù)調(diào)優(yōu)，保證模型診斷的準(zhǔn)確性，魯棒性。

2.4 故障診斷技術(shù)應(yīng)用

通過利用轉(zhuǎn)向架相關(guān)數(shù)據(jù)搭建轉(zhuǎn)向架故障診斷模型，經(jīng)過臺架試驗(yàn)、離線仿真、數(shù)據(jù)去噪等故障診斷技術(shù)管理是提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要手段。通過現(xiàn)場實(shí)際線路運(yùn)行情況來看，我們構(gòu)建的模型的準(zhǔn)確率達(dá)到了75%，可有效提升軌道車輛的安全預(yù)警與運(yùn)維保障。

3 結(jié)論

本文針對軌道車輛健康管理技術(shù)原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、特點(diǎn)，通過以軌道車輛核心系統(tǒng)-轉(zhuǎn)向架為例，詳細(xì)介紹了健康管理過程中所開展各項(xiàng)活動的具體方法和策略，以及在開展健康管理工作中的關(guān)鍵因素。重點(diǎn)論述了如何確保健康管理的安全性、有效性、穩(wěn)定性，從而提高并保證軌道車輛產(chǎn)品的檢修設(shè)計(jì)優(yōu)化。