漏斗車檢修PHM數(shù)據(jù)分析

郭丹丹， 趙 明

（中車太原機(jī)車車輛有限公司科技管理部， 山西 太原 030026）

引言

為更好地了解車輛產(chǎn)品運(yùn)用過程中產(chǎn)生故障前功能部件的參數(shù)數(shù)據(jù)變化，降低產(chǎn)品質(zhì)量保證期或產(chǎn)品壽命期內(nèi)發(fā)生故障的可能性，并在產(chǎn)品故障發(fā)生之前便提醒使用者進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，提升產(chǎn)品使用率，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)，提出了產(chǎn)品的故障預(yù)測與健康管理理論。在眾多理論中主要以產(chǎn)品使用過程中影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵部件狀態(tài)變化為研究對象，在關(guān)鍵部件上安裝有各類傳感器和數(shù)據(jù)采集發(fā)送系統(tǒng)，通過后臺軟件對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；其次是通過產(chǎn)品在各階段檢修過程中檢修內(nèi)容和影響產(chǎn)品性能的故障進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)分析，分析出產(chǎn)品使用壽命期內(nèi)關(guān)鍵部件狀態(tài)規(guī)律，并根據(jù)分析規(guī)律提出產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)意見。鐵路貨車作為我國大宗貨物運(yùn)輸?shù)妮d體，其安全性和可靠性一直是鐵路運(yùn)輸部門和設(shè)計(jì)、制造單位關(guān)注的重點(diǎn)。借用現(xiàn)今快速發(fā)展的信息化技術(shù)、通訊技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)，建立大數(shù)據(jù)分析健康管理平臺，對于鐵路貨車設(shè)計(jì)、制造、檢修、運(yùn)用等各個(gè)方面的工作均具有指導(dǎo)意義[1]。

1 國內(nèi)鐵路貨車健康管理研究現(xiàn)狀

1.1 國鐵貨車HMIS系統(tǒng)

鐵路貨車技術(shù)管理信息系統(tǒng)（HMIS）是為鐵路貨車技術(shù)管理提供宏觀決策信息和生產(chǎn)組織、質(zhì)量控制及信息服務(wù)的各種資源設(shè)備統(tǒng)一規(guī)劃的應(yīng)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊技術(shù)并引進(jìn)科學(xué)的管理方法和系統(tǒng)化的開發(fā)方法的人—機(jī)系統(tǒng)。HMIS系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)分為信息應(yīng)用管理層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供層，信息應(yīng)用管理層由鐵道部運(yùn)輸局裝備部、各鐵路局車輛處及各車輛段、車輪廠、新造、廠修工廠等的管理層組成，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供層由各車輛段、廠的車間層組成，預(yù)留可擴(kuò)展到工位的數(shù)據(jù)接口。

1.2 專項(xiàng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析

國鐵集團(tuán)根據(jù)HMIS數(shù)據(jù)庫反映的一段時(shí)間內(nèi)鐵路故障高發(fā)的情況，針對故障配件展開了專項(xiàng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析工作。其中主要針對制動(dòng)缸故障、手制動(dòng)拉桿緩解不良、120閥故障、車輪磨耗和鋼結(jié)構(gòu)腐蝕磨耗情況，組織各鐵路貨車和配件設(shè)計(jì)主導(dǎo)廠在工廠內(nèi)部和鐵路站段車間進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)故障類型和損壞初步情況的統(tǒng)計(jì)分析情況，提出了主動(dòng)潤滑制動(dòng)缸、改進(jìn)型120閥等配件方案，提出了手制動(dòng)拉桿加強(qiáng)筋加長并完成整治工作方案，規(guī)范了制動(dòng)系統(tǒng)組裝。

1.3 中車貴陽公司智慧貨修綜合管理平臺

貴陽公司2017年在當(dāng)?shù)卣С窒?，開發(fā)了智慧貨修綜合管理平臺，形成了對鐵路貨車廠修大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用的框架設(shè)想。目前，該公司已將生產(chǎn)過程條碼系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)、BI數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)相結(jié)合。該檢修數(shù)據(jù)平臺將多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)間傳輸連通，使得數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為各系統(tǒng)軟件所調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)啟用保質(zhì)期管理和批次管理；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警管理，降低配件報(bào)廢率。由于平臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)增加了檢修車輛檢修部位的故障類別（比如腐蝕超限、變形超限、配件裂紋等）和檢修方法（比如更換、分解修理）等內(nèi)容，可對發(fā)生的系統(tǒng)性及批量性故障及時(shí)進(jìn)行分析和提出檢修方案，并給主導(dǎo)設(shè)計(jì)單位提供改進(jìn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)支撐。未來系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算修復(fù)該故障所需工時(shí)和材料，判斷修程；財(cái)務(wù)人員只需將當(dāng)月預(yù)算和單價(jià)錄入系統(tǒng)，由系統(tǒng)按照車型、材料成本、動(dòng)能、工資、工資附加、制造費(fèi)用等自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析出各種報(bào)表，實(shí)現(xiàn)所有車輛的成本清晰體現(xiàn)，提升成本管控能力。

1.4 各類研究對比分析（見下頁表1）

通過上述分析，目前國鐵集團(tuán)建立的國鐵貨車HMIS和安全監(jiān)測（5T）系統(tǒng)是成熟且數(shù)據(jù)量已能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，其他系統(tǒng)及平臺均處于框架建設(shè)和構(gòu)想之中或采集的數(shù)據(jù)量有限。但由于各自系統(tǒng)的研究側(cè)重點(diǎn)不同，采用的分析系統(tǒng)和分析方法有所區(qū)別，也各自有自身的優(yōu)勢和缺陷。

表1 鐵路貨車數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)對比研究

2 漏斗車檢修故障統(tǒng)計(jì)分析情況

以KM70型煤炭漏斗車、KZ70型石砟漏斗車為樣本，將漏斗車鋼結(jié)構(gòu)和漏斗車傳動(dòng)系統(tǒng)、底門結(jié)構(gòu)為統(tǒng)計(jì)對象，結(jié)合廠、段修規(guī)程中的檢修項(xiàng)目，明確其主要結(jié)構(gòu)部位，將車輛鋼結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)故障形式和可能產(chǎn)生的原因、處理方法進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)過對一年200余輛車的統(tǒng)計(jì)分析，情況及效果如下：

2.1 KM70型煤炭漏斗車改進(jìn)設(shè)計(jì)情況

拉桿丟失、拉桿根部開裂故障率較高，占比50%；研究了KM70型煤炭漏斗車?yán)瓧U根部開裂成因，主要是根部連接方式為焊接方式，會有殘余應(yīng)力且在煤覆蓋下易產(chǎn)生腐蝕裂紋。改進(jìn)措施：將固定座與拉桿焊接方式改為鉸接方式，改進(jìn)方案已應(yīng)用于新造車輛上。

連系梁與側(cè)梁部位焊縫開裂故障率較高，占比大于32%；進(jìn)行成因分析，該處應(yīng)力值較大，漏斗腐蝕及側(cè)梁剛度變化對其影響較大。改進(jìn)措施：在側(cè)梁與連系梁連接處側(cè)梁外側(cè)增設(shè)了加強(qiáng)筋，提高該處剛度減少了變形量，此方案已經(jīng)在廠修車輛實(shí)施。

煤炭漏斗車牽引鉤和腳蹬故障率高，故障表現(xiàn)形式主要為變形、缺失、斷裂，故障初步分析為牽引作業(yè)過程不合規(guī)范所致。

KM70型煤炭漏斗車扶梯根部截?fù)Q率高，占比54%以上，故障表現(xiàn)形式主要為腐蝕超限、根部焊縫開裂、連接地板截?fù)Q，故障初步分析為煤炭漏斗車地板扶梯處易產(chǎn)生積煤現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生腐蝕；此外由于結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力及使用頻次高等綜合因素產(chǎn)生裂紋。改進(jìn)措施：增設(shè)扶梯固定座，扶梯與固定座采用鉸接連接方式。

上部傳動(dòng)軸軸承更換率較高，故障表現(xiàn)形式主要為軸承滾子損壞、外圈損傷，故障初步分析為機(jī)構(gòu)存在憋勁阻力較大，采用強(qiáng)力手段開門，導(dǎo)致傳動(dòng)軸軸承損傷。

2.2 KZ70型石砟漏斗車改進(jìn)設(shè)計(jì)情況

操縱室門鎖故障表現(xiàn)為損壞和功能失效，分析成因：鎖舌主要長度不足、鑰匙通用性不足。改進(jìn)措施：進(jìn)行單項(xiàng)研究改進(jìn)，更換新型門鎖，目前已在檢修和新造車輛上應(yīng)用。

操縱室扶手故障率高，扶手桿和扶手座更換率高，占比30%以上，故障表現(xiàn)形式主要為扶手桿外套破損、丟失，扶手座腐蝕超限，故障初步分析為KZ70型石砟漏斗車工作環(huán)境差、扶手桿外套老化和磕碰現(xiàn)象較多，下方扶手座易積存雨水，導(dǎo)致腐蝕過限。改進(jìn)措施：下部扶手座改為凸臺結(jié)構(gòu)。

觀察孔組成故障率高，占比35%，成因分析：連接部位不結(jié)實(shí)，容易被石砟砸掉或產(chǎn)生變形；整個(gè)觀察孔組成在端墻內(nèi)，鉸接部位受力較大易脫落。改進(jìn)措施：整個(gè)觀察孔組成鉸接部位改在端墻外側(cè)，裝載石砟時(shí)鉸接部位不受力。

3 漏斗車檢修PHM系統(tǒng)設(shè)想及意義

3.1 檢修數(shù)據(jù)平臺功能設(shè)想

3.1.1 用戶管理

系統(tǒng)分為電腦上使用的PC端系統(tǒng)和便攜式設(shè)備上使用的移動(dòng)端App系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的用戶管理，通過給每個(gè)用戶賦予不同權(quán)限控制用戶登錄的模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的統(tǒng)一管理。

3.1.2 分解記錄

建立車輛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息和車輛分解后的部件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息?？蓪囕v和分解后的部件按車型、車號進(jìn)行新建、修改、注銷、查看操作。對以后車輛檢修、故障分析統(tǒng)計(jì)、車輛生產(chǎn)設(shè)計(jì)等提供必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1.3 檢修數(shù)據(jù)

在車輛和車輛分解后的部件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，進(jìn)行車輛檢修數(shù)據(jù)的錄入，可以記錄車輛的檢修過程、檢修狀態(tài)、檢修部件數(shù)量等信息，也可以記錄車輛部件的更換、拆損、處理方式、故障原因等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

3.1.4 故障分析

在故障原因數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立故障成因分析模型，通過故障成因分析，實(shí)現(xiàn)漏斗車部件故障部位、故障原因等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，生成所需的柱狀圖、餅狀圖等圖形報(bào)表。根據(jù)圖表數(shù)據(jù)挖掘故障成因，可統(tǒng)計(jì)生成車輛部件損壞、更換數(shù)量，不同廠家部件同比、環(huán)比等數(shù)據(jù)。

3.1.5 生產(chǎn)管理

可生成生產(chǎn)計(jì)劃報(bào)表，并完成線上審批流程。

3.1.6 移動(dòng)App子系統(tǒng)

利用移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對車輛分解部件的修改，檢修數(shù)據(jù)信息的錄入保存。

3.2 檢修數(shù)據(jù)平臺擴(kuò)展性、安全性、可靠性設(shè)想

系統(tǒng)平臺的建設(shè)應(yīng)采用可擴(kuò)展的技術(shù)體系架構(gòu)，以適應(yīng)信息化建設(shè)和應(yīng)用系統(tǒng)快速發(fā)展的要求。同時(shí)具有較高安全性和可靠性，使得信息數(shù)據(jù)為固定客戶服務(wù)。

3.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

貨車檢修PHM系統(tǒng)（見圖1）涉及到車輛分解、車輛檢修、故障統(tǒng)計(jì)和生產(chǎn)管理等主要業(yè)務(wù)。用戶在進(jìn)行一般管理業(yè)務(wù)的同時(shí)，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的關(guān)系，因此需要數(shù)據(jù)庫對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，本系統(tǒng)應(yīng)采用開放式數(shù)據(jù)庫（SQLServer）設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

漏斗車檢修PHM系統(tǒng)設(shè)想，為未來鐵路貨車運(yùn)用PHM平臺與整個(gè)健康管理平臺連通提供一些思路。隨著數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺技術(shù)不斷提升，使得車輛運(yùn)用過程中配件狀態(tài)與檢修故障呈現(xiàn)趨勢可以有效結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)車輛故障精準(zhǔn)預(yù)防和狀態(tài)修理、高效運(yùn)營管理的目標(biāo)。