鐵路機(jī)車車輛車輪故障預(yù)測(cè)及健康管理技術(shù)研究及應(yīng)用

張 斌，寧友波，楊延峰，劉 通，張關(guān)震

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081;2. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 機(jī)輛部，北京 100844)

車輪作為機(jī)車車輛的重要走行部件，起著承載和導(dǎo)向作用，其安全可靠性與列車的平穩(wěn)運(yùn)行密切相關(guān)，是影響鐵路機(jī)車車輛運(yùn)營(yíng)安全的重要因素。同時(shí)，合理的車輪運(yùn)用維修方案能延長(zhǎng)車輪使用壽命，降低機(jī)車運(yùn)營(yíng)成本?；诳煽啃?、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，以預(yù)測(cè)技術(shù)為核心的故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)受到越來越多的重視和應(yīng)用，已成為鐵路新產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量保障的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

本文借助PHM技術(shù)，結(jié)合車輪失效分析的研究成果及應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套機(jī)車PHM+車輪系統(tǒng)，并以該系統(tǒng)為例開展機(jī)車車輪PHM技術(shù)的研究。

1 鐵路機(jī)車車輛車輪信息的采集追溯機(jī)制

基于RFID技術(shù)的機(jī)車車輪信息自動(dòng)采集技術(shù)和設(shè)備，包括安裝在機(jī)車車輪上的RFID標(biāo)簽，自動(dòng)識(shí)別和采集機(jī)車車輪RFID標(biāo)簽信息的地面安裝式和手持式識(shí)別系統(tǒng)。車輪被賦予唯一標(biāo)識(shí)代碼，利用RFID、溫度及振動(dòng)傳感器等傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輪制造、運(yùn)用、檢修和報(bào)廢的全壽命周期數(shù)據(jù)采集，建立起全路機(jī)車車輪的蹤跡追溯機(jī)制。圖1為早期的故障車輪。分析發(fā)現(xiàn)，車輪輻板位置的焊補(bǔ)缺陷是引發(fā)車輪崩輪的主要原因。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和能力，為了追查同時(shí)期、同批次的焊補(bǔ)車輪流向，相關(guān)單位投入了大量的人力和物力。由于沒有大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，查找問題車輪的去向相當(dāng)困難，很有可能會(huì)遺漏，但隨著PHM系統(tǒng)的建立，追查產(chǎn)品信息已成為該系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能，圖2為PHM系統(tǒng)車輪信息查詢和檢索功能示意圖。

圖1 早期故障車輪

圖2 PHM系統(tǒng)車輪信息查詢和檢索功能示意圖

2 鐵路機(jī)車車輛車輪的故障預(yù)測(cè)

車輪在運(yùn)用過程中常見的損傷主要有踏面損傷和車輪內(nèi)部疲勞(輞裂)兩大類[2]。車輪發(fā)生輞裂時(shí)的失效分析表明，車輪踏面下10～20 mm處一定尺寸的脆性非金屬夾雜物是誘發(fā)輪輞裂紋的主要原因，可見輞裂故障屬于車輪制造工藝質(zhì)量問題。由于故障車輪同批次的車輪鋼坯采用相同的冶煉工藝，因此其他同批次的車輪內(nèi)部非金屬夾雜物的水平可能與故障車輪相當(dāng)，也存在發(fā)生輞裂故障的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3為PHM系統(tǒng)車輪質(zhì)量溯源和故障預(yù)測(cè)功能示意圖。如圖3所示，通過該系統(tǒng)可追查到與輞裂車輪同批次車輪產(chǎn)品的去向，如所屬車輛、配屬的路局、運(yùn)行的線路情況等等，同時(shí)還可以對(duì)該批次車輪的源頭制造數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯，如該批次車輪的非金屬夾雜物及在踏面下的分布狀況、車輪報(bào)廢率以及在制造環(huán)節(jié)與車輪質(zhì)量相關(guān)的控制要素等等，幫助分析故障車輪及同批次車輪的根本質(zhì)量問題，使車輪的制造工藝水平及產(chǎn)品質(zhì)量得到提高。

圖3 PHM系統(tǒng)車輪質(zhì)量溯源和故障預(yù)測(cè)功能示意圖

此外，通過分析系統(tǒng)庫中與輞裂車輪同批次在役車輪的制造和修程中車輪內(nèi)部夾雜物的探傷數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測(cè)這些車輪發(fā)生輞裂的可能性，從而有針對(duì)性地進(jìn)行防控和處理，避免不必要的報(bào)廢。

3 鐵路機(jī)車車輛車輪的健康狀態(tài)評(píng)估

車輪PHM技術(shù)是以車輪相關(guān)數(shù)據(jù)和理論分析模型為基礎(chǔ)，采用物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相融合的方法匯總各類制造、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)信息，利用車輪振動(dòng)信息(表面?zhèn)麚p或內(nèi)部傷損)、輪軌力信息(車輪多邊形及剝離)、探傷信息(內(nèi)部傷損)來衡量車輪的傷損狀態(tài)，利用尺寸信息來表征車輪磨耗狀態(tài)。圖4為鐵路機(jī)車車輛車輪的健康狀態(tài)評(píng)估模型。圖4中，車輪振動(dòng)信號(hào)在經(jīng)過預(yù)處理、頻域分析、主成分提取后進(jìn)入PHM工具箱，利用鋼軌上安裝的特殊應(yīng)變片傳感器測(cè)量輪軌力，用以衡量車輪傷損情況；收集的輪軌力信號(hào)經(jīng)過帶通濾波、時(shí)域分析、主成分提取后再經(jīng)過傳輸系統(tǒng)進(jìn)入到PHM工具箱中；探傷波形信號(hào)經(jīng)過時(shí)域分析、主成分提取后也進(jìn)入PHM工具箱；系統(tǒng)將人工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性回歸，將生成的線性回歸結(jié)果與智能檢測(cè)設(shè)備結(jié)果相互校驗(yàn)，最后生成尺寸結(jié)果進(jìn)入到PHM工具箱中。PHM工具箱依據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行健康評(píng)估、剩余壽命估計(jì)、報(bào)警提示及維修策略輸出。

圖4 鐵路機(jī)車車輛車輪的健康狀態(tài)評(píng)估模型

4 鐵路機(jī)車車輛車輪的檢修方案

車輪屬于易損耗部件，其壽命很大程度上是由旋修量和旋修次數(shù)決定的，減少車輪的旋修量和旋修次數(shù)可以延長(zhǎng)車輪使用壽命。在車輪運(yùn)用過程中，旋修不及時(shí)會(huì)產(chǎn)生安全隱患，頻繁、過度和不當(dāng)旋修則會(huì)造成較大浪費(fèi)，所以經(jīng)濟(jì)性的旋修策略顯得尤為重要。

前期研究成果表明，經(jīng)濟(jì)性旋修策略大致需要考慮以下3個(gè)方面：

(1) 尺寸信息。根據(jù)踏面磨耗量、輪緣厚度、直徑、整車輪徑差及旋修周期內(nèi)車輪磨耗量確定旋修深度；

(2) 報(bào)警信息。通過不同車輪報(bào)警類型(如超聲波探傷、振動(dòng)報(bào)警等)及級(jí)別，初步確定旋修深度；

(3) 預(yù)防性旋修。針對(duì)車輪長(zhǎng)時(shí)間不旋修會(huì)發(fā)生深度裂紋(例如制動(dòng)熱裂紋)的情況，超過一定周期時(shí)會(huì)提示車輪旋修，避免單個(gè)車輪旋修量過大。

結(jié)合車輪經(jīng)濟(jì)性旋修決策流程如圖5所示。

圖5 經(jīng)濟(jì)性旋修決策流程

5 鐵路機(jī)車車輛車輪的綜合數(shù)據(jù)分析

機(jī)車車輛車輪故障預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)以大屏形式直觀體現(xiàn)各級(jí)鐵路運(yùn)用部門統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，科學(xué)而實(shí)時(shí)地展示機(jī)車車輛車輪匯總統(tǒng)計(jì)、健康管理、檢修作業(yè)、檔案信息等信息，可為車輪生產(chǎn)制造、運(yùn)維管理、維修決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

例如車輪踏面損傷中的滾動(dòng)接觸疲勞剝離問題是多年困擾鐵路運(yùn)營(yíng)的難點(diǎn)[3]。PHM系統(tǒng)能綜合考慮車輪所屬車輛的軸重[4]，運(yùn)行的線路條件[5]，雨、雪等服役環(huán)境[6]、車輪噴砂所選用的砂粒大小等車輪外部因素，以及車輪微觀組織結(jié)構(gòu)均勻性[7]、非金屬夾雜物尺寸大小[8]等車輪內(nèi)在因素對(duì)車輪踏面接觸疲勞性能的影響，從車輪材質(zhì)、運(yùn)行線路、配屬車型的適用性等多角度進(jìn)行全面系統(tǒng)的綜合分析，找出剝離輪的實(shí)質(zhì)影響因素，提出有針對(duì)性的建議和改進(jìn)措施。根據(jù)PHM中大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，若是車輪材質(zhì)對(duì)線路的適用性不理想，可以更換車輪材質(zhì)；若是車體本身的問題，可以優(yōu)化轉(zhuǎn)向架等部件的結(jié)構(gòu)；若無明顯規(guī)律，而是普遍性的批量問題，則需要結(jié)合大數(shù)據(jù)的深度分析結(jié)果篩選出既有車輪中適用性相對(duì)理想的材質(zhì)，以此材質(zhì)車輪的各項(xiàng)指標(biāo)為基礎(chǔ)，開發(fā)新材質(zhì)車輪，制定新標(biāo)準(zhǔn)。圖6為結(jié)合車輪實(shí)際服役情況的統(tǒng)計(jì)分析功能示意圖。

圖6 結(jié)合車輪實(shí)際服役情況的統(tǒng)計(jì)分析功能示意圖

6 應(yīng)用情況

目前，機(jī)車車輪故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)已在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司部分局段進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，其效果主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1) 保障安全。實(shí)現(xiàn)車輪的制造、檢修、運(yùn)用、監(jiān)測(cè)檢測(cè)等信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，快速收集故障車輪歷史數(shù)據(jù)和定位關(guān)聯(lián)隱患車輪，建立車輪蹤跡追溯機(jī)制。運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輪健康狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)估及不良狀況提前預(yù)警。

(2) 提高經(jīng)濟(jì)性。利用系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性旋修數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)綜合考量尺寸、傷損、預(yù)防機(jī)制和應(yīng)急處理等因素的車輪經(jīng)濟(jì)性旋修策略落地，試點(diǎn)單位試用過程中以平均單次旋修量減少20%為類比，可合理延長(zhǎng)車輪使用壽命，降低車輪采購及壓裝等的成本，同時(shí)優(yōu)化機(jī)車車輛小修、中修及大修的檢修計(jì)劃，提高機(jī)車運(yùn)用周轉(zhuǎn)率。

(3) 輔助車輪管理。建立起車輪全壽命周期數(shù)據(jù)，為運(yùn)用及管理部門提供車輪磨耗和運(yùn)用數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成車輪相關(guān)報(bào)表，及時(shí)找出車輪運(yùn)用和維修過程中存在的問題，輔助車輪管理。

7 結(jié)束語

機(jī)車車輪PHM系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)完成車輪的生產(chǎn)制造、加工組裝、運(yùn)用檢修及傷損分析等多元信息的采集和融合處理，不僅實(shí)現(xiàn)了全路機(jī)車車輪狀態(tài)的實(shí)時(shí)查詢和追蹤溯源，更可有效實(shí)現(xiàn)面向全路機(jī)車車輪全壽命周期狀態(tài)的智能化管控、大數(shù)據(jù)分析和科學(xué)預(yù)測(cè)。該項(xiàng)技術(shù)能夠推進(jìn)“可預(yù)見性維修”進(jìn)程，提高車輪的安全性、維修性、測(cè)試性、保障性和可靠性，成為機(jī)車車輪新產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量保障的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

隨著PHM技術(shù)在機(jī)車車輪領(lǐng)域的深入發(fā)展和運(yùn)用積累，該技術(shù)可逐漸向機(jī)車車輛其他重要部件拓展，如電機(jī)、齒輪箱等，形成機(jī)車車輛重要安全部件的綜合故障預(yù)測(cè)和健康管理大系統(tǒng)。在鐵路信息化建設(shè)統(tǒng)一部署下，車輪故障預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)和其他檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)信息互通互聯(lián)，在大數(shù)據(jù)分析和智能裝備技術(shù)的共同作用下，為我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩椒€(wěn)保駕護(hù)航。