城市軌道交通車輛車輪踏面經(jīng)濟型鏇修應用研究

張 宇，霍苗苗，陳 霞，陳 湘

（1.北京市地鐵運營有限公司 運營三分公司，北京100082；2.北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心，北京102208；3.北京唐智科技發(fā)展有限公司，北京100097）

隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，城市軌道交通（簡稱：城軌）以其安全、準時、運量大、速度快、便捷和舒適等突出特點，改善了交通運輸環(huán)境、優(yōu)化了城市空間布局、推動了城市經(jīng)濟發(fā)展，在城市綜合交通中的重要程度日益提升[1]。對城軌車輛的壽命和維護保養(yǎng)管理要求也將更加嚴格。車輪踏面作為城軌車輛走行部的重要關(guān)鍵部件，也是車輛運行過程中的易損部位，其工作狀態(tài)直接影響車輛運行的安全性及舒適性[2]。

目前，我國城軌車輛車輪踏面的維修主要以故障修和定期修為主[3]。其中，故障修是針對車輪踏面存在的故障進行維修處理，屬于事后維修。在故障發(fā)生期間，車輪踏面所產(chǎn)生的沖擊、振動會導致車輛部件裝配松動，縮短軸承等部件使用壽命，嚴重時將危及車輛行車安全。各城市根據(jù)實際情況，結(jié)合車輛運行工況，制定以車輪運營時間或運行里程為周期的定期鏇修機制。車輛進入鏇修周期后，無論車輪踏面是否存在故障，都將進行修復性維修，使其車輪恢復成最佳狀態(tài)，車輛再投入下一運營周期。這種定期鏇修雖然修復了踏面形貌，但極易導致過度維修，使得車輪直徑減少過快，縮短了車輪使用壽命，增加車輛全壽命周期維護成本，造成人力、物力的浪費，經(jīng)濟效益的降低[4]。因此，在保障車輛安全運營的前提下，研究車輪踏面的經(jīng)濟型鏇修就顯得尤為重要。

1 車輪踏面鏇修現(xiàn)狀

在實際運用過程中，影響車輪踏面鏇修量的因素主要有3類，分別為踏面失圓故障、輪對幾何尺寸超限和踏面其他故障[5]。

（1）踏面失圓故障通常是輪對與鋼軌運行接觸面在連續(xù)擦傷、小弧度內(nèi)連續(xù)小剝離等初期故障被磨合之后形成的，較大弧度內(nèi)的車輪半徑連續(xù)小于其他弧度的車輪半徑就形成不圓度[6]。踏面失圓故障不易被肉眼察覺，但造成的危害往往較大。

（2）輪對幾何尺寸超限包括輪緣厚度到限、同軸輪徑差到限、同架輪徑差到限、同車輪徑差到限和輪緣偏磨等[7]。

（3）踏面其他故障指踏面擦傷、剝離、內(nèi)部缺陷等故障。擦傷是在車輪制動被抱死或車輪打滑，發(fā)生踏面相對軌道的滑動摩擦時產(chǎn)生的。當踏面存在雜質(zhì)或產(chǎn)生內(nèi)應力，以致在踏面長期運行中從夾雜部位或應力集中部位開裂，當相鄰的裂紋連接、穿透時就發(fā)生剝離。內(nèi)部缺陷是在車輪制造過程中，由于冷卻不當、材質(zhì)、設(shè)計等原因造成的新輪對內(nèi)部存在晶格裂紋的一種故障表現(xiàn)。

上述故障發(fā)生時，會產(chǎn)生較強的沖擊、振動并伴有異常響聲，影響乘客舒適度，對軸箱軸承、轉(zhuǎn)速傳感器固定三角支架及其他部件造成損傷，其中，內(nèi)部缺陷若不及時處理，裂紋會向周邊擴展，嚴重時導致車輪局部裂開，危及車輛行車安全。

2 特征提取

2.1 踏面故障特征提取

踏面故障特征提取是基于軸箱位置的振動、沖擊信息，通過廣義共振、共振解調(diào)處理，輸出與踏面故障對應的故障沖擊信息，通過采集故障沖擊信息，進行故障特征提取，實現(xiàn)走行部踏面在線、實時、自動和精確診斷。

車輪隨車軸同步運轉(zhuǎn)，即車輪踏面故障位置在與鋼軌接觸時產(chǎn)生振動、沖擊，因此其輪對踏面故障特征頻率就是車軸轉(zhuǎn)頻，特征頻率計算公式為

式中，fTM指踏面故障特征頻率；fn指車輪輪對踏面自身所在軸的轉(zhuǎn)動頻率，r/s。

車輪踏面故障一般發(fā)生在局部表面，而車輪踏面圓周長＞2 m，為保證系統(tǒng)能采集到踏面故障信息，我們設(shè)定車輪旋轉(zhuǎn)1周采集200個振動沖擊信息，即數(shù)據(jù)采集時鐘為200倍車輪轉(zhuǎn)頻，4096個振動沖擊信息組成1個數(shù)據(jù)樣本。

對數(shù)據(jù)樣本進行快速傅里葉變換（FFT），將時域樣本變換成頻域，則可以在頻域圖上清晰看到所有頻率成分。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集原理，以200倍車軸轉(zhuǎn)速作為采樣時鐘，采集1個時域數(shù)據(jù)樣本相當于車輪旋轉(zhuǎn)20.48圈，根據(jù)快速傅立葉變換原理，車輪踏面故障譜號（fCHI）（簡稱1階譜）計算結(jié)果為

通過使用Tina仿真軟件，使用梯形波信號發(fā)生器模擬踏面故障信息，即通過設(shè)置產(chǎn)生一個振幅1 V、脈沖寬度為2 ms、周期為48.83 ms的20.48 Hz頻率的矩形波信號，圖1為信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生的1個踏面故障時域圖。

圖1 踏面故障時域圖

通過對圖1踏面故障時域圖進行傅里葉變換，得到圖2所示的時域圖。從圖2中可以看出：踏面故障頻譜變換后的譜號呈多階性，其中，基頻（即1階譜）為20.48 Hz；1階譜（20.48 Hz）、2階譜（40.96 Hz）、3階譜（61.44 Hz）的振幅均＞100 mV。1階、2階、3階振幅也常作為判斷車輪踏面故障定性的主要依據(jù)，振幅隨階數(shù)增加呈遞減趨勢，直至11階后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 頻譜圖

（1）車輪踏面故障定性

通過對頻域樣本搜索踏面故障譜20.48 Hz（1階譜）、40.96 Hz（2階譜）、61.44 Hz（3階譜）譜線位置的幅值，如果3根譜線位置幅值明顯突出，則可判定存在車輪踏面故障。

（2）車輪踏面故障定量

根據(jù)經(jīng)驗推測，故障定量值A(chǔ)db的計算公式可為

式中，SV表示沖擊值；N表示運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；D表示車軸直徑，mm。

根據(jù)車輪踏面故障特征提取原理，采用C、C++語言編寫嵌入式運行軟件代碼，通過編譯器編譯成Linux環(huán)境下可運行的執(zhí)行程序，實現(xiàn)踏面故障特征提取及故障預報警，車輪踏面故障診斷由走行部車載故障診斷系統(tǒng)完成。

2.2 輪對幾何尺寸

輪對幾何尺寸主要包括踏面磨耗、輪緣厚度、QR垂直磨耗值、車輪直徑及輪對關(guān)鍵參數(shù)[8]。這些參數(shù)依托于正線輪對幾何尺寸系統(tǒng)獲取，該系統(tǒng)采用了光截圖像測量技術(shù)、基于光截法的3點測量法及基于基準線的偏移量測量法。

2.3 平輪檢測

平輪檢測主要包括車輪踏面剝離擦傷的長度、寬度、深度及車輪不圓度等，由部署在正線的平輪檢測系統(tǒng)完成。

2.4 多源融合特征提取模型

為了識別踏面故障類型，確定踏面故障發(fā)展程度及趨勢，整合、共享和關(guān)聯(lián)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提取踏面失圓故障、輪對幾何尺寸超限及踏面其他類故障的報警信息、趨勢及檢測值特征，為不同故障類型的模型建立奠定特征基礎(chǔ)。特征提取模型如圖3所示。

圖3 多源融合特征提取模型

（1）踏面失圓故障

分別從走行部車載故障診斷系統(tǒng)、平輪檢測系統(tǒng)中提取踏面失圓報警信息、失圓振動趨勢及不圓度檢測量值，可以反映踏面失圓的故障程度，挖掘振動發(fā)展趨勢中標定失圓緩慢和快速的拐點。

（2）輪對幾何尺寸超限

主要從輪對幾何尺寸系統(tǒng)中提取輪緣磨耗、同軸同架和同車輪徑差、偏磨等到限報警信息及其檢測量值，綜合反應輪對磨耗的發(fā)展狀態(tài)。

（3）踏面其他類故障

從走行部車載故障診斷系統(tǒng)、平輪檢測系統(tǒng)中提取出踏面剝離、擦傷、內(nèi)部缺陷等故障報警信息及其檢測量值，反映車輪踏面發(fā)展狀況。

3 經(jīng)濟型鏇修模型

車輪鏇修的主要目的是消除車輪踏面故障，修復踏面不規(guī)則、不均勻磨耗，恢復輪緣厚度。這就要求單個車輪的輪緣厚度、踏面磨耗量與踏面鏇修量之間滿足一定的限制，同一輛車不同車輪之間輪徑差需滿足一定的限制。針對各指標值定性與定量相結(jié)合的特點，建立基于模糊多屬性決策分析的車輪踏面經(jīng)濟型鏇修模型，通過模糊隸屬度確定的各類指標和專家意見，并通過決策規(guī)則確定踏面鏇修量值和鏇修時機。經(jīng)濟型鏇修模型框架，如圖4所示。

圖4 經(jīng)濟型鏇修模型框架

基于模糊多屬性決策分析的車輪踏面經(jīng)濟型鏇修模型包括踏面失圓故障分析、幾何尺寸超限分析及其他故障分析3個模塊。

3.1 踏面失圓故障分析模塊

針對踏面失圓/不圓度，通常采用相應的測量儀器對車輪徑向跳動量進行測量的方法，測量車輪圓周中最大直徑與最小直徑的差值。

根據(jù)踏面失圓故障報警及振動趨勢，與事先建立的評判標準進行對比，確定踏面失圓故障嚴重程度，結(jié)合踏面失圓振動發(fā)展趨勢及專家意見，確定故障權(quán)重w0，該模塊計算的鏇修量為w0·xjmm，當沒有這類故障時，鏇修量為0 mm。

3.2 幾何尺寸超限分析模塊

輪緣厚度及輪緣偏磨一旦超限，將直接影響車輛的行車安全。輪緣厚度及輪緣偏磨在不同的線路中均有設(shè)定的標準，依據(jù)檢測值與標準值之間的差值及專家意見，確定故障權(quán)重w1，該模塊計算的鏇修量值為w1·4.5·xjmm。

3.3 其他故障分析模塊

其他故障主要包括踏面擦傷、剝離、內(nèi)部缺陷等故障，根據(jù)車輪踏面其他故障報警信息及各個故障的檢測量值qj反映輪對踏面故障狀態(tài)，結(jié)合檢測量值發(fā)展趨勢及專家意見，確定踏面其他故障分析模塊的權(quán)重w2，最終該模塊計算的鏇修量為w2·qjmm，當沒有這類故障時，鏇修量為0 mm。

4 應用分析

基于模糊多屬性決策分析的踏面經(jīng)濟型鏇修模型在某城市地鐵試點應用，取得了一定的成果。

4.1 模型應用分析

某城市地鐵線路08106列車5車27位從2021年1月開始就存在踏面失圓特征，且2021年5月后報警頻次明顯上升，并于2021年8月3日進行車輪徑向跳動值測量及鏇修驗證，車輪徑向跳動值測量結(jié)果，如圖5所示，徑向跳動值為0.29 mm。通過應用車輪踏面經(jīng)濟型鏇修模型，自動輸出鏇修量，進行車輪踏面測量及鏇修驗證。

圖5 鏇修前徑跳測量圖示

4.1.1踏面失圓故障分析模塊

該測點自2021年1月1日至2021年8月3日累計輸出1062次失圓預警，730次一級報警，148次二級報警，該車輪從2021年5月后報警頻次明顯上升，在該位置表示振動趨勢的重力加速度值為2.8～3.5 g。

通過不落輪鏇床測量，該車輪徑向跳動值為0.29 mm，結(jié)合報警及振動趨勢情況，設(shè)定踏面失圓故障權(quán)重值為2.1，失圓鏇修量約為0.61 mm。

4.1.2幾何尺寸超限分析模塊

該車輪輪緣厚度為30.8 mm，輪緣高度為27 mm，且同軸車輪也未超標，同軸輪徑差也在正常范圍之內(nèi)，不需要進行鏇修處理，該模塊輸出鏇修量為0 mm。

4.1.3其他故障分析模塊

踏面其他類故障暫無報警，且根據(jù)現(xiàn)場目視檢查，未發(fā)現(xiàn)類似擦傷、剝離、裂紋等故障，模塊輸出鏇修量為0 mm。

綜合各個模塊輸出結(jié)論，車輪踏面經(jīng)濟鏇模型計算得到的鏇修量為

0.29×2.1 mm +0×4.5×0 mm +0×0 mm ≈ 0.61 mm。

081065車27位鏇修前輪徑為837 mm，車輪共鏇修1刀，鏇修完后踏面光亮如圖6所示，鏇修后輪徑檢測值為836.2 mm，現(xiàn)場實際鏇修0.8 mm。車輪踏面經(jīng)濟型鏇修模型輸出結(jié)果為0.61 mm，與現(xiàn)場鏇修量接近。若依據(jù)車輪踏面經(jīng)濟型鏇修模型輸出結(jié)果進行鏇修，可以在保證車輛行車安全的前提下，減少0.19 mm鏇修量，延長輪對使用壽命，提高了經(jīng)濟效益。

圖6 鏇修后踏面狀況

4.2 經(jīng)濟效益分析

基于模糊多屬性決策分析的經(jīng)濟型鏇修模型在北京某線路進行試點應用，智能化指導鏇修，有效避免車輪踏面欠維修及過度鏇修，延長輪對使用壽命，預計取得的經(jīng)濟效益包括以下幾個方面。

（1）日檢月修檢查：可取消輪對踏面目視檢查及輪對幾何尺寸測量，僅對故障位置復核。依據(jù)日檢0.5 h，雙月修1.5 h，標準工時費75元/h進行計算，則一個廠修約節(jié)約人工檢查成本為35.7萬元。

（2）輪對維修費用：以北京8號線為例，整線11列車裝備走行部車載故障診斷系統(tǒng)，共計監(jiān)測528個車輪，單個車輪以13 000元計算，若首次大修更換車輪80%，則輪對成本為5 491 200元，應用車輪踏面經(jīng)濟型鏇修模型，智能化指導維修，既保證了列車運行狀態(tài)安全，還將減少車輪鏇修工作量及輪對更換量，將列車大修車輪更換量降至50%，輪對換新成本將減少2 059 200元，列車全壽命周期可節(jié)省400余萬元。

因此，應用經(jīng)濟型鏇修可帶來顯著的經(jīng)濟效益。隨著線網(wǎng)的不斷擴張，車輪踏面經(jīng)濟鏇模型大量推廣應用所帶來的經(jīng)濟效益將十分顯著。

5 結(jié)束語

以“廣義共振、共振解調(diào)”的機械設(shè)備故障機理診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，精準識別車輪踏面所處的故障類型及故障程度，建立基于模糊多屬性決策分析的經(jīng)濟型鏇修模型。試點應用結(jié)果表明，該模型可在保障列車安全運行的前提下，提供智能化維修決策，科學有效地指導車輪踏面鏇修，避免車輪踏面的過度維修，延長輪對使用壽命，提高車輪維修效率，大幅降低維修成本，提升經(jīng)濟效益。