動車組部分關(guān)鍵部件服役性能與整車高級修修程修制關(guān)聯(lián)分析*

李方烜，于衛(wèi)東，田光榮，朱慶龍

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081）

近年來，我國動車組保有量不斷增加，截至2020 年底，我國動車組保有量已超過3 900 標(biāo)準(zhǔn)組［1］。自2008 年以來，我國動車組高級修工作經(jīng)過不斷的理論探索及實踐運用改進(jìn)，積累了相對豐富的經(jīng)驗，而我國動車組高級修修程修制偏于謹(jǐn)慎，還有較大的優(yōu)化空間［2-3］。因此為推動鐵路高質(zhì)量持續(xù)健康發(fā)展，逐步驗證動車組高級修修程修制優(yōu)化可行性，國鐵集團(tuán)組織相關(guān)單位開展動車組整車及主要關(guān)鍵部件高級修周期從每3 年120 萬km 延 長 至 每3 年145 萬km 的 驗 證 工 作（簡稱延長修）。研究延長修驗證動車組關(guān)鍵部件百萬公里故障率在延長修前、后的變化［4］，分析延長修對動車組關(guān)鍵部件服役性能的影響具有重要意義。

文中基于我國部分延長修驗證動車組在延長修前、后2 個階段產(chǎn)生的行車設(shè)備故障數(shù)據(jù)、地面檢測數(shù)據(jù)及運用檢修故障數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析方法在延長修前、后2 個階段，做電氣板卡、滾動軸承百萬公里故障率與動車組高級修修程關(guān)聯(lián)分析，揭示關(guān)鍵部件服役性能演變規(guī)律，為我國動車組部分關(guān)鍵部件高級修周期延長提供數(shù)據(jù)支持。

1 部分關(guān)鍵部件修程現(xiàn)狀及問題分析

我國部分型號動車組電氣板卡當(dāng)前修程修制偏于保守，當(dāng)動車組運用至480 萬km 后，五級修期間牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電氣板卡都需整體更新，而國外對同級別平臺的動車組在相應(yīng)高級修期間對此類板卡部件則執(zhí)行狀態(tài)修（性能測試，不合格更新），目前這類狀態(tài)修已使用了10 多年，應(yīng)用效果良好。因此這部分動車組電氣板卡修程的優(yōu)化目標(biāo)為480 萬km 后對原必要更新部件進(jìn)行性能檢測，視檢測結(jié)果決定是否更新部件。

對于滾動軸承類部件，例如動車組軸箱軸承，現(xiàn)行分解檢修周期為120 萬km，累計里程達(dá)到240萬km 后更換，與延長修驗證動車組高級修周期不匹配。因此當(dāng)前動車組滾動軸承類部件修程修制優(yōu)化目標(biāo)為延長其檢修周期使之匹配整車優(yōu)化后的高級修周期。

1.1 電氣板卡失效模式及現(xiàn)行修程

此次研究的電氣板卡由牽引板卡、制動板卡和網(wǎng)絡(luò)板卡組成。電氣板卡故障按原因可分為：焊點開裂脫落、電路板老化、晶體管故障、電容脫落、偶發(fā)性軟件報錯等。一般認(rèn)為電氣板卡類部件隨服役時間增加故障發(fā)生概率逐步增加。

對于不同車型、不同類型電氣板卡，其三、四、五級修期間修程各不相同，針對此次研究的動車組，其電氣板卡修程總體上可概括為：120 萬km 三級修期間進(jìn)行靜態(tài)外觀、現(xiàn)車狀態(tài)檢查；240 萬km四級修期間進(jìn)行性能測試、功能驗證；480 萬km 五級修期間進(jìn)行分解檢查、專項測試、更換電池、軟件升級等。此次研究的動車組在整車五級修期間不存在TCU、BCU、CCU 整體更換的情況，排除了五級修期間需要整體更換相關(guān)電氣板卡的動車組車型。

1.2 滾動軸承失效模式及現(xiàn)行修程

滾動軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾子和保持架組成［5］。在循環(huán)載荷的作用下，內(nèi)、外圈和滾子在載荷值較大的承載區(qū)容易發(fā)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致麻點、剝離類損傷。若滾動體與內(nèi)、外圈相對潤滑不良，則容易導(dǎo)致軸溫升高。若保持架裂損導(dǎo)致保持架發(fā)生形變或斷裂，則保持架不能正確引導(dǎo)滾動體運動，甚至使?jié)L子在滾道內(nèi)卡死而不能滾動，這將導(dǎo)致軸承內(nèi)部異常磨損引發(fā)熱軸故障甚至造成熱切后果。對于牽引電機(jī)軸承來說，若軸承表面沒有做好絕緣防護(hù)將導(dǎo)致電流通過軸承表面發(fā)生電蝕，加速軸承失效。動車組運行期間通過各軸承的溫度傳感器對以上3 類軸承進(jìn)行實時安全監(jiān)測，待動車組運行結(jié)束回庫后，檢修人員也將對其進(jìn)行日常檢查，此外動車組滾動軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)TADS-1（簡稱TADS-1）可對動車組軸箱軸承進(jìn)行日常監(jiān)測，與車載軸溫監(jiān)測原理不同，TADS-1 設(shè)備通過聲發(fā)射原理，分析軸承部件在運轉(zhuǎn)過程中采集的聲信號頻譜進(jìn)行動車組軸箱軸承早期故障的診斷及分級報警［6-7］。

當(dāng)前我國動車組軸箱軸承采用120 萬km 分解大修、240 萬km 更新的修程標(biāo)準(zhǔn)，即新造軸箱軸承隨整車運行120 萬km 后高級修期間被退卸進(jìn)行分解檢修，若期間未發(fā)現(xiàn)異常則被重新壓裝在完成高級修的動車組直至累計里程達(dá)到240 萬km 后報廢，若分解檢修期間發(fā)現(xiàn)損傷超限則直接報廢。動車組齒輪箱軸承修程按運行240 萬km 后，在整車四級修期間直接報廢，中間整車三級修期間不做分解檢查。動車組牽引電機(jī)軸承的修程按累計120 萬km 后，在整車三級修期間報廢。

2 基于高級修維度的部分關(guān)鍵部件故障規(guī)律分析

截至2020 年末，全路已有部分動車組完成了間隔145 萬km 周期的延長修。為開展動車組關(guān)鍵部件服役性能、故障率與動車組高級修修程關(guān)聯(lián)分析，此次選取延長修驗證動車組中前一輪完成過120 萬km 高級修周期和本輪已完成145 萬km 高級修延長周期的動車組，以這2 段間隔里程為統(tǒng)計區(qū)間，分別統(tǒng)計電氣板卡（牽引板卡、制動板卡和網(wǎng)絡(luò)板卡）和滾動軸承（軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電機(jī)軸承）的故障數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源包括動車組管理信息系統(tǒng)（簡稱EMIS 系統(tǒng)）中行車設(shè)備故障數(shù)據(jù)。檢修故障處理記錄以及針對動車組軸箱軸承的TADS-1 監(jiān)測數(shù)據(jù)。行車設(shè)備故障中排除了車載傳感器誤報和非車輛責(zé)任，檢修故障及TADS-1監(jiān)測故障均以現(xiàn)場復(fù)核確認(rèn)后實施更換認(rèn)定，盡可能排除人工回填不準(zhǔn)確、地面監(jiān)測設(shè)備誤報等因素。

2.1 電氣板卡故障規(guī)律分析

此次研究的電氣板卡包括牽引板卡、制動板卡和網(wǎng)絡(luò)板卡，由于各類板卡數(shù)量、工作環(huán)境存在差異，可能造成各類電氣板卡百萬公里故障率的不同，因此將這3 類電氣板卡進(jìn)行匯總統(tǒng)計分析。分別計算前、后2 個高級修周期內(nèi)電氣板卡的百萬公里故障率，如圖1 所示，145 萬km 延長修期間電氣板卡故障率較120 萬km 期間有所下降，分析原因，此次145 萬km 延長修試驗大多開始于2018 年，相較前一個高級修階段，我國動車組運用經(jīng)驗、作業(yè)質(zhì)量及配件質(zhì)量都得到了顯著提升，得益于上述綜合因素，動車組整體安全性、相關(guān)部件可靠性均趨于健康和穩(wěn)定［8］。

圖1 電氣板卡在2 個高級修周期內(nèi)百萬公里故障率

統(tǒng)計分析可知，145 萬km 高級修期間未出現(xiàn)因高級修周期延長而導(dǎo)致電氣板卡故障率上升的現(xiàn)象，說明此次動車組延長修對電氣板卡的階段服役性能沒有負(fù)面影響。

接著計算電氣板卡在五級修前、后2 個高級修周期內(nèi)百萬公里故障率，如圖2 所示，五級修后電氣板卡故障率有所下降，由于此次統(tǒng)計分析的所有車型在五級修期間均未進(jìn)行電氣板卡整體更換，故統(tǒng)計結(jié)果可以說明這些車型的動車組電氣板卡在480 萬km 后仍能保持良好的服役狀態(tài)，現(xiàn)階段不會隨運行里程增加而導(dǎo)致故障率明顯上升。此次統(tǒng)計結(jié)果可為某些五級修期間需整體更換電氣板卡的車型的高級修修程修制優(yōu)化工作提供重要參考價值。

圖2 電氣板卡在五級修前后百萬公里故障率

2.2 滾動軸承類故障規(guī)律分析

此次統(tǒng)計的動車組軸箱軸承故障樣本中未計入因新軸承在勻脂過程中軸溫超限報出的行車設(shè)備故障，研究發(fā)現(xiàn)，新軸承潤滑脂分布不均勻?qū)е碌妮S承潤滑不良是造成軸承過熱的主要原因，并非是軸承內(nèi)部故障造成，因此未被計入。

自2018 年，TADS-1 軌邊監(jiān)測設(shè)備逐步開始在全路范圍推廣使用，根據(jù)TADS-1 近幾年使用經(jīng)驗，TADS-1 報警軸承經(jīng)檢修單位退卸、分解檢查后，報警兌現(xiàn)率較高，基本可以解決故障軸承初期軸溫不高但軸承內(nèi)部卻存在嚴(yán)重剝離的問題，減少了動車組運行過程中的安全隱患，部分路局也將TADS-1 用于監(jiān)測延長修驗證動車組的軸箱軸承狀態(tài)，因此本次計入了回段確認(rèn)更換的TADS-1報警軸承。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，延長修驗證動車組TADS-1 報警信息與車載軸溫報警信息沒有交叉結(jié)果，一方面佐證了剝離類故障軸承初期不容易造成軸溫升高，不易被車載軸溫監(jiān)測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的特點，另一方面也體現(xiàn)了TADS-1 監(jiān)測手段對車載軸溫監(jiān)測補充的重要性。

將動車組軸箱軸承故障監(jiān)測手段分為車載軸溫及地面檢修、TADS-1 這2 類，得到2 類監(jiān)測手段確認(rèn)的動車組軸箱軸承故障占比，如圖3 所示。在120 萬km 高級修周期內(nèi)，車載軸溫及地面檢修發(fā)現(xiàn)的動車組軸箱軸承故障占比為80%，TADS-1 發(fā)現(xiàn)確認(rèn)的故障只占比20%，主要是由于此階段TADS-1 還未被大量應(yīng)用，監(jiān)測范圍有限，因此借助TADS-1 確認(rèn)的故障也相對較少，動車組軸箱軸承的故障主要依靠車載軸溫監(jiān)測及地面檢修手段發(fā)現(xiàn)。而在145 萬km 延長修期間內(nèi)，動車組軸箱軸承故障主要被TADS-1 發(fā)現(xiàn)確認(rèn)，占比達(dá)94.44%，而車載軸溫及地面檢修發(fā)現(xiàn)的故障只占5.56%，由TADS-1 發(fā)現(xiàn)確認(rèn)的動車組軸箱軸承故障占比相較前一個高級修周期增加顯著，說明隨著TADS-1 監(jiān)測范圍逐步擴(kuò)大，借助其對動車組軸箱軸承早期故障的診斷優(yōu)勢，TADS-1 能夠提前發(fā)現(xiàn)絕大部分故障，因此車載軸溫和地面檢修發(fā)現(xiàn)的故障比例也將大幅降低。

圖3 2 類監(jiān)測手段確認(rèn)的動車組軸箱軸承故障在2 個高級修周期內(nèi)占比

下面統(tǒng)計延長修驗證動車組各類滾動軸承故障占比情況，如圖4 所示，2 階段動車組軸箱軸承故障占比均為最高，2 階段分別占比83.33% 和90.00%，齒輪箱軸承和牽引電機(jī)軸承故障占比較少，其中120 萬km 期間未有牽引電機(jī)軸承發(fā)生故障，齒輪箱軸承故障占比16.67%，145 萬km 期間未有齒輪箱軸承發(fā)生故障，牽引電機(jī)軸承故障占比10%。動車組軸箱軸承的工作環(huán)境相對惡劣，受到?jīng)_擊載荷相對較大，容易發(fā)生故障，而齒輪箱軸承和電機(jī)軸承載荷相對較小，不易發(fā)生故障。

圖4 各類滾動軸承在2 個高級修周期內(nèi)故障占比

為分析對比各類滾動軸承服役性能差異，分別統(tǒng)計2 階段各類滾動軸承百萬公里故障率，如圖5 所示。動車組軸箱軸承百萬公里故障率在2 個階段均為最高，分別為0.02 和0.059，齒輪箱軸承和牽引電機(jī)軸承百萬公里故障率均處于極低水平，均不足0.01。此外還可以看出145 萬km 延長修期間動車組軸箱軸承故障率較前一個高級修周期有所上升，這是由于TADS-1 設(shè)備自2018 年逐步推廣，監(jiān)測范圍擴(kuò)大，診斷確認(rèn)出許多之前不易被發(fā)現(xiàn)的軸承初期故障，導(dǎo)致延長修期間動車組軸箱軸承故障率增加，不過借助TADS-1 對動車組軸箱軸承的日常安全監(jiān)測，有利于提高動車組運行安全裕度。

圖5 各類滾動軸承在2 個高級修周期內(nèi)百萬公里故障率

為進(jìn)一步探究高級修周期延長對動車組軸箱軸承服役狀態(tài)的影響，選取本次145 萬km 延長修期 間的110 萬～120 萬km 范 圍 和135 萬～145 萬km范圍均經(jīng)過TADS-1 探測站的動車組，保證2 段累計走行區(qū)間內(nèi)TADS-1 監(jiān)測的動車組軸箱軸承數(shù)量保持一致，軸承報警率則通過報警軸承數(shù)量與監(jiān)測的軸承總數(shù)之比得到，報警軸承數(shù)量按1～5級和1～3 級分別計數(shù)，如圖6 所示，累計走行在135 萬～145 萬km 區(qū)間內(nèi)動車組軸箱軸承的TADS-1 報警率并未上升，1～5 級報警由0.015 6下 降 至0.007 4，1～3 級 報 警 由0.013 0 下 降 至0.003 5，說明動車組軸箱軸承在累計走行里程超過120 萬km 后，服役狀態(tài)良好，未出現(xiàn)故障率上升問題。

圖6 動車組軸箱軸承在不同累計里程TADS-1 報警率

3 結(jié) 論

通過統(tǒng)計分析延長修驗證動車組各關(guān)鍵部件在前、后2 段高級修周期內(nèi)百萬公里故障率的變化、各關(guān)鍵部件故障占比的變化，得到高級修周期延長對動車組關(guān)鍵部件服役性能影響結(jié)論，研究結(jié)果表明：

（1）145 萬km 延長修期間，電氣板卡未出現(xiàn)因高級修周期延長而導(dǎo)致電氣板卡故障率上升的現(xiàn)象，說明此次動車組延長修對電氣板卡的階段服役性能沒有負(fù)面影響。

（2）通過統(tǒng)計分析，動車組電氣板卡在累計里程達(dá)480 萬km 后未出現(xiàn)百萬公里故障率明顯上升的現(xiàn)象，仍能保持良好的服役狀態(tài)。此結(jié)果表明某些五級修期間需要整體更換電氣板卡的動車組車型可考慮480 萬km 后對電氣板卡采取狀態(tài)修。

（3）動車組滾動軸承類部件中，軸箱軸承的故障占比最高，齒輪箱軸承和牽引電機(jī)軸承故障占比較低。

（4）此次高級修周期延長期間，動車組軸箱軸承的故障率有所上升，主要由于TADS-1 設(shè)備監(jiān)測范圍擴(kuò)大，診斷確認(rèn)出許多之前不易被發(fā)現(xiàn)的軸承初期故障。但是TADS-1 設(shè)備可以有效監(jiān)測動車組軸箱軸承的安全狀態(tài)，為行車提供保障。

（5）動車組軸箱軸承在累計走行里程超過120萬km 后，未出現(xiàn)TADS-1 報警率上升問題，說明動車組軸箱軸承此時服役狀態(tài)良好，高級修周期延長未對其產(chǎn)生負(fù)面影響，動車組軸箱軸承修程可以匹配整車145 萬km 間隔的高級修修程。