狀態(tài)修檢修技術(shù)在重載鐵路貨車上的應(yīng)用分析

張靜軒，邊志宏

（1.中國神華能源股份有限公司，北京 100011；2.國能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100011）

截至2020年底，國家能源投資集團(tuán)有限公司（以下簡稱“國家能源集團(tuán)”）直營鐵路線路里程達(dá)到2155公里，擁有各類規(guī)格鐵路貨車52492輛，5個重載貨車維修子公司負(fù)責(zé)所有重載貨車的維修、運(yùn)維管理工作正在進(jìn)行中。多年來，國家能源集團(tuán)重載貨車的維修工作一直在執(zhí)行與“日檢、準(zhǔn)時保養(yǎng)”緊密結(jié)合的防護(hù)程序維修規(guī)章制度，設(shè)備和重載貨車維修工作服務(wù)自動化技術(shù)和智能化水平的不斷發(fā)展，重載鐵路運(yùn)輸機(jī)制不斷完善?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是以時間段來區(qū)分廠修，而分段修的維修體系早已無法實(shí)現(xiàn)國家能源集團(tuán)鐵路運(yùn)輸板塊的高質(zhì)量、智能化發(fā)展。因此，國家能源集團(tuán)以“實(shí)時監(jiān)測、科學(xué)合理評價、精準(zhǔn)維護(hù)、成本控制”為總體目標(biāo)，以重載貨車應(yīng)用穩(wěn)定性為核心，以技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)為評價指標(biāo)體系，通過信息化、平臺化、數(shù)字化、智能化等方法開展了重載貨車維修制度改革創(chuàng)新的探索與實(shí)踐。

1 狀態(tài)修概述

狀態(tài)修可以快速準(zhǔn)確地修復(fù)重載貨車的特性，具有維修效率高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)。境外鐵路貨車狀態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵方法是定期維護(hù)狀態(tài)修復(fù)；檢查周期時間根據(jù)輪子和卷筒的磨損情況制定檢修時，應(yīng)進(jìn)行使用壽命管理的零部件和易損件的狀態(tài)檢查。根據(jù)零部件狀態(tài)進(jìn)行更換維修和集中維修，確保車輛在下一個狀態(tài)檢查周期內(nèi)可靠運(yùn)行。近年來，為了進(jìn)一步提高車輛的穩(wěn)定性、易用性、安全系數(shù)和擴(kuò)展性，降低車輛的維護(hù)成本，提高車輛應(yīng)用的高效率，鐵路設(shè)備有限公司集成了自己的車輛應(yīng)用、維護(hù)和管理等特點(diǎn)，積極推動科學(xué)狀態(tài)檢修技術(shù)在鐵路貨車上的應(yīng)用，明確提出狀態(tài)檢修技術(shù)科學(xué)研究的總體理念和規(guī)定。本文基于國家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新項目惠能集團(tuán)重載鐵路重載貨車國修成套裝備技術(shù)科研與裝備研發(fā)——狀態(tài)修工藝規(guī)程研究，進(jìn)行鐵路重載貨車國家維修保養(yǎng)技術(shù)探討，開展核心技術(shù)研究，為制定修理程序、檢修技術(shù)規(guī)范、制定檢修工藝奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

2 狀態(tài)修相關(guān)技術(shù)

2.1 PHM技術(shù)

故障預(yù)測與健康管理作為新一代裝備的核心技術(shù)，對提高裝備的安全系數(shù)和日常任務(wù)的成功率、提高安全效率、降低安全成本等具有關(guān)鍵作用。對于鐵路重載貨車的狀態(tài)維修，關(guān)鍵必須使用PHM技術(shù)中故障預(yù)測和維修策略改進(jìn)的相關(guān)方。為了完成對車輛運(yùn)行狀態(tài)的全面識別，需要對車輛在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測，同時，根據(jù)預(yù)測情況，科學(xué)安排維修，完成維修策略的改進(jìn)。不同的零件有不同的故障模式，因此應(yīng)采用不同的故障預(yù)測方法，故障預(yù)測方法有很多種，最常見的可分為模型的故障預(yù)測技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測技術(shù)和貝葉斯統(tǒng)計的故障預(yù)測技術(shù)。

（1）實(shí)型的故障預(yù)測技術(shù)。根據(jù)模型失效預(yù)測方法的假設(shè)，可以得到目標(biāo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)分析模型，該類方法基于功能損傷的確定來評估關(guān)鍵部件的損傷等級，用于基于建立數(shù)據(jù)模型或隨機(jī)過程模型來評估部件的剩余使用壽命。以鐵路線上的重卡為例，車輪滾動擺脫了疲勞熱應(yīng)力模型，裂紋發(fā)展規(guī)律。對鉤舌和牽引繩桿的裂紋進(jìn)行建模，得出失效時間預(yù)測分析。

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動的常見故障預(yù)測分析技術(shù)。目前，機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測手段不斷完善，數(shù)據(jù)監(jiān)測也在逐步完善。數(shù)據(jù)監(jiān)測的故障檢測方法逐漸成為常見故障預(yù)測分析新技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)驅(qū)動的常見故障預(yù)測分析技術(shù)可以進(jìn)一步分為基于及時數(shù)據(jù)監(jiān)測的常見故障預(yù)測分析技術(shù)和基于間接數(shù)據(jù)監(jiān)測的常見故障預(yù)測分析技術(shù)。這兩種方法都涉及鐵路列車常見故障的預(yù)測和分析。例如，根據(jù)輪輞的規(guī)格和型號的定期檢查，創(chuàng)建輪輞的損壞數(shù)據(jù)信息，以預(yù)測和分析輪輞的剩余使用壽命。常見故障預(yù)測與分析的方法，涉及到及時的數(shù)據(jù)監(jiān)測，THDS系統(tǒng)是基于對滾動軸承溫度的檢測來識別滾動軸承的常見故障，屬于間接數(shù)據(jù)監(jiān)測的方法。

（3）貝葉斯統(tǒng)計常見故障預(yù)測分析技術(shù)。很多故障塊的出現(xiàn)是相對不經(jīng)意的，整個過程并沒有明顯減少。隨后，可以從以往常見故障歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析特征方向進(jìn)行系統(tǒng)故障預(yù)測分析，這種方法稱為貝葉斯統(tǒng)計。常見故障預(yù)測分析方法，例如，轉(zhuǎn)向節(jié)破裂是重載貨車轉(zhuǎn)向節(jié)的常見故障，可以根據(jù)對大量數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計與分析，根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用公里數(shù)得出失效標(biāo)準(zhǔn)概率分布，可以用來考慮零件的性能。

2.2 FEMCA技術(shù)

失效模式與影響分析是一種綜合分析技術(shù)，適用于探索系統(tǒng)中各個部件的多種可能無效元素，分析失效概率和嚴(yán)重后果。使用FMECA方法，專家必須利用自己的工作經(jīng)驗，對車輛運(yùn)行過程中各種常見故障的損壞和頻繁發(fā)生進(jìn)行定性分析和描述。較大的組件和常見的故障模式被定義為診斷模型的評估類別。

3 國內(nèi)外鐵路重載貨車檢修制度技術(shù)發(fā)展歷程

美國鐵路重載貨車早期在基本狀態(tài)下采用“日常檢查、狀態(tài)修”的保養(yǎng)方式，后來逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐誀顟B(tài)、時間為導(dǎo)向的狀態(tài)修方式；俄羅斯鐵路的重卡一開始采用的是“保護(hù)計劃維修”的維修方式。20世紀(jì)中后期逐漸與基于實(shí)際里程的保養(yǎng)方式接軌：澳大利亞（三大礦業(yè)公司）、澳大利亞和巴西鐵路線上的重卡采用“時效性”，背馱式運(yùn)輸車輛采用基于里程的維修方式。部分企業(yè)（澳大利亞PN企業(yè)）“按時間段進(jìn)行保護(hù)性計劃維修”的維修方式適用時間范圍：歐洲地區(qū)，歐盟成員國的貨運(yùn)和物流鐵路貨車應(yīng)用“保護(hù)性計劃維修”根據(jù)時間范圍。保養(yǎng)方式，根據(jù)背包運(yùn)輸車的行駛里程選擇“保障性住房計劃”的保養(yǎng)方式。與西方國家相比，世界各地物流貨運(yùn)發(fā)展趨勢的工作經(jīng)驗表明，形勢是根據(jù)運(yùn)營里程數(shù)提前準(zhǔn)備的發(fā)展趨勢的實(shí)際方向。在中國，鐵路貨車的保養(yǎng)方法是按固定間隔進(jìn)行的。1965年至今，鐵路線路重型貨車的維修重點(diǎn)是保養(yǎng)、全方位檢查維修和狀態(tài)檢查維修。4種按時保養(yǎng)維修程序和列車定期保養(yǎng)。經(jīng)過10余年的維修改革、創(chuàng)新和完善，我國大部分鐵路重載貨車，包括國家能源集團(tuán)鐵路重載貨車，只有廠修、段修的二級準(zhǔn)時維修手續(xù)，由于鐵路線路固定車輛附設(shè)、固定區(qū)間運(yùn)營等獨(dú)特特點(diǎn)，自2003年以來，敞車采用“大修、全面檢查修、狀態(tài)檢查修”等與廠修、段修、輔修相對應(yīng)的以里程為主、兼顧時間的“預(yù)防性計劃修”檢修模式；通用線和鐵路公司采用基于時間的“預(yù)防性計劃修”檢修模式。

4 關(guān)鍵零部件剩余壽命預(yù)測模型

4.1 退化類零部件剩余壽命預(yù)測模型

退化型組件是指在整個應(yīng)用過程中出現(xiàn)顯著的退化發(fā)展趨勢，可以用一個或多個退化量來表示，并且可以根據(jù)整個退化過程和設(shè)定的退化模式來預(yù)測和分析剩余使用壽命。例如，基于TWDS監(jiān)測系統(tǒng)對胎面圓損傷的數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以建立輪輞損傷的模型，進(jìn)而預(yù)測和分析輪輞的修復(fù)機(jī)會。

4.2 失效類零部件剩余壽命預(yù)測模型

對于失效類部分，沒有顯著的退化過程，因此很難建立一個退化模型，對于此類零件，如果在大修中不失效，則通過應(yīng)用一定里程獲得剩余使用壽命預(yù)測模型失敗的概率。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)失效概率，綜合考慮零部件的健康狀況，從而具體指導(dǎo)車輛的評分和維修工藝區(qū)分。

4.3 基于“5T”系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測模型

軌旁監(jiān)控設(shè)備是檢測重載貨車運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵手段，現(xiàn)階段主要是鐵路線路列車的“5T”系統(tǒng)，根據(jù)“5T”檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的挖掘和融合，可以完成故障識別和預(yù)警信息，根據(jù)“5T”系統(tǒng)的狀態(tài)檢測模型，針對各系統(tǒng)的報警數(shù)據(jù)信息特點(diǎn)，建立部件評價指標(biāo)體系。

（1）根據(jù)THDS滾子軸承的常見故障預(yù)警信息。今天的THDS系統(tǒng)可以有效地檢查滾子軸承的狀況，并對熱軸的常見故障進(jìn)行報警。但是，為了更好地利用THDS數(shù)據(jù)監(jiān)測來評估車況系統(tǒng)下的車況，必須以THDS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。對滾動軸承常見故障的預(yù)警信息進(jìn)行監(jiān)測并建立模型，對滾動軸承常見故障發(fā)展趨勢進(jìn)行THDS系統(tǒng)告警。異常等級用于專業(yè)指導(dǎo)滾子軸承狀態(tài)評估和系統(tǒng)修復(fù)的開發(fā)設(shè)計。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、時間序列模型和統(tǒng)計分析方法，對THDS當(dāng)前的信息內(nèi)容和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行縱向規(guī)律性分析，反映縱向規(guī)律性。對整個過程進(jìn)行定向、歷史和數(shù)據(jù)分析。問題發(fā)生前的滾動軸承檢查程序的大部分信息內(nèi)容是一些異常情況。測試設(shè)備全過程從運(yùn)行里程方面考察數(shù)據(jù)信息的發(fā)展趨勢并進(jìn)行定期預(yù)測分析，周期性分析里程和周期性聯(lián)系。進(jìn)一步細(xì)分單個檢測設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行發(fā)展趨勢預(yù)測分析，針對預(yù)測情況設(shè)定不同的結(jié)果，將各個級別分開，并根據(jù)不同的劃分級別設(shè)置懲罰指標(biāo)，單個項目檢測設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)信息經(jīng)常性異常或間歇性異常，或檢測數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)明顯增長趨勢時，應(yīng)適當(dāng)劃定處罰分值管轄。

（2）根據(jù)TADS滾子軸承狀況審查。在這個環(huán)節(jié)，TADS的重要日常任務(wù)是找出滾子軸承的原始常見故障，根據(jù)告警中常見故障的歷史時間檢測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)TADS的檢測時間較長，因此，在使用TADS數(shù)據(jù)信息分析滾子軸承時，不僅要考慮長期報告，還要充分考慮報警。當(dāng)今形勢下，在構(gòu)建評價體系時，需要隨時隨地考慮多層次：

①考慮警戒級別，充分考慮TADS系統(tǒng)的基本報警原理，報警等級越高，滾動軸承的常見故障特征越明顯。

②考慮告警中的常見故障類型是否相同，如果TADS系統(tǒng)得到的各告警常見故障類型的一致性越好，則判斷常見故障的真實(shí)有效性越高，否則，很可能會覺得故障不是很常見，或者錯誤報告的可能性很大。

③考慮警報的頻率和持續(xù)時間。警報頻率或持續(xù)警報頻率越高，常見故障的可能性就越高。

（3）根據(jù)TPDS評估胎面損傷。TPDS系統(tǒng)的一個關(guān)鍵作用是檢測胎面損壞，根據(jù)對胎面損傷實(shí)例的監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢查反饋數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)胎面損傷在整個過程中具有漸進(jìn)的發(fā)展趨勢，整個發(fā)展趨勢有2個關(guān)鍵表現(xiàn)：一是從TPDS的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，主要表現(xiàn)為非零大沖擊劑量出現(xiàn)緩慢而頻繁，非零較大沖擊劑量刻度值逐漸增大，由早期偶發(fā)性大沖擊劑量小于警戒水平，到中后期連續(xù)發(fā)生大沖擊劑量達(dá)到胎面損傷警戒水平階段。二是從現(xiàn)場胎面破損報警反饋數(shù)據(jù)來看，尚未解決的胎面破損程度正在逐步發(fā)展。因此，在構(gòu)建基于TPDS監(jiān)測數(shù)據(jù)的輪胎胎面損傷評價指標(biāo)體系時，應(yīng)考慮歷史時間監(jiān)測數(shù)據(jù)。

5 重載鐵路貨車狀態(tài)修修程設(shè)置方案

5.1 在線修

開展重型貨車卸貨例行體檢：根據(jù)滑坡路段，開展重型列車所需制動系統(tǒng)檢查：重點(diǎn)檢查車輛安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，人因檢查檢查為輔，通用設(shè)備檢查 將故障預(yù)警信息結(jié)果信息內(nèi)容消息推送給操作人員，進(jìn)行所需的定期維護(hù)和應(yīng)急處理。在線維護(hù)可以進(jìn)一步完善我國能源集團(tuán)列檢工作的設(shè)計和規(guī)劃，減少列檢人員數(shù)量和列檢作業(yè)時間，提高運(yùn)輸效率。

5.2 Z1修

鐵路重載貨車狀態(tài)檢測與維護(hù)系統(tǒng)（HCCBM）根據(jù)列車剎車片的磨損狀態(tài)和車輛技術(shù)狀態(tài)的測試結(jié)果進(jìn)行分析和統(tǒng)計分析，生成列車和車輛檢測報告，從而明確Z1維修時機(jī)。Z1維修的主要工作內(nèi)容如下。

（1）工作區(qū)車輛狀況確認(rèn)與保養(yǎng)。車輛狀態(tài)確認(rèn)內(nèi)容涉及對自動消息推送的預(yù)警信息的故障確認(rèn)：根據(jù)列車進(jìn)站考試初步測試，檢查并確認(rèn)制動系統(tǒng)故障部位；使用智能巡檢系統(tǒng)輔助人力對列車進(jìn)行快速巡檢；對技術(shù)狀況進(jìn)行全方位檢查，根據(jù)檢測結(jié)果確認(rèn)無法修復(fù)的車輛，并明確申請更換。維修內(nèi)容還涉及列車剎車片的集中拆裝更換以及制動系統(tǒng)是否關(guān)閉、車體損壞故障的解決方案，維修工作完成后，將進(jìn)行最后的風(fēng)試。

（2）根據(jù)維修庫維修，對基層維修庫中的軸承故障和大鉤延遲故障進(jìn)行集中維修。

（3）車輛更換和交付，在停車線中，對必須提修的車輛進(jìn)行拆換，并在必須交付車輛維修編隊時進(jìn)行制動系統(tǒng)測試，測試結(jié)束后，如果有立即啟動站標(biāo)準(zhǔn)，則無需進(jìn)行重復(fù)技術(shù)檢查。

5.3 Z2修

HCCBM系統(tǒng)根據(jù)車輛輪輞胎面的損傷情況和空氣制動系統(tǒng)設(shè)備的測試結(jié)果進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)分析，并轉(zhuǎn)化為列車和機(jī)動車檢測報告。因此，確定了Z2修復(fù)機(jī)會。對掛車橋榫、制動閥、氣開閥、鉤舌進(jìn)行集中更換和維護(hù)：對車身、轉(zhuǎn)向架、橋榫、轉(zhuǎn)向架緩存文件設(shè)備、制動系統(tǒng)設(shè)備等進(jìn)行全面檢查；自行車測試、轉(zhuǎn)向架“三態(tài)”動作和抗跳特性測試。與非單階段維修相比，取消的維修內(nèi)容如下。

（1）車身。拆下各耐磨鋼、前后、左右、上下?lián)醢?、芯板、上滾動軸承等的熔煉檢查：拆下固定支架配件、沖擊座、芯板、承重梁、及后蓋板的裂紋、浸水等侵蝕等損壞、變形等維修技術(shù)規(guī)范。

（2）轉(zhuǎn)向架。取消轉(zhuǎn)向架的清洗；取消除軸榫外的其他部位的拆檢，送大典維修；取消制動系統(tǒng)橫梁探傷檢查和檢查；除定期檢查和調(diào)整球墨鑄鐵側(cè)滾動軸承耐磨鋼和滾子軸承的絕對高度外，取消其他部位的規(guī)格型號、損壞和外觀檢查。

（3）轉(zhuǎn)向架緩存文件機(jī)械設(shè)備，除鉤舌外，取消其他部位的拆卸和維修：取消鉤銷、鉤尾架、轉(zhuǎn)動套筒的探傷和檢查：檢查取消所有零件的規(guī)格、型號和損壞情況；沉重的鉤體取消了拖桿尾部和兩側(cè)的裂紋檢查。

（4）制動裝置。取消軟管連接器分解檢查和軟管風(fēng)水壓試驗，省去控制閥防盜罩及限壓閥防盜擋的安裝工作。

6 結(jié)語

運(yùn)用PHM相關(guān)技術(shù)將狀態(tài)修檢修這一核心理念應(yīng)用于鐵路行車檢修行業(yè)，將是我國鐵路行車檢修體制改革的主要方向，本文建立了鐵路重載貨車狀態(tài)修復(fù)綜合診斷模型，該模型充分考慮了車輛零部件的剩余使用壽命，以及軌道邊緣檢測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到綜合評分。根據(jù)重要部件的特點(diǎn)和整車綜合優(yōu)良率，專門指導(dǎo)修理廠的選擇，根據(jù)文中提到的綜合診斷模型，可作為中國鐵路線路列車狀態(tài)檢修推廣的參考。