高鐵軸承失效分析案例數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)中，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到了失效分析的重要性，但由于這門學(xué)科還處在發(fā)展初期，大多數(shù)企業(yè)并沒有采用線上管理，這就導(dǎo)致分析成果無法被充分利用。文章通過高鐵軸承失效分析案例數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，幫助企業(yè)解決了失效案例在管理和利用上的諸多難題，大量寶貴的案例經(jīng)驗(yàn)得到積累和傳承，有利于企業(yè)的持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：高鐵軸承；失效分析案例庫；MVC

中圖分類號：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）02-0069-05

Design and Implementation of a Case Database for Failure Analysis of High Speed Rail Bearings

WANG Wei， DING Jiahao， ZHU Bowen， YE Hongyang， SHI Wenyang

（Luoyang Bearing Research Institute Co.， Ltd.， Luoyang 471000， China）

Abstract： In modern industry， people gradually realize the importance of failure analysis. However， as this discipline is still in its early stage of development， most enterprises do not adopt online management， which leads to the inability to make full use of the analysis results. The paper helps enterprises solve numerous difficulties in the management and utilization of failure cases through the design and implementation of the database of failure analysis cases for high speed rail bearings. A large amount of valuable case experience is accumulated and inherited， which is conducive to the continuous improvement and innovation of enterprises.

Keywords： high speed rail bearing; failure analysis case library; MVC

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.012

0 引 言

由于我國幅員遼闊、地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，高鐵列車在這樣的工況環(huán)境下保持高運(yùn)力地運(yùn)行，列車上使用的軸承難免會發(fā)生腐蝕、磨損、疲勞、斷裂等多種失效模式[1]，導(dǎo)致列車無法安全、可靠地運(yùn)行，從而直接或間接地造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生災(zāi)難性事故。因此，如何做好高鐵軸承失效案例的收集和有效利用，對于保障列車運(yùn)行的安全性和可靠性至關(guān)重要。

近些年，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，為失效案例的收集、整理和充分利用提供了新的途徑。建立失效案例庫，可以把大量散落在各處的失效案例收集起來統(tǒng)一管理，幫助工程師快速診斷問題，制定有效的預(yù)防措施和優(yōu)化維護(hù)策略。同時，它也為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝提供了實(shí)證依據(jù)，推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量提升。

1 案例數(shù)據(jù)庫建立的背景

1.1 管理手段落后

長期以來，高鐵軸承失效案例的收集和有效利用在技術(shù)和管理上一直是一個難題。由于失效案例數(shù)量繁多且散落在各處，傳統(tǒng)的人工方法對失效案例進(jìn)行整理和歸類，不僅耗時費(fèi)力、效率低下，而且不利于查詢和利用[2]。另外，一些時間久遠(yuǎn)的失效案例多以紙質(zhì)報告形式進(jìn)行保存，難免會出現(xiàn)老化、破損等現(xiàn)象，影響重復(fù)利用。

1.2 管理不規(guī)范

在分析過程中，由于軸承產(chǎn)品的專業(yè)術(shù)語較多，一些技術(shù)特征缺少統(tǒng)一的失效定義，不同的技術(shù)人員經(jīng)常使用不同的詞匯描述相同的特征，這樣導(dǎo)致同類型的案例有多種不同的記錄和報告，容易對后續(xù)人員學(xué)習(xí)借鑒帶來概念混淆的困擾，同時也為案例的整理和歸類增加了難度。

1.3 人員流動大

當(dāng)前區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，人員流動已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。由于失效分析的經(jīng)驗(yàn)和知識往往分散在不同的人員和團(tuán)隊(duì)中，頻繁的人員流動導(dǎo)致工作經(jīng)驗(yàn)難以積累和有效傳承。新員工需要花費(fèi)大量時間重新適應(yīng)和學(xué)習(xí)，而寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)隨離職人員的流失而散失，影響了工作效率和組織的長期發(fā)展。

2 案例數(shù)據(jù)庫建立的目標(biāo)

2.1 建立統(tǒng)一的案例共享平臺

基于B/S模式[3]建立一套高鐵軸承失效分析案例數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，不僅可以對大量的失效案例進(jìn)行系統(tǒng)化和規(guī)范化集中管理，而且打通了部門之間的數(shù)據(jù)壁壘，使技術(shù)、生產(chǎn)、質(zhì)量等部門能夠高效協(xié)同，減少重復(fù)勞動。同時，系統(tǒng)使用電子文件備份留檔，減少了資料損壞和丟失的風(fēng)險。

2.2 失效定義實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化

由于失效案例來源于不同單位，涉及不同的產(chǎn)品、型號和生產(chǎn)廠家，對失效對象和失效模式等關(guān)鍵知識的描述各不相同，為便于檢索的準(zhǔn)確性和方便性，系統(tǒng)中建立了字典庫，對軸承品牌、軸承類型、失效對象和失效模式等關(guān)鍵知識進(jìn)行統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理[4]。

2.3 知識積累與傳承

案例庫將分散的、零碎的案例和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)化整理和存儲，構(gòu)建了一個結(jié)構(gòu)化的知識體系。該體系不僅為員工提供了一個便捷的參考工具，幫助他們快速解決類似問題，提升工作效率，還實(shí)現(xiàn)了企業(yè)知識的有效傳承，減少因人員流動導(dǎo)致的知識流失。

3 案例數(shù)據(jù)庫的整體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

出于對平臺穩(wěn)定性、擴(kuò)展性及運(yùn)維等因素的考慮，本系統(tǒng)采用目前主流的MVC三層架構(gòu)[5]，將應(yīng)用程序分為三個部分：模型（Model）、視圖（View）和控制器（Controller）。模型負(fù)責(zé)表示應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯；視圖負(fù)責(zé)渲染數(shù)據(jù)給用戶；控制器負(fù)責(zé)處理用戶的輸入，并將其映射到適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃鸵晥D。這種分離使得代碼更加模塊化，提高了代碼的復(fù)用性和可維護(hù)性，使得開發(fā)過程更加模塊化和邏輯清晰，如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)框架

如圖2所示，本系統(tǒng)基于Java語言進(jìn)行開發(fā)，使用了SSM開發(fā)框架[6]，即Spring、SpringMVC和MyBatis框架的整合。Spring框架提供了全面的基礎(chǔ)設(shè)施支持，包括依賴注入和面向切面編程；SpringMVC則用于構(gòu)建Web應(yīng)用的MVC架構(gòu)，處理請求和渲染視圖；MyBatis作為持久層框架，簡化了與數(shù)據(jù)庫的交互，支持靈活的SQL映射和對象關(guān)系映射。

4 案例數(shù)據(jù)庫的功能設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)需求分析

失效分析是一門發(fā)展中的新興學(xué)科，它通過系統(tǒng)調(diào)查、科學(xué)測試，識別和確定材料、組件或系統(tǒng)失效的原因，提出改進(jìn)措施，以防止類似問題再發(fā)生。因此，在高鐵軸承失效分析案例的管理中，應(yīng)該體現(xiàn)分析過程的每一個環(huán)節(jié)，保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和規(guī)范性[7]。系統(tǒng)需求分析主要包括以下五個部分。

4.1.1 收集失效信息

通過現(xiàn)場勘查和事故調(diào)查結(jié)果，技術(shù)人員分別從設(shè)計(jì)資料、材料資料、工藝資料、使用資料等方面去查找相關(guān)內(nèi)容，將故障部件的相關(guān)信息采集并記錄下來，主要分為軸承基本信息和現(xiàn)場工況信息兩部分。

4.1.2 確認(rèn)失效模式

在確認(rèn)的過程中，可以根據(jù)字典庫中的故障部件和故障位置，逐層進(jìn)行分析，直到找到最底層的失效原因。對于模棱兩可的失效現(xiàn)象，也可以通過查閱之前發(fā)生過的類似失效案例，幫助技術(shù)人員確認(rèn)。

4.1.3 記錄檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)確認(rèn)的失效模式和故障位置，結(jié)合樣品的生產(chǎn)和使用情況，技術(shù)人員對故障部件進(jìn)行針對性檢測分析，主要包括以下幾個方面[8]：

1）故障部件所采用的材料及這些材料的主要理化性能，如硬度、金相組織、非金屬夾雜物、碳化物網(wǎng)狀、碳化物帶狀、碳化物液析、殘余奧氏體等。

2）故障部件的公差等級、尺寸公差和旋轉(zhuǎn)精度。如軸承內(nèi)、外徑的偏差及變動量，成套軸承內(nèi)、外圈徑向跳動，內(nèi)圈斷面對內(nèi)孔的垂直度，外圈外表面對端面的垂直度，成套軸承內(nèi)、外圈軸向跳動，徑向游隙和軸向游隙等。

3）故障部件的表面粗糙度、殘磁限值、絕緣電阻、絕緣電壓等。

4.1.4 判定失效原因

失效原因的診斷是失效分析的核心和關(guān)鍵。每一個失效案例的分析結(jié)果都能成為企業(yè)的寶貴技術(shù)文檔，為未來類似問題提供參考和解決方案。在案例數(shù)據(jù)庫中，具體應(yīng)該包含以下兩個部分：一是根據(jù)檢測分析結(jié)果確定失效的根本原因，作出結(jié)論；二是出具分析報告，提供可能的改善措施。

4.1.5 案例數(shù)據(jù)利用

案例庫的充分利用，不應(yīng)該只停留在對失效案例的檢索查閱上，還應(yīng)該提供挖掘數(shù)據(jù)背后潛在價值的能力。因此，為技術(shù)人員提供豐富的知識和經(jīng)驗(yàn)，使不同崗位的工作人員都能夠快速查找到需要的數(shù)據(jù)，這僅僅是第一步。下一步還要培養(yǎng)技術(shù)人員的自我學(xué)習(xí)能力，通過數(shù)據(jù)庫的報表分析工具，能夠從海量的失效案例中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，掌握規(guī)律，提升技術(shù)水平和問題解決能力，消除潛在的失效因素[9]。

4.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析和建設(shè)目標(biāo)，案例數(shù)據(jù)庫主要分為四個部分，其中包括：基礎(chǔ)模塊、權(quán)限管理、字典管理和業(yè)務(wù)模塊：

1）基礎(chǔ)模塊。基礎(chǔ)模塊是整個系統(tǒng)的核心組成部分，包括用戶管理、部門管理、文件管理、流程管理等，為整個系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)和支撐。

2）權(quán)限管理。權(quán)限管理包括應(yīng)用管理、菜單管理、角色管理和數(shù)據(jù)權(quán)限。它通過精確控制和分配用戶對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限，有效保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

3）字典管理。字典管理是將系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵字段取值范圍進(jìn)行收集和整理，形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)據(jù)。主要包括以下字典項(xiàng)：故障部件、故障位置、軸承型號、軸承品牌、原材料及熱處理、潤滑、失效模式等。

4）業(yè)務(wù)模塊。業(yè)務(wù)模塊分為案例收集、案例確認(rèn)、案例檢測、案例判定、案例管理、案例檢索、案例統(tǒng)計(jì)、案例分析等功能，實(shí)現(xiàn)了對失效案例生命周期各個階段的閉環(huán)管理。

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

4.3 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以案例收集為出發(fā)點(diǎn)，通過對故障部件進(jìn)行失效模式確認(rèn)、故障位置檢測分析，得出失效結(jié)論并出具失效報告，再到失效案例檢索和利用，打通了每一個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

5 案例數(shù)據(jù)庫的具體實(shí)現(xiàn)

5.1 案例收集

系統(tǒng)通過手工錄入、批量導(dǎo)入兩種方式對失效案例進(jìn)行收集。手工錄入方式，由技術(shù)人員分別將軸承基本信息和使用工況信息錄入系統(tǒng)，如圖5、圖6所示；批量導(dǎo)入方式，主要用于歷史案例的收集，技術(shù)人員根據(jù)導(dǎo)入模板將案例信息整理成Excel文件，然后通過導(dǎo)入功能將案例信息批量導(dǎo)入系統(tǒng)。

5.2 案例確認(rèn)

通過系統(tǒng)中錄入的軸承基本信息和使用工況信息，技術(shù)人員對故障部件的失效模式進(jìn)行初步確認(rèn)，找到失效原因并將確認(rèn)結(jié)果錄入系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)錄入的失效模式，匹配得出下一步的檢測方案。

5.3 案例檢測

根據(jù)確認(rèn)的失效模式和檢測方案，技術(shù)人員對故障部件進(jìn)行檢測分析，其中包含：金相組織檢測、軸承游隙檢測、粗糙度檢測、絕緣檢測等檢測項(xiàng)目。檢驗(yàn)完成后，將檢驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來，如圖7所示。

5.4 案例判定

技術(shù)人員根據(jù)軸承的基本信息、使用工況信息以及檢測數(shù)據(jù)，對故障部件的失效原因進(jìn)一步分析，得出失效結(jié)論并出具失效報告，將信息錄入系統(tǒng)。錄入完成后，錄入人員提交審核流程，等待管理人員的審核。

5.5 案例管理

管理人員對失效案例進(jìn)行審核，主要對案例信息的完整性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性進(jìn)行檢查。如果審核通過，失效案例則進(jìn)入案例庫；如果審核沒有通過，失效案例則退回到錄入人員，需要進(jìn)行修改。

5.6 案例檢索

查閱人員可以對案例庫中審核通過的失效案例進(jìn)行檢索利用。在系統(tǒng)中輸入要查詢的關(guān)鍵詞信息，如軸承型號、軸承類型、故障部件、故障位置、失效模式等，便可以查詢到相關(guān)的失效案例進(jìn)行查閱。

5.7 案例統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)通過對案例數(shù)據(jù)的不同維度進(jìn)行分類匯總，使用表格等形式直觀展現(xiàn)數(shù)據(jù)，使復(fù)雜的信息變得清晰易懂，幫助用戶迅速獲取所需信息，節(jié)省大量時間和精力。例如軸承類型失效模式統(tǒng)計(jì)表，如圖8所示。

5.8 案例分析

系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)人員制定的分析模型，對案例數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工處理，通過柱狀圖、餅圖等圖表形式對失效案例的關(guān)鍵要素進(jìn)行展示，幫助管理人員更快地理解和分析數(shù)據(jù)，從而更好地挖掘數(shù)據(jù)中的有價值信息[10]。

6 結(jié) 論

高鐵軸承失效分析案例數(shù)據(jù)庫的建立，通過對大量失效案例進(jìn)行系統(tǒng)化和規(guī)范化集中管理，實(shí)現(xiàn)了“收集—管理—查閱—分析”一體化以及失效分析數(shù)據(jù)的廣泛共享。隨著數(shù)據(jù)庫中的失效案例不斷積累，這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識可以為相關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)提升提供數(shù)據(jù)資料，有助于改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝和質(zhì)量管理體系，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

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作者簡介：王偉（1982—），男，漢族，河南洛陽人，軟件開發(fā)工程師，本科，研究方向：軟件開發(fā)。

收稿日期：2024-06-27