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        基于軸溫動(dòng)態(tài)閾值的列車(chē)軸承故障預(yù)測(cè)

        2018-09-21 11:20:42劉光俊牟琳張珍文
        關(guān)鍵詞:軸溫故障預(yù)測(cè)動(dòng)車(chē)組

        劉光俊 牟琳 張珍文

        摘 要:隨著我國(guó)高鐵的飛速發(fā)展,列車(chē)運(yùn)行安全面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),列車(chē)轉(zhuǎn)向架作為列車(chē)核心部件不允許出現(xiàn)問(wèn)題,因此對(duì)列車(chē)轉(zhuǎn)向架軸承故障預(yù)測(cè)具有十分重大的意義。本文研究基于軸溫動(dòng)態(tài)閾值的列車(chē)軸承故障預(yù)測(cè),提醒列車(chē)相關(guān)人員進(jìn)行關(guān)注并采取處置措施,保障列車(chē)運(yùn)行安全。

        關(guān)鍵詞:軸溫;動(dòng)車(chē)組;動(dòng)態(tài)閾值;故障預(yù)測(cè)

        中圖分類(lèi)號(hào):TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        0 引言

        在動(dòng)車(chē)和高鐵的運(yùn)行過(guò)程中,列車(chē)轉(zhuǎn)向架軸承一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致重大交通事故,因此對(duì)列車(chē)轉(zhuǎn)向架軸承故障預(yù)測(cè)具有十分重大的意義。然而,目前車(chē)地系統(tǒng)對(duì)列車(chē)轉(zhuǎn)向架軸承狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要來(lái)自各軸溫傳感器。因此,如何通過(guò)車(chē)地系統(tǒng)發(fā)送的軸溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)判斷軸承的健康狀態(tài)并預(yù)測(cè)列車(chē)故障成為一個(gè)亟待解決的重大課題。

        目前采用的故障預(yù)測(cè)依據(jù):(1)軸溫差過(guò)大。(2)軸溫溫升斜率過(guò)大。這兩種方法都是通過(guò)使用人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納出來(lái)的判別物理量來(lái)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)的,有很大的局限性。

        好處:物理意義明確,便于理解。

        壞處:首先,不能充分的考慮多種影響因素,例如列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)(速度、加速度),外溫(環(huán)境溫度),僅僅考慮了幾個(gè)類(lèi)似物理量的變化的一致性特征。其次,僅僅考慮了簡(jiǎn)單時(shí)序特性,軸溫的變化是一個(gè)積累的過(guò)程,不僅與當(dāng)前時(shí)刻的各種因素相關(guān),而且與之前一段時(shí)間內(nèi)的各種影響因素相關(guān)。

        然而列車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,這些因素與軸溫有著很強(qiáng)的相關(guān)性。因此故障預(yù)測(cè)模型的建立必須充分地考慮到這些因素。從圖1可以看出,軸溫與外界環(huán)境溫度無(wú)論是線(xiàn)性和非線(xiàn)性相關(guān)性都比較強(qiáng)。

        綜上所述,由于軸溫的影響外界溫度(與季節(jié)、運(yùn)行線(xiàn)路有關(guān))、速度、加速度等都是隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)的變化的,因此我們認(rèn)為軸溫的合理范圍也是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的,而非一個(gè)固定的值。如何建立一個(gè)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)閾值正是我們要解決的根本問(wèn)題。

        1 解決方案與原理

        1.1 一部件一模型

        模型是針對(duì)部件的,某輛列車(chē)的某個(gè)部件訓(xùn)練一個(gè)模型。舉例來(lái)說(shuō),A列車(chē)1位軸端溫度和B列車(chē)的1位軸端溫度對(duì)應(yīng)的模型就是不一樣的。A列車(chē)的1位軸端溫度和2位軸端溫度以及1軸小齒輪箱車(chē)輪側(cè)軸承溫度所對(duì)應(yīng)的模型也是不一樣的。但僅僅是模型的參數(shù)不同,模型的構(gòu)建原理是一樣的。

        1.2 模型更新頻率

        為了使模型適應(yīng)大環(huán)境的變化,大環(huán)境包括季節(jié)、運(yùn)行線(xiàn)路的調(diào)整等。模型可以進(jìn)行定期更新,更新頻率可以為每周或者每月。模型的定期更新是為了彌補(bǔ)長(zhǎng)期訓(xùn)練數(shù)據(jù)的缺失。同時(shí)也是為了適應(yīng)特定列車(chē)號(hào)列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)路的調(diào)整。

        彌補(bǔ)長(zhǎng)期訓(xùn)練數(shù)據(jù)的缺失,目前我們的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中僅保留了3個(gè)月解析后的數(shù)據(jù),勉強(qiáng)可以滿(mǎn)足訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的要求。但是不能反映出列車(chē)軸溫的季節(jié)性的變化。因此構(gòu)建的模型自然也無(wú)法學(xué)習(xí)到季節(jié)變化的因素。但是我們可以通過(guò)每周更新模型,使得模型能夠反映近期環(huán)境溫度下的規(guī)律。

        適應(yīng)特定列車(chē)號(hào)運(yùn)行線(xiàn)路的調(diào)整。每趟列車(chē)的列車(chē)號(hào)是固定的,一輛列車(chē)通常需要跑多條線(xiàn)路,但是相對(duì)一段時(shí)期內(nèi)是不變的。因此,模型可以學(xué)習(xí)到列車(chē)在多條線(xiàn)路上運(yùn)行的狀態(tài)信息。如果運(yùn)行線(xiàn)路發(fā)生重大調(diào)整,就需要重新訓(xùn)練模型。定期更新模型也是為了適應(yīng)這種線(xiàn)路調(diào)整的變化。

        1.3 動(dòng)態(tài)閾值的計(jì)算

        以1位軸端溫度的動(dòng)態(tài)閾值的計(jì)算為例。

        1.3.1 訓(xùn)練階段

        訓(xùn)練輸入:一段時(shí)間范圍內(nèi)(30min)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)(速度、加速度)、環(huán)境因素(戶(hù)外溫度)、2-7軸端時(shí)間范圍初始和結(jié)束的軸溫值。訓(xùn)練數(shù)據(jù)需要包括盡可能多的數(shù)據(jù),至少包括一個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù),越長(zhǎng)越好,學(xué)習(xí)到的環(huán)境因素越復(fù)雜。

        回歸量:1位軸端溫度。

        訓(xùn)練輸出:模型文件(二進(jìn)制文件),保存了模型的結(jié)構(gòu)以及模型系數(shù)。

        1.3.2 動(dòng)態(tài)閾值計(jì)算

        動(dòng)態(tài)閾值的計(jì)算可以是實(shí)時(shí)的,也可以是事后的。根據(jù)已經(jīng)訓(xùn)練好的模型計(jì)算動(dòng)態(tài)閾值的速度是可以很快達(dá)到實(shí)時(shí)的計(jì)算要求。但是由于故障的預(yù)測(cè)是以天為單位的,因此也可以在列車(chē)入庫(kù)后進(jìn)行。

        輸入量:當(dāng)天運(yùn)行數(shù)據(jù),包括列車(chē)狀態(tài)(速度、加速度)、環(huán)境溫度(戶(hù)外溫度)、2-7軸端時(shí)間范圍初始和結(jié)束的軸溫值。與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)是相同的。

        輸出量:1位軸端溫度的預(yù)測(cè)值。

        動(dòng)態(tài)閾值=預(yù)測(cè)值+預(yù)測(cè)誤差精度。

        當(dāng)實(shí)際測(cè)量的溫度高于動(dòng)態(tài)閾值時(shí),則預(yù)警。

        2 實(shí)驗(yàn)成果

        使用了A列車(chē)某段時(shí)間共計(jì)66915條數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。對(duì)某段時(shí)間共計(jì)13065條數(shù)據(jù)做預(yù)測(cè),得到圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),如圖3所示,可以看出真實(shí)值和預(yù)測(cè)值的R2分?jǐn)?shù)達(dá)到0.99,說(shuō)明預(yù)測(cè)值很好地詮釋了真實(shí)值。誤差均值為-0.04接近0均值符合預(yù)期,均方根誤差rmse為0.65,預(yù)測(cè)誤差在1℃以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的89.5%,預(yù)測(cè)誤差在2℃以?xún)?nèi)的占比99.5%,全部數(shù)據(jù)的誤差在3℃以?xún)?nèi),其中最大預(yù)測(cè)誤差為2.75℃。我們認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]趙澤斌.高速動(dòng)車(chē)組軸溫自動(dòng)控制分析[C]//.中國(guó)智能交通年會(huì),2013.

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