呂曉春

(中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 辦公廳， 北京 100844)

和諧型機(jī)車(chē)作為承擔(dān)我國(guó)鐵路主要牽引任務(wù)的現(xiàn)代運(yùn)輸裝備，具有較高的科技水平與運(yùn)用效率，投用至今已配屬11 000余臺(tái)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和高維護(hù)成本也對(duì)機(jī)車(chē)檢修工作提出了更高的要求。在開(kāi)展檢修工作時(shí)，傳統(tǒng)的計(jì)劃預(yù)防性維修越來(lái)越不能滿(mǎn)足裝備技術(shù)的快速發(fā)展。隨著外部監(jiān)測(cè)和診斷手段的加裝基本完成，和諧型機(jī)車(chē)自診斷、自監(jiān)測(cè)的高度數(shù)字化特點(diǎn)得到進(jìn)一步發(fā)展，使得預(yù)見(jiàn)性維修成為一個(gè)更好的選擇，這也是現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸裝備維修的發(fā)展趨勢(shì)。

1 預(yù)見(jiàn)性維修的概念

預(yù)見(jiàn)性維修是基于過(guò)程數(shù)據(jù)的維護(hù)，在裝備運(yùn)行時(shí)對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，判定裝備所處的狀態(tài)，預(yù)測(cè)裝備狀態(tài)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，依據(jù)裝備的狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)和可能的故障模式，預(yù)先制定預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃，確定機(jī)器應(yīng)該修理的時(shí)間、內(nèi)容、方式和必需的技術(shù)和物資支持。預(yù)測(cè)性維護(hù)集裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、維護(hù)決策支持和維護(hù)活動(dòng)于一體，是一種新興的維護(hù)方式[1]。

預(yù)見(jiàn)性維修出現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，世界上對(duì)其均處于研究開(kāi)發(fā)階段，各行業(yè)均在探索應(yīng)用預(yù)見(jiàn)性維修。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO/TS 16949標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)汽車(chē)行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)給出了明確定義和要求[2]；和美國(guó)國(guó)防部正在研究通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)幅度、噪聲水平和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的細(xì)微變化來(lái)為旋翼機(jī)提供預(yù)見(jiàn)性維護(hù)[3]；我國(guó)也對(duì)預(yù)見(jiàn)性維修開(kāi)展了一些探索，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組牽引變壓器空氣濾網(wǎng)開(kāi)展了預(yù)見(jiàn)性維修研究，建立了濾網(wǎng)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型[4]；第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院血液凈化中心對(duì)透析設(shè)備開(kāi)展了預(yù)見(jiàn)性維護(hù)，設(shè)備的故障次數(shù)和維修成本取得了顯著下降[5]；西安電子工程研究所提出一種基于大數(shù)據(jù)的裝備故障預(yù)測(cè)性維修技術(shù)[6]。

2 和諧型機(jī)車(chē)技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的直流機(jī)車(chē)相比，和諧型機(jī)車(chē)本身具有微機(jī)自動(dòng)診斷、故障數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)傳輸?shù)裙δ?，?shù)字化程度較高，“會(huì)說(shuō)話(huà)、知痛癢”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

2012年開(kāi)始，和諧型機(jī)車(chē)加裝機(jī)車(chē)車(chē)載安全防護(hù)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：6A系統(tǒng))，覆蓋主要客貨干線(xiàn)，已成為和諧型機(jī)車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，截至2018年底累計(jì)裝車(chē)10 854臺(tái)。對(duì)機(jī)車(chē)制動(dòng)、防火、絕緣、列供、走行部、視頻等多個(gè)方面進(jìn)行有效的安全監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車(chē)重點(diǎn)部件和部位的監(jiān)測(cè)需求。

同時(shí)，和諧型機(jī)車(chē)還加裝了中國(guó)機(jī)車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：CMD系統(tǒng))，建立了機(jī)車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸及信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各車(chē)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、地面實(shí)時(shí)故障報(bào)警、專(zhuān)家診斷分析以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。目前已在全路8 000余臺(tái)機(jī)車(chē)展開(kāi)應(yīng)用，日均收集機(jī)車(chē)各類(lèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息8 000萬(wàn)余條。

隨著6A、CMD系統(tǒng)的加裝完成，和諧型機(jī)車(chē)開(kāi)始探索裝備全壽命周期管理，機(jī)車(chē)裝備健康管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PHM+系統(tǒng))項(xiàng)目開(kāi)始推進(jìn)，以PHM+車(chē)輪系統(tǒng)為先導(dǎo)，18個(gè)關(guān)鍵部件PHM+系統(tǒng)陸續(xù)開(kāi)始研發(fā)。PHM+系統(tǒng)利用智能傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了部件制造、運(yùn)用、檢修和報(bào)廢的全壽命周期、全鏈條數(shù)據(jù)采集；通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、趨勢(shì)分析等信號(hào)處理方法，提取主要特征數(shù)據(jù)，評(píng)估部件狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、監(jiān)測(cè)車(chē)輪缺陷，指導(dǎo)運(yùn)用檢修。

3 預(yù)見(jiàn)性維修關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)見(jiàn)性維修是一項(xiàng)綜合性工作，隨著理論發(fā)展與技術(shù)的成熟，其形成了一套完整的技術(shù)體系[7]，這是裝備施行預(yù)見(jiàn)性維修的必要條件。具體如圖1所示。

圖1 和諧型機(jī)車(chē)預(yù)見(jiàn)性維修關(guān)鍵技術(shù)

(1)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)依據(jù)檢測(cè)手段的不同而分成許多種，常用的包括：振動(dòng)監(jiān)測(cè)法、噪聲監(jiān)測(cè)法、溫度監(jiān)測(cè)法、壓力監(jiān)測(cè)法、油液分析監(jiān)測(cè)法等。目前這些主要的監(jiān)測(cè)技術(shù)在和諧型機(jī)車(chē)上均有較為成熟的應(yīng)用，機(jī)車(chē)自帶傳感器和后期加裝的6A、CMD系統(tǒng)從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車(chē)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，可以對(duì)涉及行車(chē)安全的關(guān)鍵部件(如走行部軸承)的振動(dòng)、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但仍有部分參數(shù)(如變壓器絕緣油理化和氣相色譜分析)只能定期取樣檢測(cè)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面還有很大的發(fā)展空間。

(2)故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)在連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中有著非常重要的意義，是預(yù)見(jiàn)性維護(hù)技術(shù)體系的重要組成部分，關(guān)鍵在于特征提取算法及故障識(shí)別方法。按照診斷的方法原理，故障診斷可分為：時(shí)頻診斷法、統(tǒng)計(jì)診斷法、信息理論分析法等。和諧型機(jī)車(chē)裝有微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制裝置，對(duì)機(jī)車(chē)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，出現(xiàn)故障時(shí)可以進(jìn)行自診斷，同時(shí)6A系統(tǒng)針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、電氣絕緣、列供裝置、走行部等影響行車(chē)安全的關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

(3)狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)預(yù)測(cè)就是根據(jù)裝備的運(yùn)行信息，評(píng)估部件當(dāng)前狀態(tài)并預(yù)計(jì)未來(lái)的狀態(tài)。預(yù)測(cè)方法的開(kāi)發(fā)一般有3種基本途徑：物理模型、知識(shí)系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，常將3種途徑綜合在一起，目前該技術(shù)在和諧型機(jī)車(chē)車(chē)輪上已有初步的應(yīng)用，PHM+車(chē)輪系統(tǒng)通過(guò)利用產(chǎn)品的生命周期載荷和失效機(jī)理知識(shí)來(lái)評(píng)估產(chǎn)品可靠性，基于可用的歷史信息，從統(tǒng)計(jì)和概率角度出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的健康狀況和可靠性進(jìn)行推斷、估計(jì)和預(yù)測(cè)。其他部件的PHM+系統(tǒng)也在研發(fā)當(dāng)中，未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)的部件范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大。

(4)維護(hù)決策支持與維護(hù)活動(dòng)

維護(hù)決策是從人員、資源、時(shí)間、費(fèi)用、效益等多方面、多角度出發(fā)，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行維護(hù)可行性分析，定出維護(hù)計(jì)劃，確定維護(hù)保障資源。維護(hù)決策的制定方法一般有故障樹(shù)推理法、數(shù)學(xué)模型解析法、故障模式影響分析法等。針對(duì)和諧型機(jī)車(chē)檢修，我國(guó)鐵路已開(kāi)展多年的相關(guān)研究，對(duì)故障樹(shù)推理法、故障模式影響分析等維修決策技術(shù)應(yīng)用較為成熟，歷經(jīng)兩次修程修制改革，形成了一套以可靠性為中心的機(jī)車(chē)檢修技術(shù)體系，能夠保證對(duì)機(jī)車(chē)施行科學(xué)有效的維修活動(dòng)。

4 和諧型機(jī)車(chē)預(yù)見(jiàn)性維修應(yīng)用平臺(tái)搭建

和諧型機(jī)車(chē)的自身技術(shù)特點(diǎn)與外部數(shù)據(jù)條件為施行預(yù)見(jiàn)性維修提供了基礎(chǔ)，搭建預(yù)見(jiàn)性維修應(yīng)用平臺(tái)成為預(yù)見(jiàn)性維修能否順利應(yīng)用的關(guān)鍵。根據(jù)預(yù)見(jiàn)性維修的開(kāi)展流程，結(jié)合現(xiàn)有資源與手段，初步搭建和諧型機(jī)車(chē)預(yù)見(jiàn)性維修應(yīng)用平臺(tái)，如圖2。

和諧型機(jī)車(chē)預(yù)見(jiàn)性維修應(yīng)用分為采集層、處理層與應(yīng)用層，同時(shí)由6A、CMD、PHM+系統(tǒng)組成機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)平臺(tái)，與運(yùn)用檢修單位一起在整個(gè)預(yù)見(jiàn)性維修流程中發(fā)揮作用。和諧型機(jī)車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包含機(jī)車(chē)微機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與其他車(chē)載系統(tǒng)數(shù)據(jù)，無(wú)線(xiàn)傳輸至地面數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，這是預(yù)見(jiàn)性維修的第一步。通過(guò)各系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理，對(duì)故障進(jìn)行精確診斷、對(duì)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并向運(yùn)用檢修單位給出維修決策與建議。最后由運(yùn)用檢修單位根據(jù)維修決策結(jié)果，對(duì)機(jī)車(chē)施行有針對(duì)性的維修活動(dòng)。

預(yù)見(jiàn)性維修應(yīng)用平臺(tái)整合了機(jī)車(chē)、數(shù)據(jù)平臺(tái)、運(yùn)用檢修單位等主要元素來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)見(jiàn)性維修的業(yè)務(wù)流程，發(fā)揮了和諧型機(jī)車(chē)的數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，充分利用了外部數(shù)據(jù)條件。故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，是能否指導(dǎo)運(yùn)用檢修單位開(kāi)展科學(xué)的維修活動(dòng)的關(guān)鍵所在。

圖2 和諧型機(jī)車(chē)預(yù)見(jiàn)性維修應(yīng)用平臺(tái)

5 和諧型機(jī)車(chē)施行預(yù)見(jiàn)性維修的效果預(yù)期

(1)機(jī)車(chē)故障率降低

隨著施行預(yù)見(jiàn)性維修，通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可以在故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)并開(kāi)展有針對(duì)性的維修活動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步減少?gòu)墓收显跈C(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)的發(fā)生，保證了運(yùn)輸?shù)陌踩头€(wěn)定。

(2)機(jī)車(chē)檢修范圍優(yōu)化

和諧型機(jī)車(chē)檢修目前還是以計(jì)劃預(yù)防修體制為主，很多部件還是進(jìn)行周期性的檢測(cè)和更新，隨著施行預(yù)見(jiàn)性維修，部分維修項(xiàng)目可以從定期維修改為根據(jù)狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行不同策略的維修，定期性的維護(hù)范圍會(huì)不斷優(yōu)化。

(3)機(jī)車(chē)檢修成本下降

預(yù)見(jiàn)性維修的施行，最大限度的發(fā)揮了部件的可靠性壽命。定期檢修范圍的優(yōu)化帶來(lái)定期檢修時(shí)的成本下降，特別針對(duì)牽引變流器、微機(jī)控制系統(tǒng)等電氣產(chǎn)品，在高級(jí)修程時(shí)可以探索不下車(chē)檢修模式。

(4)機(jī)車(chē)可用性提升

機(jī)車(chē)運(yùn)行故障率的下降會(huì)減少計(jì)劃外的停機(jī)，定期檢修范圍的優(yōu)化會(huì)帶來(lái)檢修停時(shí)的下降，特別是高級(jí)修程的檢修周期會(huì)進(jìn)一步下降，在全壽命周期內(nèi)可以提供更多的可用機(jī)車(chē)。

(5)機(jī)車(chē)檢修體系的全面提升

維修模式的轉(zhuǎn)變緩解了檢修技術(shù)人員研究深度不夠，檢修工人任務(wù)量大的問(wèn)題。將技術(shù)力量集中至機(jī)車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)測(cè)研究中，更具有針對(duì)性，既提高了人員技術(shù)水平，又提高了檢修的質(zhì)量，對(duì)機(jī)車(chē)檢修體系的提升能夠起到全面的促進(jìn)作用。

6 和諧型機(jī)車(chē)施行預(yù)見(jiàn)性維修的建議

現(xiàn)階段預(yù)見(jiàn)性維修的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均有較為成熟的應(yīng)用，但在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷技術(shù)、自動(dòng)診斷技術(shù)、遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型、灰色預(yù)測(cè)模型等新技術(shù)的應(yīng)用還不成熟，能夠開(kāi)展預(yù)測(cè)性維修的范圍還很有限，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)預(yù)見(jiàn)性維修的關(guān)鍵技術(shù)研究。

目前預(yù)見(jiàn)性維修還處在起步階段，在沒(méi)有完全掌握機(jī)車(chē)和部件的質(zhì)量規(guī)律的前提下，其應(yīng)用范圍應(yīng)在保證機(jī)車(chē)運(yùn)用安全的前提下逐步擴(kuò)大。從技術(shù)難度低的部件開(kāi)始研究，確保對(duì)機(jī)車(chē)和部件的狀態(tài)能夠做到數(shù)字化的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

7 結(jié)束語(yǔ)

和諧型機(jī)車(chē)自2007年投用至今已12年，機(jī)車(chē)運(yùn)用和檢修質(zhì)量總體穩(wěn)定，對(duì)其技術(shù)與質(zhì)量狀況的不斷摸索，積累了大量運(yùn)用檢修數(shù)據(jù)。隨著各機(jī)型陸續(xù)開(kāi)始進(jìn)入最高級(jí)修程，和諧型機(jī)車(chē)檢修進(jìn)入了一個(gè)新的階段，同時(shí)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，預(yù)見(jiàn)性維修的優(yōu)點(diǎn)對(duì)克服和諧型機(jī)車(chē)檢修當(dāng)前面臨的困難十分有效。隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，裝備狀態(tài)預(yù)測(cè)理論的不斷成熟、維修組織的不斷進(jìn)步，預(yù)見(jiàn)性維修的應(yīng)用會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，促使維修體系發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，其收效會(huì)越來(lái)越顯著。