李凱，暴長(zhǎng)春，何彬

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

現(xiàn)階段城市軌道交通車輛因?yàn)榇嬖谲囕v結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，在當(dāng)前車輛維修中可以從信息技術(shù)入手，探索狀態(tài)檢測(cè)的新方法。為了能夠更好的適應(yīng)未來城市軌道交通車輛系統(tǒng)維修的需求，則需要探索狀態(tài)檢測(cè)與系統(tǒng)性維修的新路徑，其中基于現(xiàn)代信息技術(shù)的車輛狀態(tài)評(píng)估方法可以充分彌補(bǔ)常規(guī)技術(shù)方案的缺陷，在狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛的運(yùn)行變化情況，成為未來技術(shù)發(fā)展的新方向。因此為了能夠適應(yīng)這一變化，則需要尋找到全生命周期維護(hù)的新方法，這也是本文研究的重點(diǎn)。

1 城市軌道交通車輛的狀態(tài)檢測(cè)要求

1.1 城市軌道交通車輛的安全問題分析

結(jié)合現(xiàn)階段我國城市軌道交通車輛的實(shí)際情況，車輛的安全性問題主要表現(xiàn)在以下幾方面：①車輛結(jié)構(gòu)的靜力破壞。該破壞現(xiàn)象常見于車輛的零部件上，也可能出現(xiàn)在車輛碰撞等事故中。②疲勞失效。這被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，是因?yàn)椴糠至悴考哪途眯圆?，或者在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中面臨高強(qiáng)度的疲勞，最終引發(fā)薄弱部位出現(xiàn)裂紋甚至拓展到整個(gè)結(jié)構(gòu)上[1]。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者在狀態(tài)檢測(cè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用案例分析的方法，對(duì)某地區(qū)城市軌道交通車輛的安全狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，最終結(jié)果如表1所示。

表1 某地區(qū)城市軌道交通車輛的故障信息統(tǒng)計(jì)

從表1的相關(guān)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)的城市軌道交通車輛中，故障的分布呈現(xiàn)出時(shí)間變化的趨勢(shì)，不同零部件所發(fā)生故障的時(shí)間分布存在不同，但是均經(jīng)歷了“峰值→平穩(wěn)”的變化過程，其原因可能為：在車輛零部件故障問題頻發(fā)之后，通過強(qiáng)化零部件管理能夠?qū)⒏黝惏踩录l(fā)生率降到最低，滿足車輛維修與管理的要求。

1.2 狀態(tài)檢測(cè)的評(píng)估模型

在本次研究中，為更好的了解城市軌道交通車輛的運(yùn)行狀態(tài)情況，本文將從可靠性工程入手，通過邏輯圖來顯示元件之間的功能狀態(tài)，經(jīng)方框用直線連接元件的關(guān)系后，體現(xiàn)元件功能的關(guān)系。其中在串聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估階段，假設(shè)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)或零部件組成，則任意單元的可靠性均具有獨(dú)立性，單元之間的失效不相關(guān)，當(dāng)一個(gè)單元失效的狀況下會(huì)造成系統(tǒng)功能失效，該系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖

其中需要注意的是，在狀態(tài)評(píng)估中需要按照從任意一點(diǎn)出發(fā)，在掌握邏輯圖串聯(lián)要求的基礎(chǔ)上正確化劃分不同系統(tǒng)之間的功能，例如車輛的齒輪減速機(jī)主要包括箱體、軸承以及箱體等，其中任意部分的失效都會(huì)造成最終檢測(cè)結(jié)果的異常。

1.3 車輛狀態(tài)智能檢測(cè)技術(shù)分析

隨著未來城市運(yùn)營(yíng)軌道項(xiàng)目不斷拓展城市軌道交通車輛的周期性、高頻次以及隨機(jī)性輪載作用下導(dǎo)致零部件結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生損傷，不僅會(huì)影響乘客的舒適性，也會(huì)增加車輛運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。按照本文介紹的狀態(tài)檢測(cè)要求，為了能夠進(jìn)一步提高檢測(cè)效果，在狀態(tài)智能檢測(cè)中應(yīng)該合理運(yùn)用智能化技術(shù)，采用智能傳感器完成狀態(tài)評(píng)估，其中的關(guān)鍵零部件包括陀螺儀、加速度計(jì)等關(guān)鍵傳感器，確保智能化裝置能夠更好的評(píng)估車輛的運(yùn)行狀態(tài)，并利用5G技術(shù)完成數(shù)據(jù)的上傳與信息采集。

2 城市軌道交通車輛全生命周期評(píng)價(jià)

2.1 車輛結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定

研究認(rèn)為，疲勞是影響機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)安全的重要因素，并評(píng)估關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的磨損、腐蝕環(huán)境等因素下車輛性能變化情況[2]。在這個(gè)過程中，假設(shè)車輛運(yùn)行過程中有n（t）個(gè)零部件失效，則有N-n（t）個(gè)零部件處于正常工作狀態(tài)下，則可靠性的評(píng)估方法如公式（1）所示。

在公式（1）中，R(t)為列車零部件的可靠性估計(jì)值。

為了更好的判斷出全生命周期環(huán)境下的車輛故障問題，本文以城市軌道交通零部件的壽命t為橫坐標(biāo)，以△n(t)/(N·△t)（失效頻率/組距）為縱坐標(biāo)規(guī)制直方圖。

2.2 車輛零部件的有效壽命

從全生命周期的角度來看，本文將車輛零部件的失效過程細(xì)分為早期失效、隨機(jī)失效以及損耗失效三個(gè)階段，其中早期失效是最常見的零部件故障情況，主要誘因是制造缺陷、設(shè)計(jì)不完善以及驗(yàn)收疏忽等，在城市軌道交通車輛全生命周期評(píng)價(jià)過程中，通過對(duì)車輛零部件的有效壽命進(jìn)行識(shí)別，有助于對(duì)關(guān)鍵零部件的性能變化情況作出評(píng)估，進(jìn)而快速識(shí)別可能影響零部件性能的因素；隨機(jī)失效則是指原因隨機(jī)原因造成的偶然失效現(xiàn)象，即使采用先進(jìn)的維護(hù)措施也無法杜絕此類問題發(fā)生；損耗失效則是指因?yàn)樵O(shè)備施工過程中的損耗、疲勞以及老化等原因造成的失效現(xiàn)象，其主要特征為失效率的快速上升，常見于產(chǎn)品使用的后期階段。

結(jié)合上述對(duì)車輛零部件有效壽命的分析，本文認(rèn)為需要從全壽命周期和城市軌道車輛的整機(jī)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，尋找一條科學(xué)有效的預(yù)防措施，進(jìn)而顯著降低車輛零部件的失效率，最終達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用年限的目的。

2.3 車輛零部件的失效率

失效率與有效壽命是相對(duì)應(yīng)的，在全生命周期理論下，任何零部件都具有一個(gè)具體的使用年限，而失效則意味著零部件使用年限的終結(jié)此時(shí)則需要對(duì)車輛做系統(tǒng)性的維修。

在分析車輛零部件失效率過程中，計(jì)算零部件的失效率如公式（2）所示。

針對(duì)零部件的失效率情況，假設(shè)該零部件的全生命周期為t1-t2，則零部件的平均壽命為：

在公式（3）中，為零部件使用的平均壽命，其他解釋見上述公式。

3 基于狀態(tài)檢測(cè)的軌道交通車輛系統(tǒng)性維修的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合前文介紹的內(nèi)容可知，本文在狀態(tài)檢測(cè)中依托快速發(fā)展的5G技術(shù)，可以最大限度確保信息傳輸?shù)挠行?，因此在城市軌道交通車輛全生命周期系統(tǒng)性維修過程中，應(yīng)積極打造統(tǒng)一完整的數(shù)據(jù)庫，該技術(shù)庫由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、加工以及運(yùn)維管理等多個(gè)部門相互協(xié)作完成，在數(shù)據(jù)庫中應(yīng)詳細(xì)列舉每輛城市軌道交通車輛的狀態(tài)信息，在與生產(chǎn)廠家取得交流后了解車輛關(guān)鍵工藝的步驟以及技術(shù)規(guī)范等，并運(yùn)用信息化手段，隨時(shí)在數(shù)據(jù)庫中更新車輛的運(yùn)行狀態(tài)，這樣隨著車輛全生命周期的進(jìn)展，則關(guān)于車輛的數(shù)據(jù)信息也在不斷完善中，進(jìn)而使數(shù)據(jù)庫的信息更加完善[3]。在構(gòu)建上述數(shù)據(jù)庫后，利用本文介紹的狀態(tài)檢測(cè)方法對(duì)軌道交通車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。例如記錄不同時(shí)間狀態(tài)下車輛的振動(dòng)以及噪音情況等，此時(shí)借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)能夠直接將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)做對(duì)比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常后則可以向維修人員提供維修信息[4]。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中結(jié)合零部件的有效壽命與失效率等重要指標(biāo)，對(duì)零部件的性能展開判斷，針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果顯示零部件“失效”或者“達(dá)到使用年限”的情況下，則可以提示工作人員及時(shí)更新零部件，確保第一時(shí)間解決故障[5]。

4 結(jié)語

在基于狀態(tài)檢測(cè)的城市軌道交通車輛全生命周期系統(tǒng)性維修中，要求工作人員充分利用信息化技術(shù)，在堅(jiān)持對(duì)車輛狀態(tài)科學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)上，能夠從車輛運(yùn)行現(xiàn)狀入手正確評(píng)估有無安全隱患。同時(shí)通過對(duì)關(guān)鍵零部件開展失效率以及有效壽命評(píng)價(jià)，則能夠更有效的排除風(fēng)險(xiǎn)，為開展全生命周期管理奠定基礎(chǔ)，這已經(jīng)成為保證城市軌道交通車輛正常運(yùn)行的關(guān)鍵。因此必須基于狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，完善檢修技術(shù)應(yīng)用路徑，最終為徹底消除車輛潛在故障隱患奠定基礎(chǔ)。