張 斌，寧友波，楊延峰，劉 通，張關(guān)震

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081;2. 中國國家鐵路集團有限公司 機輛部，北京 100844)

車輪作為機車車輛的重要走行部件，起著承載和導向作用，其安全可靠性與列車的平穩(wěn)運行密切相關(guān)，是影響鐵路機車車輛運營安全的重要因素。同時，合理的車輪運用維修方案能延長車輪使用壽命，降低機車運營成本?；诳煽啃浴踩?、經(jīng)濟性等方面考慮，以預測技術(shù)為核心的故障預測與健康管理(PHM)受到越來越多的重視和應用，已成為鐵路新產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量保障的一項關(guān)鍵技術(shù)[1]。

本文借助PHM技術(shù)，結(jié)合車輪失效分析的研究成果及應用現(xiàn)狀，設(shè)計了一套機車PHM+車輪系統(tǒng)，并以該系統(tǒng)為例開展機車車輪PHM技術(shù)的研究。

1 鐵路機車車輛車輪信息的采集追溯機制

基于RFID技術(shù)的機車車輪信息自動采集技術(shù)和設(shè)備，包括安裝在機車車輪上的RFID標簽，自動識別和采集機車車輪RFID標簽信息的地面安裝式和手持式識別系統(tǒng)。車輪被賦予唯一標識代碼，利用RFID、溫度及振動傳感器等傳感技術(shù)實現(xiàn)車輪制造、運用、檢修和報廢的全壽命周期數(shù)據(jù)采集，建立起全路機車車輪的蹤跡追溯機制。圖1為早期的故障車輪。分析發(fā)現(xiàn)，車輪輻板位置的焊補缺陷是引發(fā)車輪崩輪的主要原因。限于當時的技術(shù)水平和能力，為了追查同時期、同批次的焊補車輪流向，相關(guān)單位投入了大量的人力和物力。由于沒有大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，查找問題車輪的去向相當困難，很有可能會遺漏，但隨著PHM系統(tǒng)的建立，追查產(chǎn)品信息已成為該系統(tǒng)的一項基本功能，圖2為PHM系統(tǒng)車輪信息查詢和檢索功能示意圖。

圖1 早期故障車輪

圖2 PHM系統(tǒng)車輪信息查詢和檢索功能示意圖

2 鐵路機車車輛車輪的故障預測

車輪在運用過程中常見的損傷主要有踏面損傷和車輪內(nèi)部疲勞(輞裂)兩大類[2]。車輪發(fā)生輞裂時的失效分析表明，車輪踏面下10～20 mm處一定尺寸的脆性非金屬夾雜物是誘發(fā)輪輞裂紋的主要原因，可見輞裂故障屬于車輪制造工藝質(zhì)量問題。由于故障車輪同批次的車輪鋼坯采用相同的冶煉工藝，因此其他同批次的車輪內(nèi)部非金屬夾雜物的水平可能與故障車輪相當，也存在發(fā)生輞裂故障的風險。

圖3為PHM系統(tǒng)車輪質(zhì)量溯源和故障預測功能示意圖。如圖3所示，通過該系統(tǒng)可追查到與輞裂車輪同批次車輪產(chǎn)品的去向，如所屬車輛、配屬的路局、運行的線路情況等等，同時還可以對該批次車輪的源頭制造數(shù)據(jù)進行追溯，如該批次車輪的非金屬夾雜物及在踏面下的分布狀況、車輪報廢率以及在制造環(huán)節(jié)與車輪質(zhì)量相關(guān)的控制要素等等，幫助分析故障車輪及同批次車輪的根本質(zhì)量問題，使車輪的制造工藝水平及產(chǎn)品質(zhì)量得到提高。

圖3 PHM系統(tǒng)車輪質(zhì)量溯源和故障預測功能示意圖

此外，通過分析系統(tǒng)庫中與輞裂車輪同批次在役車輪的制造和修程中車輪內(nèi)部夾雜物的探傷數(shù)據(jù)，能夠預測這些車輪發(fā)生輞裂的可能性，從而有針對性地進行防控和處理，避免不必要的報廢。

3 鐵路機車車輛車輪的健康狀態(tài)評估

車輪PHM技術(shù)是以車輪相關(guān)數(shù)據(jù)和理論分析模型為基礎(chǔ)，采用物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動相融合的方法匯總各類制造、監(jiān)測、檢測信息，利用車輪振動信息(表面?zhèn)麚p或內(nèi)部傷損)、輪軌力信息(車輪多邊形及剝離)、探傷信息(內(nèi)部傷損)來衡量車輪的傷損狀態(tài)，利用尺寸信息來表征車輪磨耗狀態(tài)。圖4為鐵路機車車輛車輪的健康狀態(tài)評估模型。圖4中，車輪振動信號在經(jīng)過預處理、頻域分析、主成分提取后進入PHM工具箱，利用鋼軌上安裝的特殊應變片傳感器測量輪軌力，用以衡量車輪傷損情況；收集的輪軌力信號經(jīng)過帶通濾波、時域分析、主成分提取后再經(jīng)過傳輸系統(tǒng)進入到PHM工具箱中；探傷波形信號經(jīng)過時域分析、主成分提取后也進入PHM工具箱；系統(tǒng)將人工測量結(jié)果進行線性回歸，將生成的線性回歸結(jié)果與智能檢測設(shè)備結(jié)果相互校驗，最后生成尺寸結(jié)果進入到PHM工具箱中。PHM工具箱依據(jù)采集數(shù)據(jù)進行健康評估、剩余壽命估計、報警提示及維修策略輸出。

圖4 鐵路機車車輛車輪的健康狀態(tài)評估模型

4 鐵路機車車輛車輪的檢修方案

車輪屬于易損耗部件，其壽命很大程度上是由旋修量和旋修次數(shù)決定的，減少車輪的旋修量和旋修次數(shù)可以延長車輪使用壽命。在車輪運用過程中，旋修不及時會產(chǎn)生安全隱患，頻繁、過度和不當旋修則會造成較大浪費，所以經(jīng)濟性的旋修策略顯得尤為重要。

前期研究成果表明，經(jīng)濟性旋修策略大致需要考慮以下3個方面：

(1) 尺寸信息。根據(jù)踏面磨耗量、輪緣厚度、直徑、整車輪徑差及旋修周期內(nèi)車輪磨耗量確定旋修深度；

(2) 報警信息。通過不同車輪報警類型(如超聲波探傷、振動報警等)及級別，初步確定旋修深度；

(3) 預防性旋修。針對車輪長時間不旋修會發(fā)生深度裂紋(例如制動熱裂紋)的情況，超過一定周期時會提示車輪旋修，避免單個車輪旋修量過大。

結(jié)合車輪經(jīng)濟性旋修決策流程如圖5所示。

圖5 經(jīng)濟性旋修決策流程

5 鐵路機車車輛車輪的綜合數(shù)據(jù)分析

機車車輛車輪故障預測及健康管理系統(tǒng)以大屏形式直觀體現(xiàn)各級鐵路運用部門統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，科學而實時地展示機車車輛車輪匯總統(tǒng)計、健康管理、檢修作業(yè)、檔案信息等信息，可為車輪生產(chǎn)制造、運維管理、維修決策提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

例如車輪踏面損傷中的滾動接觸疲勞剝離問題是多年困擾鐵路運營的難點[3]。PHM系統(tǒng)能綜合考慮車輪所屬車輛的軸重[4]，運行的線路條件[5]，雨、雪等服役環(huán)境[6]、車輪噴砂所選用的砂粒大小等車輪外部因素，以及車輪微觀組織結(jié)構(gòu)均勻性[7]、非金屬夾雜物尺寸大小[8]等車輪內(nèi)在因素對車輪踏面接觸疲勞性能的影響，從車輪材質(zhì)、運行線路、配屬車型的適用性等多角度進行全面系統(tǒng)的綜合分析，找出剝離輪的實質(zhì)影響因素，提出有針對性的建議和改進措施。根據(jù)PHM中大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，若是車輪材質(zhì)對線路的適用性不理想，可以更換車輪材質(zhì)；若是車體本身的問題，可以優(yōu)化轉(zhuǎn)向架等部件的結(jié)構(gòu)；若無明顯規(guī)律，而是普遍性的批量問題，則需要結(jié)合大數(shù)據(jù)的深度分析結(jié)果篩選出既有車輪中適用性相對理想的材質(zhì)，以此材質(zhì)車輪的各項指標為基礎(chǔ)，開發(fā)新材質(zhì)車輪，制定新標準。圖6為結(jié)合車輪實際服役情況的統(tǒng)計分析功能示意圖。

圖6 結(jié)合車輪實際服役情況的統(tǒng)計分析功能示意圖

6 應用情況

目前，機車車輪故障預測與健康管理系統(tǒng)已在中國國家鐵路集團有限公司部分局段進行試點應用，其效果主要體現(xiàn)在以下3個方面：

(1) 保障安全。實現(xiàn)車輪的制造、檢修、運用、監(jiān)測檢測等信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，快速收集故障車輪歷史數(shù)據(jù)和定位關(guān)聯(lián)隱患車輪，建立車輪蹤跡追溯機制。運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)車輪健康狀態(tài)實時評估及不良狀況提前預警。

(2) 提高經(jīng)濟性。利用系統(tǒng)中的經(jīng)濟性旋修數(shù)學模型，實現(xiàn)綜合考量尺寸、傷損、預防機制和應急處理等因素的車輪經(jīng)濟性旋修策略落地，試點單位試用過程中以平均單次旋修量減少20%為類比，可合理延長車輪使用壽命，降低車輪采購及壓裝等的成本，同時優(yōu)化機車車輛小修、中修及大修的檢修計劃，提高機車運用周轉(zhuǎn)率。

(3) 輔助車輪管理。建立起車輪全壽命周期數(shù)據(jù)，為運用及管理部門提供車輪磨耗和運用數(shù)據(jù)，并自動生成車輪相關(guān)報表，及時找出車輪運用和維修過程中存在的問題，輔助車輪管理。

7 結(jié)束語

機車車輪PHM系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)完成車輪的生產(chǎn)制造、加工組裝、運用檢修及傷損分析等多元信息的采集和融合處理，不僅實現(xiàn)了全路機車車輪狀態(tài)的實時查詢和追蹤溯源，更可有效實現(xiàn)面向全路機車車輪全壽命周期狀態(tài)的智能化管控、大數(shù)據(jù)分析和科學預測。該項技術(shù)能夠推進“可預見性維修”進程，提高車輪的安全性、維修性、測試性、保障性和可靠性，成為機車車輪新產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量保障的一項關(guān)鍵技術(shù)。

隨著PHM技術(shù)在機車車輪領(lǐng)域的深入發(fā)展和運用積累，該技術(shù)可逐漸向機車車輛其他重要部件拓展，如電機、齒輪箱等，形成機車車輛重要安全部件的綜合故障預測和健康管理大系統(tǒng)。在鐵路信息化建設(shè)統(tǒng)一部署下，車輪故障預測及健康管理系統(tǒng)和其他檢測監(jiān)測系統(tǒng)將實現(xiàn)信息互通互聯(lián)，在大數(shù)據(jù)分析和智能裝備技術(shù)的共同作用下，為我國鐵路運輸?shù)陌踩椒€(wěn)保駕護航。