張 宇，霍苗苗，陳 霞，陳 湘

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 運(yùn)營(yíng)三分公司，北京100082；2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，北京102208；3.北京唐智科技發(fā)展有限公司，北京100097）

隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，城市軌道交通（簡(jiǎn)稱(chēng)：城軌）以其安全、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大、速度快、便捷和舒適等突出特點(diǎn)，改善了交通運(yùn)輸環(huán)境、優(yōu)化了城市空間布局、推動(dòng)了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在城市綜合交通中的重要程度日益提升[1]。對(duì)城軌車(chē)輛的壽命和維護(hù)保養(yǎng)管理要求也將更加嚴(yán)格。車(chē)輪踏面作為城軌車(chē)輛走行部的重要關(guān)鍵部件，也是車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的易損部位，其工作狀態(tài)直接影響車(chē)輛運(yùn)行的安全性及舒適性[2]。

目前，我國(guó)城軌車(chē)輛車(chē)輪踏面的維修主要以故障修和定期修為主[3]。其中，故障修是針對(duì)車(chē)輪踏面存在的故障進(jìn)行維修處理，屬于事后維修。在故障發(fā)生期間，車(chē)輪踏面所產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛部件裝配松動(dòng)，縮短軸承等部件使用壽命，嚴(yán)重時(shí)將危及車(chē)輛行車(chē)安全。各城市根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合車(chē)輛運(yùn)行工況，制定以車(chē)輪運(yùn)營(yíng)時(shí)間或運(yùn)行里程為周期的定期鏇修機(jī)制。車(chē)輛進(jìn)入鏇修周期后，無(wú)論車(chē)輪踏面是否存在故障，都將進(jìn)行修復(fù)性維修，使其車(chē)輪恢復(fù)成最佳狀態(tài)，車(chē)輛再投入下一運(yùn)營(yíng)周期。這種定期鏇修雖然修復(fù)了踏面形貌，但極易導(dǎo)致過(guò)度維修，使得車(chē)輪直徑減少過(guò)快，縮短了車(chē)輪使用壽命，增加車(chē)輛全壽命周期維護(hù)成本，造成人力、物力的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益的降低[4]。因此，在保障車(chē)輛安全運(yùn)營(yíng)的前提下，研究車(chē)輪踏面的經(jīng)濟(jì)型鏇修就顯得尤為重要。

1 車(chē)輪踏面鏇修現(xiàn)狀

在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，影響車(chē)輪踏面鏇修量的因素主要有3類(lèi)，分別為踏面失圓故障、輪對(duì)幾何尺寸超限和踏面其他故障[5]。

（1）踏面失圓故障通常是輪對(duì)與鋼軌運(yùn)行接觸面在連續(xù)擦傷、小弧度內(nèi)連續(xù)小剝離等初期故障被磨合之后形成的，較大弧度內(nèi)的車(chē)輪半徑連續(xù)小于其他弧度的車(chē)輪半徑就形成不圓度[6]。踏面失圓故障不易被肉眼察覺(jué)，但造成的危害往往較大。

（2）輪對(duì)幾何尺寸超限包括輪緣厚度到限、同軸輪徑差到限、同架輪徑差到限、同車(chē)輪徑差到限和輪緣偏磨等[7]。

（3）踏面其他故障指踏面擦傷、剝離、內(nèi)部缺陷等故障。擦傷是在車(chē)輪制動(dòng)被抱死或車(chē)輪打滑，發(fā)生踏面相對(duì)軌道的滑動(dòng)摩擦?xí)r產(chǎn)生的。當(dāng)踏面存在雜質(zhì)或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，以致在踏面長(zhǎng)期運(yùn)行中從夾雜部位或應(yīng)力集中部位開(kāi)裂，當(dāng)相鄰的裂紋連接、穿透時(shí)就發(fā)生剝離。內(nèi)部缺陷是在車(chē)輪制造過(guò)程中，由于冷卻不當(dāng)、材質(zhì)、設(shè)計(jì)等原因造成的新輪對(duì)內(nèi)部存在晶格裂紋的一種故障表現(xiàn)。

上述故障發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊、振動(dòng)并伴有異常響聲，影響乘客舒適度，對(duì)軸箱軸承、轉(zhuǎn)速傳感器固定三角支架及其他部件造成損傷，其中，內(nèi)部缺陷若不及時(shí)處理，裂紋會(huì)向周邊擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致車(chē)輪局部裂開(kāi)，危及車(chē)輛行車(chē)安全。

2 特征提取

2.1 踏面故障特征提取

踏面故障特征提取是基于軸箱位置的振動(dòng)、沖擊信息，通過(guò)廣義共振、共振解調(diào)處理，輸出與踏面故障對(duì)應(yīng)的故障沖擊信息，通過(guò)采集故障沖擊信息，進(jìn)行故障特征提取，實(shí)現(xiàn)走行部踏面在線(xiàn)、實(shí)時(shí)、自動(dòng)和精確診斷。

車(chē)輪隨車(chē)軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)，即車(chē)輪踏面故障位置在與鋼軌接觸時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊，因此其輪對(duì)踏面故障特征頻率就是車(chē)軸轉(zhuǎn)頻，特征頻率計(jì)算公式為

式中，fTM指踏面故障特征頻率；fn指車(chē)輪輪對(duì)踏面自身所在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，r/s。

車(chē)輪踏面故障一般發(fā)生在局部表面，而車(chē)輪踏面圓周長(zhǎng)＞2 m，為保證系統(tǒng)能采集到踏面故障信息，我們?cè)O(shè)定車(chē)輪旋轉(zhuǎn)1周采集200個(gè)振動(dòng)沖擊信息，即數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘為200倍車(chē)輪轉(zhuǎn)頻，4096個(gè)振動(dòng)沖擊信息組成1個(gè)數(shù)據(jù)樣本。

對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），將時(shí)域樣本變換成頻域，則可以在頻域圖上清晰看到所有頻率成分。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集原理，以200倍車(chē)軸轉(zhuǎn)速作為采樣時(shí)鐘，采集1個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本相當(dāng)于車(chē)輪旋轉(zhuǎn)20.48圈，根據(jù)快速傅立葉變換原理，車(chē)輪踏面故障譜號(hào)（fCHI）（簡(jiǎn)稱(chēng)1階譜）計(jì)算結(jié)果為

通過(guò)使用Tina仿真軟件，使用梯形波信號(hào)發(fā)生器模擬踏面故障信息，即通過(guò)設(shè)置產(chǎn)生一個(gè)振幅1 V、脈沖寬度為2 ms、周期為48.83 ms的20.48 Hz頻率的矩形波信號(hào)，圖1為信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生的1個(gè)踏面故障時(shí)域圖。

圖1 踏面故障時(shí)域圖

通過(guò)對(duì)圖1踏面故障時(shí)域圖進(jìn)行傅里葉變換，得到圖2所示的時(shí)域圖。從圖2中可以看出：踏面故障頻譜變換后的譜號(hào)呈多階性，其中，基頻（即1階譜）為20.48 Hz；1階譜（20.48 Hz）、2階譜（40.96 Hz）、3階譜（61.44 Hz）的振幅均＞100 mV。1階、2階、3階振幅也常作為判斷車(chē)輪踏面故障定性的主要依據(jù)，振幅隨階數(shù)增加呈遞減趨勢(shì)，直至11階后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 頻譜圖

（1）車(chē)輪踏面故障定性

通過(guò)對(duì)頻域樣本搜索踏面故障譜20.48 Hz（1階譜）、40.96 Hz（2階譜）、61.44 Hz（3階譜）譜線(xiàn)位置的幅值，如果3根譜線(xiàn)位置幅值明顯突出，則可判定存在車(chē)輪踏面故障。

（2）車(chē)輪踏面故障定量

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，故障定量值A(chǔ)db的計(jì)算公式可為

式中，SV表示沖擊值；N表示運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；D表示車(chē)軸直徑，mm。

根據(jù)車(chē)輪踏面故障特征提取原理，采用C、C++語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式運(yùn)行軟件代碼，通過(guò)編譯器編譯成Linux環(huán)境下可運(yùn)行的執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)踏面故障特征提取及故障預(yù)報(bào)警，車(chē)輪踏面故障診斷由走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)完成。

2.2 輪對(duì)幾何尺寸

輪對(duì)幾何尺寸主要包括踏面磨耗、輪緣厚度、QR垂直磨耗值、車(chē)輪直徑及輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)[8]。這些參數(shù)依托于正線(xiàn)輪對(duì)幾何尺寸系統(tǒng)獲取，該系統(tǒng)采用了光截圖像測(cè)量技術(shù)、基于光截法的3點(diǎn)測(cè)量法及基于基準(zhǔn)線(xiàn)的偏移量測(cè)量法。

2.3 平輪檢測(cè)

平輪檢測(cè)主要包括車(chē)輪踏面剝離擦傷的長(zhǎng)度、寬度、深度及車(chē)輪不圓度等，由部署在正線(xiàn)的平輪檢測(cè)系統(tǒng)完成。

2.4 多源融合特征提取模型

為了識(shí)別踏面故障類(lèi)型，確定踏面故障發(fā)展程度及趨勢(shì)，整合、共享和關(guān)聯(lián)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提取踏面失圓故障、輪對(duì)幾何尺寸超限及踏面其他類(lèi)故障的報(bào)警信息、趨勢(shì)及檢測(cè)值特征，為不同故障類(lèi)型的模型建立奠定特征基礎(chǔ)。特征提取模型如圖3所示。

圖3 多源融合特征提取模型

（1）踏面失圓故障

分別從走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)、平輪檢測(cè)系統(tǒng)中提取踏面失圓報(bào)警信息、失圓振動(dòng)趨勢(shì)及不圓度檢測(cè)量值，可以反映踏面失圓的故障程度，挖掘振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)中標(biāo)定失圓緩慢和快速的拐點(diǎn)。

（2）輪對(duì)幾何尺寸超限

主要從輪對(duì)幾何尺寸系統(tǒng)中提取輪緣磨耗、同軸同架和同車(chē)輪徑差、偏磨等到限報(bào)警信息及其檢測(cè)量值，綜合反應(yīng)輪對(duì)磨耗的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

（3）踏面其他類(lèi)故障

從走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)、平輪檢測(cè)系統(tǒng)中提取出踏面剝離、擦傷、內(nèi)部缺陷等故障報(bào)警信息及其檢測(cè)量值，反映車(chē)輪踏面發(fā)展?fàn)顩r。

3 經(jīng)濟(jì)型鏇修模型

車(chē)輪鏇修的主要目的是消除車(chē)輪踏面故障，修復(fù)踏面不規(guī)則、不均勻磨耗，恢復(fù)輪緣厚度。這就要求單個(gè)車(chē)輪的輪緣厚度、踏面磨耗量與踏面鏇修量之間滿(mǎn)足一定的限制，同一輛車(chē)不同車(chē)輪之間輪徑差需滿(mǎn)足一定的限制。針對(duì)各指標(biāo)值定性與定量相結(jié)合的特點(diǎn)，建立基于模糊多屬性決策分析的車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型，通過(guò)模糊隸屬度確定的各類(lèi)指標(biāo)和專(zhuān)家意見(jiàn)，并通過(guò)決策規(guī)則確定踏面鏇修量值和鏇修時(shí)機(jī)。經(jīng)濟(jì)型鏇修模型框架，如圖4所示。

圖4 經(jīng)濟(jì)型鏇修模型框架

基于模糊多屬性決策分析的車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型包括踏面失圓故障分析、幾何尺寸超限分析及其他故障分析3個(gè)模塊。

3.1 踏面失圓故障分析模塊

針對(duì)踏面失圓/不圓度，通常采用相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器對(duì)車(chē)輪徑向跳動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量的方法，測(cè)量車(chē)輪圓周中最大直徑與最小直徑的差值。

根據(jù)踏面失圓故障報(bào)警及振動(dòng)趨勢(shì)，與事先建立的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確定踏面失圓故障嚴(yán)重程度，結(jié)合踏面失圓振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)及專(zhuān)家意見(jiàn)，確定故障權(quán)重w0，該模塊計(jì)算的鏇修量為w0·xjmm，當(dāng)沒(méi)有這類(lèi)故障時(shí)，鏇修量為0 mm。

3.2 幾何尺寸超限分析模塊

輪緣厚度及輪緣偏磨一旦超限，將直接影響車(chē)輛的行車(chē)安全。輪緣厚度及輪緣偏磨在不同的線(xiàn)路中均有設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值及專(zhuān)家意見(jiàn)，確定故障權(quán)重w1，該模塊計(jì)算的鏇修量值為w1·4.5·xjmm。

3.3 其他故障分析模塊

其他故障主要包括踏面擦傷、剝離、內(nèi)部缺陷等故障，根據(jù)車(chē)輪踏面其他故障報(bào)警信息及各個(gè)故障的檢測(cè)量值qj反映輪對(duì)踏面故障狀態(tài)，結(jié)合檢測(cè)量值發(fā)展趨勢(shì)及專(zhuān)家意見(jiàn)，確定踏面其他故障分析模塊的權(quán)重w2，最終該模塊計(jì)算的鏇修量為w2·qjmm，當(dāng)沒(méi)有這類(lèi)故障時(shí)，鏇修量為0 mm。

4 應(yīng)用分析

基于模糊多屬性決策分析的踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型在某城市地鐵試點(diǎn)應(yīng)用，取得了一定的成果。

4.1 模型應(yīng)用分析

某城市地鐵線(xiàn)路08106列車(chē)5車(chē)27位從2021年1月開(kāi)始就存在踏面失圓特征，且2021年5月后報(bào)警頻次明顯上升，并于2021年8月3日進(jìn)行車(chē)輪徑向跳動(dòng)值測(cè)量及鏇修驗(yàn)證，車(chē)輪徑向跳動(dòng)值測(cè)量結(jié)果，如圖5所示，徑向跳動(dòng)值為0.29 mm。通過(guò)應(yīng)用車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型，自動(dòng)輸出鏇修量，進(jìn)行車(chē)輪踏面測(cè)量及鏇修驗(yàn)證。

圖5 鏇修前徑跳測(cè)量圖示

4.1.1踏面失圓故障分析模塊

該測(cè)點(diǎn)自2021年1月1日至2021年8月3日累計(jì)輸出1062次失圓預(yù)警，730次一級(jí)報(bào)警，148次二級(jí)報(bào)警，該車(chē)輪從2021年5月后報(bào)警頻次明顯上升，在該位置表示振動(dòng)趨勢(shì)的重力加速度值為2.8～3.5 g。

通過(guò)不落輪鏇床測(cè)量，該車(chē)輪徑向跳動(dòng)值為0.29 mm，結(jié)合報(bào)警及振動(dòng)趨勢(shì)情況，設(shè)定踏面失圓故障權(quán)重值為2.1，失圓鏇修量約為0.61 mm。

4.1.2幾何尺寸超限分析模塊

該車(chē)輪輪緣厚度為30.8 mm，輪緣高度為27 mm，且同軸車(chē)輪也未超標(biāo)，同軸輪徑差也在正常范圍之內(nèi)，不需要進(jìn)行鏇修處理，該模塊輸出鏇修量為0 mm。

4.1.3其他故障分析模塊

踏面其他類(lèi)故障暫無(wú)報(bào)警，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)目視檢查，未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似擦傷、剝離、裂紋等故障，模塊輸出鏇修量為0 mm。

綜合各個(gè)模塊輸出結(jié)論，車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)鏇模型計(jì)算得到的鏇修量為

0.29×2.1 mm +0×4.5×0 mm +0×0 mm ≈ 0.61 mm。

081065車(chē)27位鏇修前輪徑為837 mm，車(chē)輪共鏇修1刀，鏇修完后踏面光亮如圖6所示，鏇修后輪徑檢測(cè)值為836.2 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鏇修0.8 mm。車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型輸出結(jié)果為0.61 mm，與現(xiàn)場(chǎng)鏇修量接近。若依據(jù)車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型輸出結(jié)果進(jìn)行鏇修，可以在保證車(chē)輛行車(chē)安全的前提下，減少0.19 mm鏇修量，延長(zhǎng)輪對(duì)使用壽命，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 鏇修后踏面狀況

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

基于模糊多屬性決策分析的經(jīng)濟(jì)型鏇修模型在北京某線(xiàn)路進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，智能化指導(dǎo)鏇修，有效避免車(chē)輪踏面欠維修及過(guò)度鏇修，延長(zhǎng)輪對(duì)使用壽命，預(yù)計(jì)取得的經(jīng)濟(jì)效益包括以下幾個(gè)方面。

（1）日檢月修檢查：可取消輪對(duì)踏面目視檢查及輪對(duì)幾何尺寸測(cè)量，僅對(duì)故障位置復(fù)核。依據(jù)日檢0.5 h，雙月修1.5 h，標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)費(fèi)75元/h進(jìn)行計(jì)算，則一個(gè)廠修約節(jié)約人工檢查成本為35.7萬(wàn)元。

（2）輪對(duì)維修費(fèi)用：以北京8號(hào)線(xiàn)為例，整線(xiàn)11列車(chē)裝備走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)，共計(jì)監(jiān)測(cè)528個(gè)車(chē)輪，單個(gè)車(chē)輪以13 000元計(jì)算，若首次大修更換車(chē)輪80%，則輪對(duì)成本為5 491 200元，應(yīng)用車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)型鏇修模型，智能化指導(dǎo)維修，既保證了列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)安全，還將減少車(chē)輪鏇修工作量及輪對(duì)更換量，將列車(chē)大修車(chē)輪更換量降至50%，輪對(duì)換新成本將減少2 059 200元，列車(chē)全壽命周期可節(jié)省400余萬(wàn)元。

因此，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型鏇修可帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著線(xiàn)網(wǎng)的不斷擴(kuò)張，車(chē)輪踏面經(jīng)濟(jì)鏇模型大量推廣應(yīng)用所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將十分顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

以“廣義共振、共振解調(diào)”的機(jī)械設(shè)備故障機(jī)理診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，精準(zhǔn)識(shí)別車(chē)輪踏面所處的故障類(lèi)型及故障程度，建立基于模糊多屬性決策分析的經(jīng)濟(jì)型鏇修模型。試點(diǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，該模型可在保障列車(chē)安全運(yùn)行的前提下，提供智能化維修決策，科學(xué)有效地指導(dǎo)車(chē)輪踏面鏇修，避免車(chē)輪踏面的過(guò)度維修，延長(zhǎng)輪對(duì)使用壽命，提高車(chē)輪維修效率，大幅降低維修成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。