李方烜，于衛(wèi)東，田光榮，朱慶龍

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081）

近年來，我國動(dòng)車組保有量不斷增加，截至2020 年底，我國動(dòng)車組保有量已超過3 900 標(biāo)準(zhǔn)組［1］。自2008 年以來，我國動(dòng)車組高級(jí)修工作經(jīng)過不斷的理論探索及實(shí)踐運(yùn)用改進(jìn)，積累了相對(duì)豐富的經(jīng)驗(yàn)，而我國動(dòng)車組高級(jí)修修程修制偏于謹(jǐn)慎，還有較大的優(yōu)化空間［2-3］。因此為推動(dòng)鐵路高質(zhì)量持續(xù)健康發(fā)展，逐步驗(yàn)證動(dòng)車組高級(jí)修修程修制優(yōu)化可行性，國鐵集團(tuán)組織相關(guān)單位開展動(dòng)車組整車及主要關(guān)鍵部件高級(jí)修周期從每3 年120 萬km 延 長 至 每3 年145 萬km 的 驗(yàn) 證 工 作（簡稱延長修）。研究延長修驗(yàn)證動(dòng)車組關(guān)鍵部件百萬公里故障率在延長修前、后的變化［4］，分析延長修對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵部件服役性能的影響具有重要意義。

文中基于我國部分延長修驗(yàn)證動(dòng)車組在延長修前、后2 個(gè)階段產(chǎn)生的行車設(shè)備故障數(shù)據(jù)、地面檢測(cè)數(shù)據(jù)及運(yùn)用檢修故障數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析方法在延長修前、后2 個(gè)階段，做電氣板卡、滾動(dòng)軸承百萬公里故障率與動(dòng)車組高級(jí)修修程關(guān)聯(lián)分析，揭示關(guān)鍵部件服役性能演變規(guī)律，為我國動(dòng)車組部分關(guān)鍵部件高級(jí)修周期延長提供數(shù)據(jù)支持。

1 部分關(guān)鍵部件修程現(xiàn)狀及問題分析

我國部分型號(hào)動(dòng)車組電氣板卡當(dāng)前修程修制偏于保守，當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)用至480 萬km 后，五級(jí)修期間牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電氣板卡都需整體更新，而國外對(duì)同級(jí)別平臺(tái)的動(dòng)車組在相應(yīng)高級(jí)修期間對(duì)此類板卡部件則執(zhí)行狀態(tài)修（性能測(cè)試，不合格更新），目前這類狀態(tài)修已使用了10 多年，應(yīng)用效果良好。因此這部分動(dòng)車組電氣板卡修程的優(yōu)化目標(biāo)為480 萬km 后對(duì)原必要更新部件進(jìn)行性能檢測(cè)，視檢測(cè)結(jié)果決定是否更新部件。

對(duì)于滾動(dòng)軸承類部件，例如動(dòng)車組軸箱軸承，現(xiàn)行分解檢修周期為120 萬km，累計(jì)里程達(dá)到240萬km 后更換，與延長修驗(yàn)證動(dòng)車組高級(jí)修周期不匹配。因此當(dāng)前動(dòng)車組滾動(dòng)軸承類部件修程修制優(yōu)化目標(biāo)為延長其檢修周期使之匹配整車優(yōu)化后的高級(jí)修周期。

1.1 電氣板卡失效模式及現(xiàn)行修程

此次研究的電氣板卡由牽引板卡、制動(dòng)板卡和網(wǎng)絡(luò)板卡組成。電氣板卡故障按原因可分為：焊點(diǎn)開裂脫落、電路板老化、晶體管故障、電容脫落、偶發(fā)性軟件報(bào)錯(cuò)等。一般認(rèn)為電氣板卡類部件隨服役時(shí)間增加故障發(fā)生概率逐步增加。

對(duì)于不同車型、不同類型電氣板卡，其三、四、五級(jí)修期間修程各不相同，針對(duì)此次研究的動(dòng)車組，其電氣板卡修程總體上可概括為：120 萬km 三級(jí)修期間進(jìn)行靜態(tài)外觀、現(xiàn)車狀態(tài)檢查；240 萬km四級(jí)修期間進(jìn)行性能測(cè)試、功能驗(yàn)證；480 萬km 五級(jí)修期間進(jìn)行分解檢查、專項(xiàng)測(cè)試、更換電池、軟件升級(jí)等。此次研究的動(dòng)車組在整車五級(jí)修期間不存在TCU、BCU、CCU 整體更換的情況，排除了五級(jí)修期間需要整體更換相關(guān)電氣板卡的動(dòng)車組車型。

1.2 滾動(dòng)軸承失效模式及現(xiàn)行修程

滾動(dòng)軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾子和保持架組成［5］。在循環(huán)載荷的作用下，內(nèi)、外圈和滾子在載荷值較大的承載區(qū)容易發(fā)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致麻點(diǎn)、剝離類損傷。若滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈相對(duì)潤滑不良，則容易導(dǎo)致軸溫升高。若保持架裂損導(dǎo)致保持架發(fā)生形變或斷裂，則保持架不能正確引導(dǎo)滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)，甚至使?jié)L子在滾道內(nèi)卡死而不能滾動(dòng)，這將導(dǎo)致軸承內(nèi)部異常磨損引發(fā)熱軸故障甚至造成熱切后果。對(duì)于牽引電機(jī)軸承來說，若軸承表面沒有做好絕緣防護(hù)將導(dǎo)致電流通過軸承表面發(fā)生電蝕，加速軸承失效。動(dòng)車組運(yùn)行期間通過各軸承的溫度傳感器對(duì)以上3 類軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，待動(dòng)車組運(yùn)行結(jié)束回庫后，檢修人員也將對(duì)其進(jìn)行日常檢查，此外動(dòng)車組滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)TADS-1（簡稱TADS-1）可對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，與車載軸溫監(jiān)測(cè)原理不同，TADS-1 設(shè)備通過聲發(fā)射原理，分析軸承部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中采集的聲信號(hào)頻譜進(jìn)行動(dòng)車組軸箱軸承早期故障的診斷及分級(jí)報(bào)警［6-7］。

當(dāng)前我國動(dòng)車組軸箱軸承采用120 萬km 分解大修、240 萬km 更新的修程標(biāo)準(zhǔn)，即新造軸箱軸承隨整車運(yùn)行120 萬km 后高級(jí)修期間被退卸進(jìn)行分解檢修，若期間未發(fā)現(xiàn)異常則被重新壓裝在完成高級(jí)修的動(dòng)車組直至累計(jì)里程達(dá)到240 萬km 后報(bào)廢，若分解檢修期間發(fā)現(xiàn)損傷超限則直接報(bào)廢。動(dòng)車組齒輪箱軸承修程按運(yùn)行240 萬km 后，在整車四級(jí)修期間直接報(bào)廢，中間整車三級(jí)修期間不做分解檢查。動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承的修程按累計(jì)120 萬km 后，在整車三級(jí)修期間報(bào)廢。

2 基于高級(jí)修維度的部分關(guān)鍵部件故障規(guī)律分析

截至2020 年末，全路已有部分動(dòng)車組完成了間隔145 萬km 周期的延長修。為開展動(dòng)車組關(guān)鍵部件服役性能、故障率與動(dòng)車組高級(jí)修修程關(guān)聯(lián)分析，此次選取延長修驗(yàn)證動(dòng)車組中前一輪完成過120 萬km 高級(jí)修周期和本輪已完成145 萬km 高級(jí)修延長周期的動(dòng)車組，以這2 段間隔里程為統(tǒng)計(jì)區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)電氣板卡（牽引板卡、制動(dòng)板卡和網(wǎng)絡(luò)板卡）和滾動(dòng)軸承（軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電機(jī)軸承）的故障數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源包括動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)（簡稱EMIS 系統(tǒng)）中行車設(shè)備故障數(shù)據(jù)。檢修故障處理記錄以及針對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承的TADS-1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。行車設(shè)備故障中排除了車載傳感器誤報(bào)和非車輛責(zé)任，檢修故障及TADS-1監(jiān)測(cè)故障均以現(xiàn)場復(fù)核確認(rèn)后實(shí)施更換認(rèn)定，盡可能排除人工回填不準(zhǔn)確、地面監(jiān)測(cè)設(shè)備誤報(bào)等因素。

2.1 電氣板卡故障規(guī)律分析

此次研究的電氣板卡包括牽引板卡、制動(dòng)板卡和網(wǎng)絡(luò)板卡，由于各類板卡數(shù)量、工作環(huán)境存在差異，可能造成各類電氣板卡百萬公里故障率的不同，因此將這3 類電氣板卡進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)分析。分別計(jì)算前、后2 個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)電氣板卡的百萬公里故障率，如圖1 所示，145 萬km 延長修期間電氣板卡故障率較120 萬km 期間有所下降，分析原因，此次145 萬km 延長修試驗(yàn)大多開始于2018 年，相較前一個(gè)高級(jí)修階段，我國動(dòng)車組運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)、作業(yè)質(zhì)量及配件質(zhì)量都得到了顯著提升，得益于上述綜合因素，動(dòng)車組整體安全性、相關(guān)部件可靠性均趨于健康和穩(wěn)定［8］。

圖1 電氣板卡在2 個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)百萬公里故障率

統(tǒng)計(jì)分析可知，145 萬km 高級(jí)修期間未出現(xiàn)因高級(jí)修周期延長而導(dǎo)致電氣板卡故障率上升的現(xiàn)象，說明此次動(dòng)車組延長修對(duì)電氣板卡的階段服役性能沒有負(fù)面影響。

接著計(jì)算電氣板卡在五級(jí)修前、后2 個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)百萬公里故障率，如圖2 所示，五級(jí)修后電氣板卡故障率有所下降，由于此次統(tǒng)計(jì)分析的所有車型在五級(jí)修期間均未進(jìn)行電氣板卡整體更換，故統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以說明這些車型的動(dòng)車組電氣板卡在480 萬km 后仍能保持良好的服役狀態(tài)，現(xiàn)階段不會(huì)隨運(yùn)行里程增加而導(dǎo)致故障率明顯上升。此次統(tǒng)計(jì)結(jié)果可為某些五級(jí)修期間需整體更換電氣板卡的車型的高級(jí)修修程修制優(yōu)化工作提供重要參考價(jià)值。

圖2 電氣板卡在五級(jí)修前后百萬公里故障率

2.2 滾動(dòng)軸承類故障規(guī)律分析

此次統(tǒng)計(jì)的動(dòng)車組軸箱軸承故障樣本中未計(jì)入因新軸承在勻脂過程中軸溫超限報(bào)出的行車設(shè)備故障，研究發(fā)現(xiàn)，新軸承潤滑脂分布不均勻?qū)е碌妮S承潤滑不良是造成軸承過熱的主要原因，并非是軸承內(nèi)部故障造成，因此未被計(jì)入。

自2018 年，TADS-1 軌邊監(jiān)測(cè)設(shè)備逐步開始在全路范圍推廣使用，根據(jù)TADS-1 近幾年使用經(jīng)驗(yàn)，TADS-1 報(bào)警軸承經(jīng)檢修單位退卸、分解檢查后，報(bào)警兌現(xiàn)率較高，基本可以解決故障軸承初期軸溫不高但軸承內(nèi)部卻存在嚴(yán)重剝離的問題，減少了動(dòng)車組運(yùn)行過程中的安全隱患，部分路局也將TADS-1 用于監(jiān)測(cè)延長修驗(yàn)證動(dòng)車組的軸箱軸承狀態(tài)，因此本次計(jì)入了回段確認(rèn)更換的TADS-1報(bào)警軸承。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，延長修驗(yàn)證動(dòng)車組TADS-1 報(bào)警信息與車載軸溫報(bào)警信息沒有交叉結(jié)果，一方面佐證了剝離類故障軸承初期不容易造成軸溫升高，不易被車載軸溫監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，另一方面也體現(xiàn)了TADS-1 監(jiān)測(cè)手段對(duì)車載軸溫監(jiān)測(cè)補(bǔ)充的重要性。

將動(dòng)車組軸箱軸承故障監(jiān)測(cè)手段分為車載軸溫及地面檢修、TADS-1 這2 類，得到2 類監(jiān)測(cè)手段確認(rèn)的動(dòng)車組軸箱軸承故障占比，如圖3 所示。在120 萬km 高級(jí)修周期內(nèi)，車載軸溫及地面檢修發(fā)現(xiàn)的動(dòng)車組軸箱軸承故障占比為80%，TADS-1 發(fā)現(xiàn)確認(rèn)的故障只占比20%，主要是由于此階段TADS-1 還未被大量應(yīng)用，監(jiān)測(cè)范圍有限，因此借助TADS-1 確認(rèn)的故障也相對(duì)較少，動(dòng)車組軸箱軸承的故障主要依靠車載軸溫監(jiān)測(cè)及地面檢修手段發(fā)現(xiàn)。而在145 萬km 延長修期間內(nèi)，動(dòng)車組軸箱軸承故障主要被TADS-1 發(fā)現(xiàn)確認(rèn)，占比達(dá)94.44%，而車載軸溫及地面檢修發(fā)現(xiàn)的故障只占5.56%，由TADS-1 發(fā)現(xiàn)確認(rèn)的動(dòng)車組軸箱軸承故障占比相較前一個(gè)高級(jí)修周期增加顯著，說明隨著TADS-1 監(jiān)測(cè)范圍逐步擴(kuò)大，借助其對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承早期故障的診斷優(yōu)勢(shì)，TADS-1 能夠提前發(fā)現(xiàn)絕大部分故障，因此車載軸溫和地面檢修發(fā)現(xiàn)的故障比例也將大幅降低。

圖3 2 類監(jiān)測(cè)手段確認(rèn)的動(dòng)車組軸箱軸承故障在2 個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)占比

下面統(tǒng)計(jì)延長修驗(yàn)證動(dòng)車組各類滾動(dòng)軸承故障占比情況，如圖4 所示，2 階段動(dòng)車組軸箱軸承故障占比均為最高，2 階段分別占比83.33% 和90.00%，齒輪箱軸承和牽引電機(jī)軸承故障占比較少，其中120 萬km 期間未有牽引電機(jī)軸承發(fā)生故障，齒輪箱軸承故障占比16.67%，145 萬km 期間未有齒輪箱軸承發(fā)生故障，牽引電機(jī)軸承故障占比10%。動(dòng)車組軸箱軸承的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，受到?jīng)_擊載荷相對(duì)較大，容易發(fā)生故障，而齒輪箱軸承和電機(jī)軸承載荷相對(duì)較小，不易發(fā)生故障。

圖4 各類滾動(dòng)軸承在2 個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)故障占比

為分析對(duì)比各類滾動(dòng)軸承服役性能差異，分別統(tǒng)計(jì)2 階段各類滾動(dòng)軸承百萬公里故障率，如圖5 所示。動(dòng)車組軸箱軸承百萬公里故障率在2 個(gè)階段均為最高，分別為0.02 和0.059，齒輪箱軸承和牽引電機(jī)軸承百萬公里故障率均處于極低水平，均不足0.01。此外還可以看出145 萬km 延長修期間動(dòng)車組軸箱軸承故障率較前一個(gè)高級(jí)修周期有所上升，這是由于TADS-1 設(shè)備自2018 年逐步推廣，監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大，診斷確認(rèn)出許多之前不易被發(fā)現(xiàn)的軸承初期故障，導(dǎo)致延長修期間動(dòng)車組軸箱軸承故障率增加，不過借助TADS-1 對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承的日常安全監(jiān)測(cè)，有利于提高動(dòng)車組運(yùn)行安全裕度。

圖5 各類滾動(dòng)軸承在2 個(gè)高級(jí)修周期內(nèi)百萬公里故障率

為進(jìn)一步探究高級(jí)修周期延長對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承服役狀態(tài)的影響，選取本次145 萬km 延長修期 間的110 萬～120 萬km 范 圍 和135 萬～145 萬km范圍均經(jīng)過TADS-1 探測(cè)站的動(dòng)車組，保證2 段累計(jì)走行區(qū)間內(nèi)TADS-1 監(jiān)測(cè)的動(dòng)車組軸箱軸承數(shù)量保持一致，軸承報(bào)警率則通過報(bào)警軸承數(shù)量與監(jiān)測(cè)的軸承總數(shù)之比得到，報(bào)警軸承數(shù)量按1～5級(jí)和1～3 級(jí)分別計(jì)數(shù)，如圖6 所示，累計(jì)走行在135 萬～145 萬km 區(qū)間內(nèi)動(dòng)車組軸箱軸承的TADS-1 報(bào)警率并未上升，1～5 級(jí)報(bào)警由0.015 6下 降 至0.007 4，1～3 級(jí) 報(bào) 警 由0.013 0 下 降 至0.003 5，說明動(dòng)車組軸箱軸承在累計(jì)走行里程超過120 萬km 后，服役狀態(tài)良好，未出現(xiàn)故障率上升問題。

圖6 動(dòng)車組軸箱軸承在不同累計(jì)里程TADS-1 報(bào)警率

3 結(jié) 論

通過統(tǒng)計(jì)分析延長修驗(yàn)證動(dòng)車組各關(guān)鍵部件在前、后2 段高級(jí)修周期內(nèi)百萬公里故障率的變化、各關(guān)鍵部件故障占比的變化，得到高級(jí)修周期延長對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵部件服役性能影響結(jié)論，研究結(jié)果表明：

（1）145 萬km 延長修期間，電氣板卡未出現(xiàn)因高級(jí)修周期延長而導(dǎo)致電氣板卡故障率上升的現(xiàn)象，說明此次動(dòng)車組延長修對(duì)電氣板卡的階段服役性能沒有負(fù)面影響。

（2）通過統(tǒng)計(jì)分析，動(dòng)車組電氣板卡在累計(jì)里程達(dá)480 萬km 后未出現(xiàn)百萬公里故障率明顯上升的現(xiàn)象，仍能保持良好的服役狀態(tài)。此結(jié)果表明某些五級(jí)修期間需要整體更換電氣板卡的動(dòng)車組車型可考慮480 萬km 后對(duì)電氣板卡采取狀態(tài)修。

（3）動(dòng)車組滾動(dòng)軸承類部件中，軸箱軸承的故障占比最高，齒輪箱軸承和牽引電機(jī)軸承故障占比較低。

（4）此次高級(jí)修周期延長期間，動(dòng)車組軸箱軸承的故障率有所上升，主要由于TADS-1 設(shè)備監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大，診斷確認(rèn)出許多之前不易被發(fā)現(xiàn)的軸承初期故障。但是TADS-1 設(shè)備可以有效監(jiān)測(cè)動(dòng)車組軸箱軸承的安全狀態(tài)，為行車提供保障。

（5）動(dòng)車組軸箱軸承在累計(jì)走行里程超過120萬km 后，未出現(xiàn)TADS-1 報(bào)警率上升問題，說明動(dòng)車組軸箱軸承此時(shí)服役狀態(tài)良好，高級(jí)修周期延長未對(duì)其產(chǎn)生負(fù)面影響，動(dòng)車組軸箱軸承修程可以匹配整車145 萬km 間隔的高級(jí)修修程。