樊祥葉

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 合肥機(jī)務(wù)段，合肥 230011 )

1 引言

隨著鐵路機(jī)車運(yùn)營朝著高速、重載、長大交路發(fā)展，對機(jī)車走行部關(guān)鍵部件的質(zhì)量狀態(tài)提出了更高要求。目前國鐵集團(tuán)為保證機(jī)車的安全運(yùn)營，現(xiàn)有機(jī)車采用定期維修的方式，而非基于機(jī)車各部件的健康狀態(tài)進(jìn)行維修[1]，導(dǎo)致投入大量人力、物力，造成過度維修及人力和資源的浪費。

國鐵集團(tuán)一直致力于尋找一種新的運(yùn)營方式去管理機(jī)車走行部關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)維工作[2]，傳統(tǒng)以計劃修為主的修程管理模式已不能滿足機(jī)務(wù)段運(yùn)維管理和提高經(jīng)濟(jì)效益的要求，機(jī)車走行部修程修制由計劃修向狀態(tài)修方向邁進(jìn)已成為必然。如何在保障安全可靠運(yùn)營的基礎(chǔ)上最大限度地降低維修成本，提升軌道交通設(shè)備智能化管理水平，已成為行業(yè)廣泛關(guān)注和研究的熱點。國鐵集團(tuán)于2019年提出了“和諧型機(jī)車修程修制改革實施方案”[3]。方案明確提出需加快安全保障能力建設(shè)，要求各集團(tuán)公司“深入開展故障預(yù)測與健康管理(Prediction and Health Management PHM)研究與應(yīng)用[4]，為和諧型機(jī)車修程修制改革提供技術(shù)支撐”。

為了滿足機(jī)車運(yùn)營發(fā)展需求，擬采用基于廣義共振與共振解調(diào)的機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)[5]，通過大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進(jìn)成熟技術(shù)[6]，建立起機(jī)車走行部關(guān)鍵部件全壽命周期的維修維護(hù)管理體系，旨在全面提升機(jī)車走行部關(guān)鍵部件的維修管理能力，鼎助裝備長期安全運(yùn)行和智慧運(yùn)維。

2 機(jī)車走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

2.1 機(jī)車故障診斷方法

隨著設(shè)備故障監(jiān)測、故障機(jī)理診斷研究深入，故障診斷方法在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。振動監(jiān)測和振動分析是公認(rèn)的識別機(jī)械故障的經(jīng)典方法。早在50多年前，振動監(jiān)測方法就已經(jīng)在國外被提出，由于振動監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析技術(shù)知識以及應(yīng)用經(jīng)驗的缺乏，所以這項技術(shù)在當(dāng)時未被廣泛應(yīng)用?；诙嗄甑募夹g(shù)實踐與經(jīng)驗積累，本系統(tǒng)擬通過“廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)”來實現(xiàn)對鐵路機(jī)車走行部關(guān)鍵部件的故障診斷。

共振是機(jī)械系統(tǒng)受外部作用下的激勵頻率接近或等于其系統(tǒng)頻率時，所產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動幅值放大的現(xiàn)象?！皬V義共振”拓展了經(jīng)典共振的定義范圍，它除了涵蓋經(jīng)典共振的過程外，還包括了振動的“過渡過程”(即共振的“發(fā)生過程”和“結(jié)束過程”)。這是一切事物的內(nèi)在規(guī)律，即使軸承滾動工作面發(fā)生微米級的裂紋損傷，其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的沖擊也能激起廣義共振現(xiàn)象，因此識別并提取損傷所引起的該信息，可以幫助識別機(jī)械故障。

通過安裝傳感器接收振動和對沖擊廣義共振，實現(xiàn)廣義共振信號的提取，進(jìn)而對廣義共振信號進(jìn)行解調(diào)，剔除所有無害的振動譜，對有害的沖擊譜進(jìn)行保留。

通過研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)行規(guī)律，可以建立起軸承、齒輪、踏面等故障的一系列數(shù)學(xué)模型，解決了故障定性(確定故障部位)問題，如表1所示。

表1 走行部故障數(shù)學(xué)模型

廣義共振和共振解調(diào)技術(shù)解決了故障信號敏感和變換的問題。但初級診斷僅僅利用共振解調(diào)信號的幅度信息描述機(jī)械故障綜合沖擊的程度是不精確的，

應(yīng)進(jìn)一步利用共振解調(diào)頻譜之幅度和頻率信息來診斷機(jī)械發(fā)生故障的零部件及故障的程度，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)診斷，輸出分級報警。

公式(1)用于評價故障嚴(yán)重程度。

(1)

其中，Adb為故障級差；SV為檢測沖擊值大小的物理量(1SV表征半波正弦沖擊脈寬為20μs、峰值為0.01g(g為重力加速度)時的對應(yīng)加速度量值)；n為監(jiān)測部件所在軸的轉(zhuǎn)速(單位為r/min)；D為監(jiān)測對象所在軸的軸直徑(單位為mm)；

除了以上數(shù)學(xué)模型外，本系統(tǒng)還采用了多因素、多參數(shù)聯(lián)合診斷決策，基于模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和統(tǒng)計學(xué)的多參量相關(guān)加權(quán)決策，信號定常性準(zhǔn)則，規(guī)則抽取準(zhǔn)則和不規(guī)則抽取準(zhǔn)則等共同組成故障診斷方法論體系。

2.2 機(jī)車健康評估方法

基于層次分析法的多維度、多參數(shù)綜合健康評估模型，結(jié)合車載系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場獲取到的維修數(shù)據(jù)以及軸承參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)機(jī)車走行部旋轉(zhuǎn)部件健康狀態(tài)評估，輸出健康狀態(tài)評估結(jié)論，模型如圖1所示。

圖1 走行健康評估模型

走行部件健康評估需針對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如報警數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。

(1)報警數(shù)據(jù)通過報警判斷決策模塊完成數(shù)據(jù)分析與評估。

(2)趨勢數(shù)據(jù)通過特征提取模塊完成對應(yīng)特征參數(shù)的提取。

(3)趨勢數(shù)據(jù)通過趨勢判斷決策模塊完成數(shù)據(jù)分析與評估。

(4)其他數(shù)據(jù)完成所需特征參數(shù)的提取。

將各類數(shù)據(jù)處理結(jié)論送入綜合決策模塊，完成最終的健康評估，并對外輸出健康等級。軸承、齒輪和踏面采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)一致，如表2所示。

表2 健康等級標(biāo)準(zhǔn)

建模過程中，本系統(tǒng)依據(jù)應(yīng)用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)論及應(yīng)用經(jīng)驗分配權(quán)值(初始值)。可根據(jù)實際應(yīng)用效果，動態(tài)更新健康評估模型權(quán)值，提升健康狀態(tài)評估精準(zhǔn)度。

2.3 剩余運(yùn)營里程預(yù)測方法

剩余運(yùn)營里程預(yù)測模型包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)清洗、特征提取、動態(tài)壽命預(yù)測、結(jié)論輸出五個過程，如圖2所示。

圖2 剩余運(yùn)營里程預(yù)測模型圖

(1)輸入數(shù)據(jù)

包括基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括報警信息、溫度信息、沖擊dB趨勢數(shù)據(jù)、SV趨勢數(shù)據(jù)等；其他輔助數(shù)據(jù)包括健康評估結(jié)論數(shù)據(jù)、維修信息、里程信息。

(2)數(shù)據(jù)清洗

包括重復(fù)值，缺失值，離群值的識別與處理。

(3)特征提取

針對振動沖擊信號開展退化特征提取的方法主要有時域分析法、頻域分析法以及時頻分析法。計算沖擊特征值的均方根值(rms)，對于連續(xù)型信號，rms的計算值計算公式為：

其中，y(t)為振動沖擊信號dB值，T為時間間隔寬度。

對于離散型信號，rms的計算值計算公式為：

(4)動態(tài)壽命預(yù)測

基于機(jī)械構(gòu)件振動信號特征特點，建立剩余運(yùn)行里程預(yù)測方法，該方法建立三階段退化過程，即磨合期、第一階段(平穩(wěn)階段)和第二階段(快速退化階段)；

確定磨合期：診斷對象初始投入使用時存在磨合期，在磨合期內(nèi)，診斷對象振動特征不穩(wěn)定，或呈現(xiàn)下降趨勢，因此不應(yīng)該將該階段計入特征預(yù)測過程；本方法通過統(tǒng)計已有樣本的磨合期長度，給出診斷對象在磨合期的平均里程。

第一階段(平穩(wěn)階段)：診斷對象在第一階段數(shù)據(jù)特征保持平穩(wěn)，沒有顯著的上升趨勢，這是因為該階段軸承處于健康的工作狀態(tài)，不具備退化特性。

第二階段(快速退化階段)：診斷對象在第二階段數(shù)據(jù)特征非線性遞增，在第二階段，診斷對象性能開始退化，因此可以根據(jù)第二階段的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行退化建模。

(5)數(shù)據(jù)結(jié)果輸出

輸出預(yù)測的剩余使用里程。

3 和諧型機(jī)車走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)建

基于運(yùn)維系統(tǒng)管理的理論基礎(chǔ)，運(yùn)用共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建機(jī)車走行部全壽命周期的運(yùn)維管理系統(tǒng)。此運(yùn)維系統(tǒng)主要包括走行部車載故障診斷系統(tǒng)(以下簡稱車載系統(tǒng)[7])與走行部地面健康管理系統(tǒng)(以下簡稱地面系統(tǒng)[8])兩個部分組成。

3.1 車載故障診斷系統(tǒng)

車載故障診斷系統(tǒng)安裝在機(jī)車走行部上，機(jī)車線路運(yùn)行期間對走行部關(guān)鍵部件(軸承、齒輪、踏面)開展多物理量狀態(tài)特征數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，基于廣義共振與共振解調(diào)的機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵部件故障診斷，完成分級報警信息輸出。

(1)對于重大故障：及時通知司機(jī)，基于車載提示內(nèi)容，或故障發(fā)生后的既定措施，指導(dǎo)司機(jī)、地面調(diào)度人員及時采取相應(yīng)措施，從而保障機(jī)車運(yùn)行安全。

(2)對于一般故障：將數(shù)據(jù)采集、保存，待完成行車任務(wù)后，由地面系統(tǒng)分析評估，進(jìn)行維修判斷。

車載端系統(tǒng)由車載數(shù)據(jù)分析裝置(主機(jī))、數(shù)據(jù)預(yù)處理裝置、多物理量信號采集傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和相關(guān)連接電纜等組成，如圖3所示。

圖3 車載端系統(tǒng)組成示意圖

多物理量信號采集傳感器安裝在監(jiān)測對象附近，監(jiān)測對象的振動、沖擊、溫度等信息，通過多物理量信號采集傳感器采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理裝置的處理，最后被送入車載數(shù)據(jù)分析裝置(主機(jī))，主機(jī)輔以車輪轉(zhuǎn)速信號完成對監(jiān)測對象的分析診斷判斷。

3.2 地面健康管理系統(tǒng)

地面健康管理系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)模塊組成，如圖4 所示。

圖4 走行部智慧運(yùn)維地面健康管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)收集、解析并向數(shù)據(jù)庫存儲走行部車載監(jiān)測數(shù)據(jù)、同時負(fù)責(zé)統(tǒng)計系統(tǒng)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。

健康評估及壽命預(yù)測子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)評估走行部關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)及預(yù)測部件剩余使用壽命，提供運(yùn)維指導(dǎo)建議。

數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)將經(jīng)過統(tǒng)計、分析及評估后的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，在終端展示人機(jī)交互信息。

數(shù)據(jù)同步子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)將走行部段級數(shù)據(jù)庫同步至局級數(shù)據(jù)庫，方便局級用戶統(tǒng)一集中管理。

數(shù)據(jù)交互子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)從其他廠家系統(tǒng)獲取本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)、負(fù)責(zé)向段級信息平臺發(fā)送結(jié)論數(shù)據(jù)。

本地數(shù)據(jù)庫：布置在用戶端數(shù)據(jù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲。

上述兩個系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)流、信息流而構(gòu)成一個相互依存相互約束的整體，其中車載系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)通過地面健康評估實現(xiàn)在線狀態(tài)故障預(yù)測和實時預(yù)警，真正扭轉(zhuǎn)過去計劃修時代，開啟信息化、智能化運(yùn)維狀態(tài)修的新局面[9]。運(yùn)維狀態(tài)修是指在設(shè)備狀態(tài)檢測的基礎(chǔ)上，按照設(shè)備應(yīng)用頻率及其性能退化特征等因素，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法，通過大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，自動生成科學(xué)合理的維修方案[3]。根據(jù)運(yùn)維系統(tǒng)關(guān)鍵部件，狀態(tài)修對象包括機(jī)車走行部軸箱軸承、電機(jī)軸承、傳動齒輪和輪對踏面等，其綜合判斷的整體邏輯如圖5所述。

圖5 運(yùn)維狀態(tài)修綜合判斷邏輯

(1)首先判斷狀態(tài)修對象的實時故障狀態(tài)，若影響安全行車，則及時維修。

(2)若不影響安全行車，則機(jī)車跟蹤運(yùn)用，并根據(jù)地面系統(tǒng)健康狀態(tài)評估結(jié)果，結(jié)合壽命預(yù)測結(jié)論，給出維修建議，結(jié)合機(jī)車現(xiàn)有修程修制要求，進(jìn)行維修保養(yǎng)。

4 機(jī)車走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用

以某車型機(jī)車走行部軸箱軸承故障(經(jīng)拆解確認(rèn)該位軸承外環(huán)剝離故障)案例為例，運(yùn)用本系統(tǒng)軟件對該位軸承的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析如下：

(1)該車運(yùn)營約35萬公里時，56位軸箱軸承發(fā)現(xiàn)存在外環(huán)故障特征，本系統(tǒng)評估給出剩余使用里程預(yù)測值約為85萬公里。

(2)隨著運(yùn)營里程軸箱軸承狀態(tài)持續(xù)變化，在機(jī)車運(yùn)營約45萬公里時，出現(xiàn)初期故障信息，首次評估該位軸承狀態(tài)為亞健康，此時系統(tǒng)給出剩余使用里程預(yù)測值約為29萬公里。

(3)當(dāng)運(yùn)營里程約47萬公里時，該位軸箱軸承故障信息明顯，系統(tǒng)評估該位軸承此時的健康狀態(tài)為輕微故障，系統(tǒng)給出的剩余使用里程預(yù)測值約為10萬公里。

(4)當(dāng)機(jī)車運(yùn)營約48萬公里(2020年6月)時，對該軸承進(jìn)行拆裝，發(fā)現(xiàn)外環(huán)剝離現(xiàn)象。拆解照片如圖6所述。

本系統(tǒng)對該案例數(shù)據(jù)分析過程如圖7所述。

圖7 剩余壽命預(yù)測曲線

綜上所述，該機(jī)車56位軸箱軸承剩余壽命預(yù)測結(jié)果符合系統(tǒng)預(yù)期且應(yīng)用效果良好。

通過大量上述故障案例數(shù)據(jù)的驗證，表明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)車走行部關(guān)鍵部件(軸承、齒輪、踏面)健康狀態(tài)的準(zhǔn)確評估及預(yù)測，為準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場掌控關(guān)鍵部件狀態(tài)、維修計劃提供數(shù)據(jù)支撐。

5 討論

創(chuàng)建走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)，其意義在于有效地推動鐵路交通機(jī)車維修體制的變革，促進(jìn)計劃修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，達(dá)到安全保障、降低事故風(fēng)險，進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)車的檢測、監(jiān)測、維護(hù)等方面能力，提升機(jī)車檢修效率和管理水平。從而提高機(jī)車的可靠性和上線率，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)車早期故障進(jìn)行定點維修，有效的避免了失修以及過度維修的情況，較好的降低了運(yùn)營維修成本。下面結(jié)合一臺HXD1C機(jī)車牽引電機(jī)軸承故障實例論述走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)如何實現(xiàn)降低維修成本，提高維修質(zhì)量及實現(xiàn)智慧運(yùn)維的。

抽查系統(tǒng)2021年1月25日至2月24日一個月HXD1C-0878機(jī)車電機(jī)軸承適時預(yù)警信息，自1月27日首次出現(xiàn)該機(jī)車3-5位電機(jī)軸承預(yù)警信息開始，1月29日(記錄重復(fù)預(yù)警1次)、30日(記錄重復(fù)預(yù)警2次)，2月3日(記錄重復(fù)預(yù)警3次)、5日(記錄重復(fù)預(yù)警4次)、9日(記錄重復(fù)預(yù)警5次)連續(xù)6次進(jìn)行預(yù)警，結(jié)合系統(tǒng)評估2月11日落修分解發(fā)現(xiàn)該電機(jī)軸承外圈存在壓痕、輕微剝離，及時消除一起走行部故障隱患[10]。

(1)降低成本。如果沒有及時準(zhǔn)確判別，造成電機(jī)軸承嚴(yán)重?zé)龘p故障而發(fā)生救援，不僅影響正常的運(yùn)輸安全生產(chǎn)秩序，救援還將帶來大量人力、物力、時間消耗，另外，給電機(jī)的維修帶來更大檢修成本，以目前市場價大修一臺大功率交流牽引電機(jī)20萬元來計算，極大增加了檢修成本，而目前僅需更換一套軸承即可。

(2)實現(xiàn)精準(zhǔn)維修。目前，鐵路行業(yè)大力提倡“人防、物防、技防”三位一體，實施科學(xué)精準(zhǔn)檢修，技防是其中一個重要環(huán)節(jié)，這與目前我段實施的智慧檢修思路相吻合，本系統(tǒng)從上述案例應(yīng)用中可以充分體現(xiàn)技防發(fā)揮了重要作用。

(3)實現(xiàn)智慧運(yùn)維[11]。目前我段推進(jìn)的和諧型機(jī)車走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)已實現(xiàn)機(jī)車故障適時預(yù)警及機(jī)車履歷填寫、修程管理、質(zhì)量信息反饋、檢修報表自動生成等多個功能融合，系統(tǒng)結(jié)合大數(shù)據(jù)及存儲記憶能力適時加強(qiáng)機(jī)車檢修質(zhì)量動態(tài)管理，具備故障信息的及時反饋、處理、統(tǒng)計、查詢等功能，為實現(xiàn)機(jī)車狀態(tài)修及修程修制改革提供重要決策依據(jù)。

綜上所述，本系統(tǒng)的應(yīng)用可以實現(xiàn)：

(1)突破機(jī)車傳統(tǒng)維修模式，提升鐵路機(jī)車維修技術(shù)發(fā)展。

(2)實現(xiàn)故障早期預(yù)警，將故障隱患消除在機(jī)車上線運(yùn)行之前，提高機(jī)車質(zhì)量可靠性保障。

(3)實現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息、基礎(chǔ)信息、預(yù)測指標(biāo)等數(shù)據(jù)的匯聚，以多維度、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動運(yùn)營支撐決策，提高鐵路交通設(shè)備管理水平。

(4)優(yōu)化機(jī)車走行部檢修管理模式，有效提升機(jī)車運(yùn)用效率。

(5)有效地推動鐵路機(jī)車維修體制的變革，促進(jìn)計劃修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。

6 結(jié)語

(1)利用廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)，基于“免疫維修設(shè)計”理念，逐步實現(xiàn)“計劃維修”向“狀態(tài)維修”轉(zhuǎn)變，保障運(yùn)行安全，提升維修效率，是機(jī)車走行部維修技術(shù)未來發(fā)展方向之一。

(2)運(yùn)維、檢修人員通過機(jī)車走行部智慧運(yùn)維系統(tǒng)對機(jī)車在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握其發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律，從而確定機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，提前制定維修計劃，最大限度地發(fā)揮設(shè)備的利用率，減少計劃維修的盲目性，提高維修工作效率。

(3)基于長期的系統(tǒng)應(yīng)用，可以將走行部運(yùn)營、檢修管理水平提到一個新的高度。通過先進(jìn)的科技手段不斷提高機(jī)車設(shè)備的安全可靠性、行車組織能力、客運(yùn)組織能力、設(shè)備維修能力、應(yīng)急處置能力等，提高機(jī)車的可用性和上線率，促進(jìn)鐵路機(jī)車運(yùn)維技術(shù)進(jìn)步。