動車組輪對精準(zhǔn)鏇修管理系統(tǒng)及其應(yīng)用

常振臣 高明亮 宋冬利

(1.中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部，130062，長春；2.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春；3.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，611756，成都 //第一作者，正高級工程師)

輪對是動車組的關(guān)鍵部件，起著車輛的承載、導(dǎo)向、牽引及制動等作用。車輪通過與軌道直接接觸產(chǎn)生輪軌力驅(qū)動列車，同時造成車輪磨耗和損傷。因此，輪對是列車重要的消耗部件[1]，必須根據(jù)輪對磨耗情況定期進(jìn)行鏇修和更換。隨著鐵路信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，輪對運用、檢測、檢修設(shè)備不斷進(jìn)行升級改造，輪對服役的相關(guān)數(shù)據(jù)已實現(xiàn)了電子化數(shù)據(jù)庫存儲。此外，輪軌磨耗的深入研究，為實現(xiàn)輪對的預(yù)測性維修決策提供了方法支撐[2]。因此，突破傳統(tǒng)管理模式，實現(xiàn)動車組輪對服役全壽命周期過程的數(shù)字化、精細(xì)化及智能化管理，成為輪對管理技術(shù)的發(fā)展趨勢[3]。

1 動車組輪對管理存在的不足

雖然目前已經(jīng)形成比較規(guī)范的動車組輪對運用、檢修、管理規(guī)范，并得到了有效執(zhí)行。但當(dāng)前輪對管理模式仍存在如下不足：

1) 輪對全壽命周期數(shù)據(jù)未貫通。當(dāng)前動車組輪對生產(chǎn)、總裝、運用、檢修等環(huán)節(jié)相關(guān)臺賬比較獨立，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各不相同，信息互通性差，存在信息錯誤、遺漏現(xiàn)象。

2) 鏇修檢測數(shù)據(jù)在時間上未貫通。單次鏇修檢測數(shù)據(jù)僅用于對應(yīng)單次的鏇修決策和合格驗證。鏇修檢測數(shù)據(jù)在空間上未關(guān)聯(lián)，當(dāng)前鏇修檢測數(shù)據(jù)的應(yīng)用并未考慮各車輪狀態(tài)在空間上的差異性和關(guān)聯(lián)性。

3) 對鏇修作業(yè)的大量檢測原始數(shù)據(jù)分析不夠。無法分析故障或缺陷的發(fā)生規(guī)律，也無法準(zhǔn)確追蹤、分析、預(yù)測車輪狀態(tài)，進(jìn)而無法優(yōu)化車輪的運用和檢修。

4) 缺乏多源歷史數(shù)據(jù)整合能力，未充分挖掘歷史數(shù)據(jù)價值。隨著服役車組增多和數(shù)據(jù)的不斷累積，鏇修數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等形成了龐大的信息流。但是現(xiàn)階段各類數(shù)據(jù)均分開存儲、互不關(guān)聯(lián)，缺乏有效的整合，難以綜合利用各類數(shù)據(jù)中的有效信息。

5) 鏇修計劃編排不夠科學(xué)、合理，對鏇修進(jìn)刀量的控制也各不相同，存在過度鏇修的情況。缺乏輪對使用壽命的整體規(guī)劃，整列車輪對壽命的不均衡使用，增加了臨修換輪的工作量；輪對壽命使用不合理造成了巨大的檢修資源占用和檢修成本浪費，影響動車組的運用效率。

2 動車組輪對精準(zhǔn)鏇修管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動車組輪對服役數(shù)字化管理

輪對服役數(shù)字化管理如圖1所示。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)用于接收、匯總、存儲用戶應(yīng)用子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合和結(jié)構(gòu)化處理；輪對管理子系統(tǒng)用于調(diào)用所述數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并管理裝車、備用、檢修輪對的信息，以及操作輪對收入、支出和檢修作業(yè)；應(yīng)用服務(wù)器子系統(tǒng)用于向所述輪對管理子系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)、打印輪對二維碼標(biāo)簽，并支持所述用戶應(yīng)用子系統(tǒng)的訪問和操作。子系統(tǒng)可為各級用戶提供訪問和操作平臺，并將更新后的數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。

圖1 輪對服役數(shù)字化管理

2.2 動車組輪對狀態(tài)分析評估技術(shù)

基于長期服役積累的鏇修檢測數(shù)據(jù)，采用多種分析算法，充分挖掘海量數(shù)據(jù)資源的價值，實現(xiàn)車輪狀態(tài)的分析、評估和預(yù)測，以支持車輪運用和檢修的決策優(yōu)化，改善動車組車輪運用可靠性[4-6]。輪對狀態(tài)分析評估技術(shù)如圖2所示。

圖2 輪對狀態(tài)分析評估技術(shù)圖

2.3 動車組輪對精準(zhǔn)鏇修優(yōu)化決策技術(shù)

輪對數(shù)字化精準(zhǔn)鏇修技術(shù)方案如圖3所示。首先，建立動車組輪對數(shù)據(jù)庫，結(jié)合動力學(xué)與輪對磨耗機理，建立輪對磨耗規(guī)律模型和鏇修規(guī)律模型；建立輪對磨耗預(yù)測模型，計算得到輪對全壽命的使用過程和到限預(yù)測結(jié)果；同時在動車組檢修規(guī)程內(nèi)，構(gòu)建鏇修決策變量集；基于鏇修決策參數(shù)集構(gòu)建其可行域，以輪對檢修綜合成本為目標(biāo)，基于目標(biāo)-約束-優(yōu)化算法，在可行域內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)化求解，最終構(gòu)建車輪精準(zhǔn)鏇修算法模型[7-8]。將輪對磨耗預(yù)測模型、精準(zhǔn)鏇修決策模型編寫成計算機應(yīng)用軟件，并實現(xiàn)數(shù)字化的作業(yè)推送與追蹤；在此基礎(chǔ)上開展測試與驗證，同時對輪對數(shù)據(jù)庫不斷進(jìn)行更新補充，以實現(xiàn)精準(zhǔn)鏇修策略的動態(tài)更新。

圖3 輪對數(shù)字化精準(zhǔn)鏇修技術(shù)方案

3 動車組輪對精準(zhǔn)鏇修管理系統(tǒng)的主要功能

動車組輪對精準(zhǔn)鏇修管理系統(tǒng)主要可實現(xiàn)輪對履歷管理、動車組檢修數(shù)據(jù)管理、備用輪對管理、檢修輪對管理、輪對趨勢分析與監(jiān)控等功能。通過對檢修數(shù)據(jù)的管理與挖掘，以實現(xiàn)輪對的精準(zhǔn)鏇修管理。

3.1 輪對履歷管理

輪對履歷管理包括當(dāng)前裝車輪對信息(包括零部件信息、車組信息、里程數(shù)據(jù)、檢修記錄等)查詢及校核(包括批量校核)、輪對二維碼生成及打印、數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出，以及輪對歷史裝車履歷查詢等內(nèi)容。

3.2 動車組檢修數(shù)據(jù)管理

動車組檢修數(shù)據(jù)管理包括動車組檢修記錄(鏇修、空心軸探傷、輪輞輪輻探傷)查詢、動車組檢修間隔計算(可兼容均衡修)、輪對LY(尺寸測量)數(shù)據(jù)查詢、輪對鏇修數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出等內(nèi)容。

3.3 備用輪對管理

備用輪對管理包括備用輪對信息的采集、查詢(按換輪匹配條件篩選)、校核、庫存不足預(yù)警、數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出、輪對二維碼生成及打印等內(nèi)容。

3.4 檢修輪對管理

基于多年來積累的海量數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)方法，分析各車型、配屬所/段輪對磨耗及其鏇修規(guī)律，進(jìn)一步實現(xiàn)各車型、配屬所/段輪對的到限預(yù)測；形成年度換輪輪廓建議計劃，包括輪對到限詳情及其預(yù)測過程查看。高級修計劃可批量導(dǎo)入，動態(tài)更新到壽命到限預(yù)測結(jié)果，以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時相關(guān)結(jié)果也可批量導(dǎo)出。

3.5 輪對趨勢分析與監(jiān)控

3.5.1 輪對參數(shù)演變規(guī)律分析

融合多年來積累的LY、鏇修、高級修等數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)方法，對輪徑、輪緣厚度等尺寸參數(shù)的演變規(guī)律進(jìn)行分析、建模和預(yù)測，如圖4所示。

圖4 輪對參數(shù)演變規(guī)律分析截圖

3.5.2 輪對磨耗規(guī)律分析

基于多年來積累的海量數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)方法，分析各車型、配屬所/段輪對磨耗、鏇修規(guī)律，進(jìn)一步實現(xiàn)各車型、配屬所/段輪對的新輪到限預(yù)測，并推算其使用壽命，如圖5所示。

圖5 輪對磨耗規(guī)律分析截圖

3.5.3 車輪多邊形監(jiān)控

基于大數(shù)據(jù)方法，從多個維度對車輪多邊形情況進(jìn)行統(tǒng)計分析及監(jiān)控，以支持鏇修模式的優(yōu)化，實現(xiàn)輪對的數(shù)字化精準(zhǔn)鏇修，如圖6所示。

圖6 車輪多邊形監(jiān)控截圖

3.5.4 輪對等效錐度監(jiān)控

基于大數(shù)據(jù)方法，從多個維度對輪對等效錐度值進(jìn)行統(tǒng)計、分析及監(jiān)控，如圖7所示。

圖7 輪對等效錐度監(jiān)控截圖

3.5.5 車輪接觸疲勞監(jiān)控

基于大數(shù)據(jù)方法，對車輪接觸疲勞問題進(jìn)行統(tǒng)計、分析及監(jiān)控，以支持鏇修模式的優(yōu)化，如圖8所示。

圖8 車輪接觸疲勞監(jiān)控截圖

3.6 維修決策

基于輪對履歷及狀態(tài)信息，以綜合維修成本(包括鏇修量、運用修及換輪成本、高級修及換輪成本等)最小為目標(biāo)，對各輪對的鏇修計劃進(jìn)行優(yōu)化。鏇輪的周期、鏇修的進(jìn)刀量不再簡單地套用固定值，而是根據(jù)各車組狀態(tài)和車輪剩余壽命預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，以實現(xiàn)數(shù)字化精準(zhǔn)鏇修決策。在此基礎(chǔ)上，制定動車所鏇修周計劃，并可以對計劃進(jìn)行編輯、審核、導(dǎo)出，以及對計劃的執(zhí)行情況進(jìn)行追蹤。在保證車輪性能的前提下，減少不必要的過度鏇修，達(dá)到延長車輪壽命、減少運用換輪、降低綜合成本的目的。

某鐵路局車輛段制定的鏇修建議計劃和精準(zhǔn)鏇修控制表如圖9～10所示。

圖9 鏇修建議計劃截圖

圖10 精準(zhǔn)鏇修控制表截圖

4 結(jié)語

自2018年11月起至今，輪對管理系統(tǒng)的各功能模塊在某鐵路局得到了應(yīng)用。通過主動控制鏇輪時機和鏇修進(jìn)刀量，對于改善當(dāng)前車輪壽命因缺少整體規(guī)劃而導(dǎo)致其鏇修作業(yè)存在的過度維修、成本浪費等問題有著非常積極的作用。根據(jù)某型動車組的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)鏇修的實施情況，在工作量方面，可以減少約30%輪徑的切削量，減少約30%的運用換輪，并可減少這部分運用換輪及試運行、鏇輪作業(yè)造成的扣修(增加可用車組)；在成本方面，除因鏇修量減少節(jié)約的車輪壽命成本外，運用換輪造成的維修成本，以及試運行帶來的線路、供電、人員成本也大幅降低。實踐證明，該研究成果可有效提升動車組輪對運用、維修和管理水平,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。