動車組部分關鍵部件服役性能與整車高級修修程修制關聯分析*

李方烜，于衛東，田光榮，朱慶龍

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081）

近年來，我國動車組保有量不斷增加，截至2020 年底，我國動車組保有量已超過3 900 標準組［1］。自2008 年以來，我國動車組高級修工作經過不斷的理論探索及實踐運用改進，積累了相對豐富的經驗，而我國動車組高級修修程修制偏于謹慎，還有較大的優化空間［2-3］。因此為推動鐵路高質量持續健康發展，逐步驗證動車組高級修修程修制優化可行性，國鐵集團組織相關單位開展動車組整車及主要關鍵部件高級修周期從每3 年120 萬km 延 長 至 每3 年145 萬km 的 驗 證 工 作（簡稱延長修）。研究延長修驗證動車組關鍵部件百萬公里故障率在延長修前、后的變化［4］，分析延長修對動車組關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證動車組在延長修前、后2 個階段產生的行車設備故障數據、地面檢測數據及運用檢修故障數據，利用大數據分析方法在延長修前、后2 個階段，做電氣板卡、滾動軸承百萬公里故障率與動車組高級修修程關聯分析，揭示關鍵部件服役性能演變規律，為我國動車組部分關鍵部件高級修周期延長提供數據支持。

1 部分關鍵部件修程現狀及問題分析

我國部分型號動車組電氣板卡當前修程修制偏于保守，當動車組運用至480 萬km 后，五級修期間牽引、制動、網絡系統的電氣板卡都需整體更新，而國外對同級別平臺的動車組在相應高級修期間對此類板卡部件則執行狀態修（性能測試，不合格更新），目前這類狀態修已使用了10 多年，應用效果良好。因此這部分動車組電氣板卡修程的優化目標為480 萬km 后對原必要更新部件進行性能檢測，視檢測結果決定是否更新部件。

對于滾動軸承類部件，例如動車組軸箱軸承，現行分解檢修周期為120 萬km，累計里程達到240萬km 后更換，與延長修驗證動車組高級修周期不匹配。因此當前動車組滾動軸承類部件修程修制優化目標為延長其檢修周期使之匹配整車優化后的高級修周期。

1.1 電氣板卡失效模式及現行修程

此次研究的電氣板卡由牽引板卡、制動板卡和網絡板卡組成。電氣板卡故障按原因可分為：焊點開裂脫落、電路板老化、晶體管故障、電容脫落、偶發性軟件報錯等。一般認為電氣板卡類部件隨服役時間增加故障發生概率逐步增加。

對于不同車型、不同類型電氣板卡，其三、四、五級修期間修程各不相同，針對此次研究的動車組，其電氣板卡修程總體上可概括為：120 萬km 三級修期間進行靜態外觀、現車狀態檢查；240 萬km四級修期間進行性能測試、功能驗證；480 萬km 五級修期間進行分解檢查、專項測試、更換電池、軟件升級等。此次研究的動車組在整車五級修期間不存在TCU、BCU、CCU 整體更換的情況，排除了五級修期間需要整體更換相關電氣板卡的動車組車型。

1.2 滾動軸承失效模式及現行修程

滾動軸承一般由外圈、內圈、滾子和保持架組成［5］。在循環載荷的作用下，內、外圈和滾子在載荷值較大的承載區容易發生疲勞裂紋，最終導致麻點、剝離類損傷。若滾動體與內、外圈相對潤滑不良，則容易導致軸溫升高。若保持架裂損導致保持架發生形變或斷裂，則保持架不能正確引導滾動體運動，甚至使滾子在滾道內卡死而不能滾動，這將導致軸承內部異常磨損引發熱軸故障甚至造成熱切后果。對于牽引電機軸承來說，若軸承表面沒有做好絕緣防護將導致電流通過軸承表面發生電蝕，加速軸承失效。動車組運行期間通過各軸承的溫度傳感器對以上3 類軸承進行實時安全監測，待動車組運行結束回庫后，檢修人員也將對其進行日常檢查，此外動車組滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統TADS-1（簡稱TADS-1）可對動車組軸箱軸承進行日常監測，與車載軸溫監測原理不同，TADS-1 設備通過聲發射原理，分析軸承部件在運轉過程中采集的聲信號頻譜進行動車組軸箱軸承早期故障的診斷及分級報警［6-7］。

當前我國動車組軸箱軸承采用120 萬km 分解大修、240 萬km 更新的修程標準，即新造軸箱軸承隨整車運行120 萬km 后高級修期間被退卸進行分解檢修，若期間未發現異常則被重新壓裝在完成高級修的動車組直至累計里程達到240 萬km 后報廢，若分解檢修期間發現損傷超限則直接報廢。動車組齒輪箱軸承修程按運行240 萬km 后，在整車四級修期間直接報廢，中間整車三級修期間不做分解檢查。動車組牽引電機軸承的修程按累計120 萬km 后，在整車三級修期間報廢。

2 基于高級修維度的部分關鍵部件故障規律分析

截至2020 年末，全路已有部分動車組完成了間隔145 萬km 周期的延長修。為開展動車組關鍵部件服役性能、故障率與動車組高級修修程關聯分析，此次選取延長修驗證動車組中前一輪完成過120 萬km 高級修周期和本輪已完成145 萬km 高級修延長周期的動車組，以這2 段間隔里程為統計區間，分別統計電氣板卡（牽引板卡、制動板卡和網絡板卡）和滾動軸承（軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電機軸承）的故障數據。數據源包括動車組管理信息系統（簡稱EMIS 系統）中行車設備故障數據。檢修故障處理記錄以及針對動車組軸箱軸承的TADS-1 監測數據。行車設備故障中排除了車載傳感器誤報和非車輛責任，檢修故障及TADS-1監測故障均以現場復核確認后實施更換認定，盡可能排除人工回填不準確、地面監測設備誤報等因素。

2.1 電氣板卡故障規律分析

此次研究的電氣板卡包括牽引板卡、制動板卡和網絡板卡，由于各類板卡數量、工作環境存在差異，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 類電氣板卡進行匯總統計分析。分別計算前、后2 個高級修周期內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 延長修試驗大多開始于2018 年，相較前一個高級修階段，我國動車組運用經驗、作業質量及配件質量都得到了顯著提升，得益于上述綜合因素，動車組整體安全性、相關部件可靠性均趨于健康和穩定［8］。

圖1 電氣板卡在2 個高級修周期內百萬公里故障率

統計分析可知，145 萬km 高級修期間未出現因高級修周期延長而導致電氣板卡故障率上升的現象，說明此次動車組延長修對電氣板卡的階段服役性能沒有負面影響。

接著計算電氣板卡在五級修前、后2 個高級修周期內百萬公里故障率，如圖2 所示，五級修后電氣板卡故障率有所下降，由于此次統計分析的所有車型在五級修期間均未進行電氣板卡整體更換，故統計結果可以說明這些車型的動車組電氣板卡在480 萬km 后仍能保持良好的服役狀態，現階段不會隨運行里程增加而導致故障率明顯上升。此次統計結果可為某些五級修期間需整體更換電氣板卡的車型的高級修修程修制優化工作提供重要參考價值。

圖2 電氣板卡在五級修前后百萬公里故障率

2.2 滾動軸承類故障規律分析

此次統計的動車組軸箱軸承故障樣本中未計入因新軸承在勻脂過程中軸溫超限報出的行車設備故障，研究發現，新軸承潤滑脂分布不均勻導致的軸承潤滑不良是造成軸承過熱的主要原因，并非是軸承內部故障造成，因此未被計入。

自2018 年，TADS-1 軌邊監測設備逐步開始在全路范圍推廣使用，根據TADS-1 近幾年使用經驗，TADS-1 報警軸承經檢修單位退卸、分解檢查后，報警兌現率較高，基本可以解決故障軸承初期軸溫不高但軸承內部卻存在嚴重剝離的問題，減少了動車組運行過程中的安全隱患，部分路局也將TADS-1 用于監測延長修驗證動車組的軸箱軸承狀態，因此本次計入了回段確認更換的TADS-1報警軸承。經過數據分析，延長修驗證動車組TADS-1 報警信息與車載軸溫報警信息沒有交叉結果，一方面佐證了剝離類故障軸承初期不容易造成軸溫升高，不易被車載軸溫監測設備發現的特點，另一方面也體現了TADS-1 監測手段對車載軸溫監測補充的重要性。

將動車組軸箱軸承故障監測手段分為車載軸溫及地面檢修、TADS-1 這2 類，得到2 類監測手段確認的動車組軸箱軸承故障占比，如圖3 所示。在120 萬km 高級修周期內，車載軸溫及地面檢修發現的動車組軸箱軸承故障占比為80%，TADS-1 發現確認的故障只占比20%，主要是由于此階段TADS-1 還未被大量應用，監測范圍有限，因此借助TADS-1 確認的故障也相對較少，動車組軸箱軸承的故障主要依靠車載軸溫監測及地面檢修手段發現。而在145 萬km 延長修期間內，動車組軸箱軸承故障主要被TADS-1 發現確認，占比達94.44%，而車載軸溫及地面檢修發現的故障只占5.56%，由TADS-1 發現確認的動車組軸箱軸承故障占比相較前一個高級修周期增加顯著，說明隨著TADS-1 監測范圍逐步擴大，借助其對動車組軸箱軸承早期故障的診斷優勢，TADS-1 能夠提前發現絕大部分故障，因此車載軸溫和地面檢修發現的故障比例也將大幅降低。

圖3 2 類監測手段確認的動車組軸箱軸承故障在2 個高級修周期內占比

下面統計延長修驗證動車組各類滾動軸承故障占比情況，如圖4 所示，2 階段動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軸承故障占比較少，其中120 萬km 期間未有牽引電機軸承發生故障，齒輪箱軸承故障占比16.67%，145 萬km 期間未有齒輪箱軸承發生故障，牽引電機軸承故障占比10%。動車組軸箱軸承的工作環境相對惡劣，受到沖擊載荷相對較大，容易發生故障，而齒輪箱軸承和電機軸承載荷相對較小，不易發生故障。

圖4 各類滾動軸承在2 個高級修周期內故障占比

為分析對比各類滾動軸承服役性能差異，分別統計2 階段各類滾動軸承百萬公里故障率，如圖5 所示。動車組軸箱軸承百萬公里故障率在2 個階段均為最高，分別為0.02 和0.059，齒輪箱軸承和牽引電機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 延長修期間動車組軸箱軸承故障率較前一個高級修周期有所上升，這是由于TADS-1 設備自2018 年逐步推廣，監測范圍擴大，診斷確認出許多之前不易被發現的軸承初期故障，導致延長修期間動車組軸箱軸承故障率增加，不過借助TADS-1 對動車組軸箱軸承的日常安全監測，有利于提高動車組運行安全裕度。

圖5 各類滾動軸承在2 個高級修周期內百萬公里故障率

為進一步探究高級修周期延長對動車組軸箱軸承服役狀態的影響，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范圍均經過TADS-1 探測站的動車組，保證2 段累計走行區間內TADS-1 監測的動車組軸箱軸承數量保持一致，軸承報警率則通過報警軸承數量與監測的軸承總數之比得到，報警軸承數量按1～5級和1～3 級分別計數，如圖6 所示，累計走行在135 萬～145 萬km 區間內動車組軸箱軸承的TADS-1 報警率并未上升，1～5 級報警由0.015 6下 降 至0.007 4，1～3 級 報 警 由0.013 0 下 降 至0.003 5，說明動車組軸箱軸承在累計走行里程超過120 萬km 后，服役狀態良好，未出現故障率上升問題。

圖6 動車組軸箱軸承在不同累計里程TADS-1 報警率

3 結 論

通過統計分析延長修驗證動車組各關鍵部件在前、后2 段高級修周期內百萬公里故障率的變化、各關鍵部件故障占比的變化，得到高級修周期延長對動車組關鍵部件服役性能影響結論，研究結果表明：

（1）145 萬km 延長修期間，電氣板卡未出現因高級修周期延長而導致電氣板卡故障率上升的現象，說明此次動車組延長修對電氣板卡的階段服役性能沒有負面影響。

（2）通過統計分析，動車組電氣板卡在累計里程達480 萬km 后未出現百萬公里故障率明顯上升的現象，仍能保持良好的服役狀態。此結果表明某些五級修期間需要整體更換電氣板卡的動車組車型可考慮480 萬km 后對電氣板卡采取狀態修。

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

（4）此次高級修周期延長期間，動車組軸箱軸承的故障率有所上升，主要由于TADS-1 設備監測范圍擴大，診斷確認出許多之前不易被發現的軸承初期故障。但是TADS-1 設備可以有效監測動車組軸箱軸承的安全狀態，為行車提供保障。

（5）動車組軸箱軸承在累計走行里程超過120萬km 后，未出現TADS-1 報警率上升問題，說明動車組軸箱軸承此時服役狀態良好，高級修周期延長未對其產生負面影響，動車組軸箱軸承修程可以匹配整車145 萬km 間隔的高級修修程。