狀態修檢修技術在重載鐵路貨車上的應用分析

張靜軒，邊志宏

（1.中國神華能源股份有限公司，北京 100011；2.國能鐵路裝備有限責任公司，北京 100011）

截至2020年底，國家能源投資集團有限公司（以下簡稱“國家能源集團”）直營鐵路線路里程達到2155公里，擁有各類規格鐵路貨車52492輛，5個重載貨車維修子公司負責所有重載貨車的維修、運維管理工作正在進行中。多年來，國家能源集團重載貨車的維修工作一直在執行與“日檢、準時保養”緊密結合的防護程序維修規章制度，設備和重載貨車維修工作服務自動化技術和智能化水平的不斷發展，重載鐵路運輸機制不斷完善?，F行標準是以時間段來區分廠修，而分段修的維修體系早已無法實現國家能源集團鐵路運輸板塊的高質量、智能化發展。因此，國家能源集團以“實時監測、科學合理評價、精準維護、成本控制”為總體目標，以重載貨車應用穩定性為核心，以技術經濟學為評價指標體系，通過信息化、平臺化、數字化、智能化等方法開展了重載貨車維修制度改革創新的探索與實踐。

1 狀態修概述

狀態修可以快速準確地修復重載貨車的特性，具有維修效率高、可靠性高、經濟效益好等特點。境外鐵路貨車狀態修復的關鍵方法是定期維護狀態修復；檢查周期時間根據輪子和卷筒的磨損情況制定檢修時，應進行使用壽命管理的零部件和易損件的狀態檢查。根據零部件狀態進行更換維修和集中維修，確保車輛在下一個狀態檢查周期內可靠運行。近年來，為了進一步提高車輛的穩定性、易用性、安全系數和擴展性，降低車輛的維護成本，提高車輛應用的高效率，鐵路設備有限公司集成了自己的車輛應用、維護和管理等特點，積極推動科學狀態檢修技術在鐵路貨車上的應用，明確提出狀態檢修技術科學研究的總體理念和規定。本文基于國家能源集團科技創新項目惠能集團重載鐵路重載貨車國修成套裝備技術科研與裝備研發——狀態修工藝規程研究，進行鐵路重載貨車國家維修保養技術探討，開展核心技術研究，為制定修理程序、檢修技術規范、制定檢修工藝奠定堅實基礎。

2 狀態修相關技術

2.1 PHM技術

故障預測與健康管理作為新一代裝備的核心技術，對提高裝備的安全系數和日常任務的成功率、提高安全效率、降低安全成本等具有關鍵作用。對于鐵路重載貨車的狀態維修，關鍵必須使用PHM技術中故障預測和維修策略改進的相關方。為了完成對車輛運行狀態的全面識別，需要對車輛在應用過程中會出現的故障進行預測，同時，根據預測情況，科學安排維修，完成維修策略的改進。不同的零件有不同的故障模式，因此應采用不同的故障預測方法，故障預測方法有很多種，最常見的可分為模型的故障預測技術、數據驅動的故障預測技術和貝葉斯統計的故障預測技術。

（1）實型的故障預測技術。根據模型失效預測方法的假設，可以得到目標系統的準確數學分析模型，該類方法基于功能損傷的確定來評估關鍵部件的損傷等級，用于基于建立數據模型或隨機過程模型來評估部件的剩余使用壽命。以鐵路線上的重卡為例，車輪滾動擺脫了疲勞熱應力模型，裂紋發展規律。對鉤舌和牽引繩桿的裂紋進行建模，得出失效時間預測分析。

（2）數據驅動的常見故障預測分析技術。目前，機械設備的監測手段不斷完善，數據監測也在逐步完善。數據監測的故障檢測方法逐漸成為常見故障預測分析新技術的發展趨勢。數據驅動的常見故障預測分析技術可以進一步分為基于及時數據監測的常見故障預測分析技術和基于間接數據監測的常見故障預測分析技術。這兩種方法都涉及鐵路列車常見故障的預測和分析。例如，根據輪輞的規格和型號的定期檢查，創建輪輞的損壞數據信息，以預測和分析輪輞的剩余使用壽命。常見故障預測與分析的方法，涉及到及時的數據監測，THDS系統是基于對滾動軸承溫度的檢測來識別滾動軸承的常見故障，屬于間接數據監測的方法。

（3）貝葉斯統計常見故障預測分析技術。很多故障塊的出現是相對不經意的，整個過程并沒有明顯減少。隨后，可以從以往常見故障歷史數據的數據分析特征方向進行系統故障預測分析，這種方法稱為貝葉斯統計。常見故障預測分析方法，例如，轉向節破裂是重載貨車轉向節的常見故障，可以根據對大量數據信息的數據分析的統計與分析，根據當前應用公里數得出失效標準概率分布，可以用來考慮零件的性能。

2.2 FEMCA技術

失效模式與影響分析是一種綜合分析技術，適用于探索系統中各個部件的多種可能無效元素，分析失效概率和嚴重后果。使用FMECA方法，專家必須利用自己的工作經驗，對車輛運行過程中各種常見故障的損壞和頻繁發生進行定性分析和描述。較大的組件和常見的故障模式被定義為診斷模型的評估類別。

3 國內外鐵路重載貨車檢修制度技術發展歷程

美國鐵路重載貨車早期在基本狀態下采用“日常檢查、狀態修”的保養方式，后來逐漸轉變為以狀態、時間為導向的狀態修方式；俄羅斯鐵路的重卡一開始采用的是“保護計劃維修”的維修方式。20世紀中后期逐漸與基于實際里程的保養方式接軌：澳大利亞（三大礦業公司）、澳大利亞和巴西鐵路線上的重卡采用“時效性”，背馱式運輸車輛采用基于里程的維修方式。部分企業（澳大利亞PN企業）“按時間段進行保護性計劃維修”的維修方式適用時間范圍：歐洲地區，歐盟成員國的貨運和物流鐵路貨車應用“保護性計劃維修”根據時間范圍。保養方式，根據背包運輸車的行駛里程選擇“保障性住房計劃”的保養方式。與西方國家相比，世界各地物流貨運發展趨勢的工作經驗表明，形勢是根據運營里程數提前準備的發展趨勢的實際方向。在中國，鐵路貨車的保養方法是按固定間隔進行的。1965年至今，鐵路線路重型貨車的維修重點是保養、全方位檢查維修和狀態檢查維修。4種按時保養維修程序和列車定期保養。經過10余年的維修改革、創新和完善，我國大部分鐵路重載貨車，包括國家能源集團鐵路重載貨車，只有廠修、段修的二級準時維修手續，由于鐵路線路固定車輛附設、固定區間運營等獨特特點，自2003年以來，敞車采用“大修、全面檢查修、狀態檢查修”等與廠修、段修、輔修相對應的以里程為主、兼顧時間的“預防性計劃修”檢修模式；通用線和鐵路公司采用基于時間的“預防性計劃修”檢修模式。

4 關鍵零部件剩余壽命預測模型

4.1 退化類零部件剩余壽命預測模型

退化型組件是指在整個應用過程中出現顯著的退化發展趨勢，可以用一個或多個退化量來表示，并且可以根據整個退化過程和設定的退化模式來預測和分析剩余使用壽命。例如，基于TWDS監測系統對胎面圓損傷的數據監測，可以建立輪輞損傷的模型，進而預測和分析輪輞的修復機會。

4.2 失效類零部件剩余壽命預測模型

對于失效類部分，沒有顯著的退化過程，因此很難建立一個退化模型，對于此類零件，如果在大修中不失效，則通過應用一定里程獲得剩余使用壽命預測模型失敗的概率。根據標準失效概率，綜合考慮零部件的健康狀況，從而具體指導車輛的評分和維修工藝區分。

4.3 基于“5T”系統的狀態監測模型

軌旁監控設備是檢測重載貨車運行狀態的關鍵手段，現階段主要是鐵路線路列車的“5T”系統，根據“5T”檢測系統數據信息的挖掘和融合，可以完成故障識別和預警信息，根據“5T”系統的狀態檢測模型，針對各系統的報警數據信息特點，建立部件評價指標體系。

（1）根據THDS滾子軸承的常見故障預警信息。今天的THDS系統可以有效地檢查滾子軸承的狀況，并對熱軸的常見故障進行報警。但是，為了更好地利用THDS數據監測來評估車況系統下的車況，必須以THDS數據為基礎。對滾動軸承常見故障的預警信息進行監測并建立模型，對滾動軸承常見故障發展趨勢進行THDS系統告警。異常等級用于專業指導滾子軸承狀態評估和系統修復的開發設計。利用神經網絡算法、時間序列模型和統計分析方法，對THDS當前的信息內容和數據信息進行縱向規律性分析，反映縱向規律性。對整個過程進行定向、歷史和數據分析。問題發生前的滾動軸承檢查程序的大部分信息內容是一些異常情況。測試設備全過程從運行里程方面考察數據信息的發展趨勢并進行定期預測分析，周期性分析里程和周期性聯系。進一步細分單個檢測設備的檢測數據信息，并進行發展趨勢預測分析，針對預測情況設定不同的結果，將各個級別分開，并根據不同的劃分級別設置懲罰指標，單個項目檢測設備的檢測數據信息經常性異?；蜷g歇性異常，或檢測數據信息呈現明顯增長趨勢時，應適當劃定處罰分值管轄。

（2）根據TADS滾子軸承狀況審查。在這個環節，TADS的重要日常任務是找出滾子軸承的原始常見故障，根據告警中常見故障的歷史時間檢測數據分析，發現TADS的檢測時間較長，因此，在使用TADS數據信息分析滾子軸承時，不僅要考慮長期報告，還要充分考慮報警。當今形勢下，在構建評價體系時，需要隨時隨地考慮多層次：

①考慮警戒級別，充分考慮TADS系統的基本報警原理，報警等級越高，滾動軸承的常見故障特征越明顯。

②考慮告警中的常見故障類型是否相同，如果TADS系統得到的各告警常見故障類型的一致性越好，則判斷常見故障的真實有效性越高，否則，很可能會覺得故障不是很常見，或者錯誤報告的可能性很大。

③考慮警報的頻率和持續時間。警報頻率或持續警報頻率越高，常見故障的可能性就越高。

（3）根據TPDS評估胎面損傷。TPDS系統的一個關鍵作用是檢測胎面損壞，根據對胎面損傷實例的監測數據和現場檢查反饋數據的分析，發現絕大多數胎面損傷在整個過程中具有漸進的發展趨勢，整個發展趨勢有2個關鍵表現：一是從TPDS的監測數據來看，主要表現為非零大沖擊劑量出現緩慢而頻繁，非零較大沖擊劑量刻度值逐漸增大，由早期偶發性大沖擊劑量小于警戒水平，到中后期連續發生大沖擊劑量達到胎面損傷警戒水平階段。二是從現場胎面破損報警反饋數據來看，尚未解決的胎面破損程度正在逐步發展。因此，在構建基于TPDS監測數據的輪胎胎面損傷評價指標體系時，應考慮歷史時間監測數據。

5 重載鐵路貨車狀態修修程設置方案

5.1 在線修

開展重型貨車卸貨例行體檢：根據滑坡路段，開展重型列車所需制動系統檢查：重點檢查車輛安全運行監控系統，人因檢查檢查為輔，通用設備檢查 將故障預警信息結果信息內容消息推送給操作人員，進行所需的定期維護和應急處理。在線維護可以進一步完善我國能源集團列檢工作的設計和規劃，減少列檢人員數量和列檢作業時間，提高運輸效率。

5.2 Z1修

鐵路重載貨車狀態檢測與維護系統（HCCBM）根據列車剎車片的磨損狀態和車輛技術狀態的測試結果進行分析和統計分析，生成列車和車輛檢測報告，從而明確Z1維修時機。Z1維修的主要工作內容如下。

（1）工作區車輛狀況確認與保養。車輛狀態確認內容涉及對自動消息推送的預警信息的故障確認：根據列車進站考試初步測試，檢查并確認制動系統故障部位；使用智能巡檢系統輔助人力對列車進行快速巡檢；對技術狀況進行全方位檢查，根據檢測結果確認無法修復的車輛，并明確申請更換。維修內容還涉及列車剎車片的集中拆裝更換以及制動系統是否關閉、車體損壞故障的解決方案，維修工作完成后，將進行最后的風試。

（2）根據維修庫維修，對基層維修庫中的軸承故障和大鉤延遲故障進行集中維修。

（3）車輛更換和交付，在停車線中，對必須提修的車輛進行拆換，并在必須交付車輛維修編隊時進行制動系統測試，測試結束后，如果有立即啟動站標準，則無需進行重復技術檢查。

5.3 Z2修

HCCBM系統根據車輛輪輞胎面的損傷情況和空氣制動系統設備的測試結果進行分析和數據分析，并轉化為列車和機動車檢測報告。因此，確定了Z2修復機會。對掛車橋榫、制動閥、氣開閥、鉤舌進行集中更換和維護：對車身、轉向架、橋榫、轉向架緩存文件設備、制動系統設備等進行全面檢查；自行車測試、轉向架“三態”動作和抗跳特性測試。與非單階段維修相比，取消的維修內容如下。

（1）車身。拆下各耐磨鋼、前后、左右、上下擋板、芯板、上滾動軸承等的熔煉檢查：拆下固定支架配件、沖擊座、芯板、承重梁、及后蓋板的裂紋、浸水等侵蝕等損壞、變形等維修技術規范。

（2）轉向架。取消轉向架的清洗；取消除軸榫外的其他部位的拆檢，送大典維修；取消制動系統橫梁探傷檢查和檢查；除定期檢查和調整球墨鑄鐵側滾動軸承耐磨鋼和滾子軸承的絕對高度外，取消其他部位的規格型號、損壞和外觀檢查。

（3）轉向架緩存文件機械設備，除鉤舌外，取消其他部位的拆卸和維修：取消鉤銷、鉤尾架、轉動套筒的探傷和檢查：檢查取消所有零件的規格、型號和損壞情況；沉重的鉤體取消了拖桿尾部和兩側的裂紋檢查。

（4）制動裝置。取消軟管連接器分解檢查和軟管風水壓試驗，省去控制閥防盜罩及限壓閥防盜擋的安裝工作。

6 結語

運用PHM相關技術將狀態修檢修這一核心理念應用于鐵路行車檢修行業，將是我國鐵路行車檢修體制改革的主要方向，本文建立了鐵路重載貨車狀態修復綜合診斷模型，該模型充分考慮了車輛零部件的剩余使用壽命，以及軌道邊緣檢測系統的監測數據，得到綜合評分。根據重要部件的特點和整車綜合優良率，專門指導修理廠的選擇，根據文中提到的綜合診斷模型，可作為中國鐵路線路列車狀態檢修推廣的參考。