動車組輪對故障模式分析及風險評估

李冰毅，朱亞男，崔 晶

（西安鐵路職業技術學院，1、2.副教授，3.教授，陜西 西安 710014）

0 引言

在建成現代化鐵路強國的目標下，保障動車組列車的檢修質量并優化其維修策略顯得尤為重要。轉向架作為列車機械部分的重要組成結構，其檢修品質直接關乎行車安全，是列車機械部分的重點維護對象。

輪對是轉向架中受力關系最復雜的結構，因此也是故障高發的部件之一[1]，研究輪對故障的產生原因，分析其故障模式并評估風險，對于指導優化輪對的維修策略，提高其檢修品質有著積極的促進作用。

1 輪對裝配結構的可靠性框圖

動車組的輪對裝配結構中包含車軸和車輪，車軸和車輪又有其具體的組成部分[2]。

當且僅當輪對裝配中的所有部件全部正常工作時，輪對才能正常工作[3][4]，見圖1。

2 輪對故障模式分析

2.1 輪對故障先驗模式

根據某動車段動車組檢修故障數據庫，以動車組走行180天為統計周期，經過整理和統計分析，將輪對常見的故障模式歸納為6大類故障模式：

A1：工作狀態異常或作用不良；

A2：參數指標超差；

A3：表面損傷（含磨損、擦傷等）；

A4：變形、尺寸超差；

A5：裂紋（含外部裂縫和內部疲勞裂紋）；

A6：斷裂、損毀。

以某型動車組為例，其輪對在統計周期內共發生故障334 次，其中輪對的A1 故障共發生13 次，占總故障數3.89%；A2 故障發生75 次，占總故障數22.46%；A3 故障發生80 次，占總故障23.95%；A4故障發生107次，占總故障32.04%；A5故障發生53次，占總故障15.87%；A6故障發生6次，占總故障1.8%。故6類故障先驗發生率分別為：

2.2 車輪故障后驗模式

綜上可看出，輪對故障以A4 類故障為主，即輪對變形和尺寸超差是主要高發故障，其中車輪故障關聯性較強且主要集中在輪對內側距、輪徑和輪緣尺寸異常上，尤以輪緣尺寸異常居多。

對輪緣尺寸異常進行三維仿真分析，見圖2。

圖2 輪緣尺寸異常分析圖

分析得出如下結論：a.輪對內側距偏大會加劇輪緣磨損；b.輪徑小的一側車輪輪緣磨耗嚴重；c.輪重偏差時，承重輕的一側車輪輪緣磨耗嚴重。

除此之外，輪對運動過程中的蛇形運動和曲線通過都會磨耗輪緣，而這種磨耗皆會導致輪緣厚度減小，使輪緣尺寸異常。同時這種磨耗還有一定概率引發輪緣偏磨、輪緣頂部形成鋒芒以及輪輞輪輻裂紋。

此外，踏面故障發生概率高，其中尤以A3 類故障（即踏面擦傷、剝離、磨耗）為主。故障原因主要為輪對運行中與鋼軌的劇烈摩擦，比如空轉、滑行等非粘著運動，或者運行環境造成。此類故障又會導致輪徑尺寸偏差，從而誘發輪緣故障。

因此，將車輪發生故障后的故障表現歸納為3大類：

B1：輪緣故障。含輪緣厚度減小、輪緣頂部鋒芒、輪緣偏磨、垂直磨耗到限、輪對內側距超限、輪徑超限和輪重偏差，包含A1、A2、A4；

B2：踏面故障。含踏面擦傷、剝離、磨耗和裂紋，包含A3；

B3：輪輞輪輻故障，包含A5、A6。

經后驗概率計算可知，B1 和B2 類故障發生概率高達0.4 和0.5，因此車輪在檢修中應對尺寸測量和外觀檢查工序進行重點跟進。

3 輪對故障風險評估

3.1 故障風險評估

采用風險順序數（Risk Priority Number，簡稱RPN）對輪對進行故障風險分析[5]。從三個方面進行綜合評估：

（1）故障發生度（Occurrence，O）

以故障發生概率對故障發生度進行賦值，具體見表1。

表1 故障發生度（0）賦值

（2）故障嚴重度（Severity，S）

以故障發生后的影響程度對故障嚴重度進行量化賦值，具體見表2。

表2 故障嚴重度（S）賦值

（3）故障檢測度（Detection，D）

以故障能被檢測出來的難易程度對故障檢測度進行量化賦值，具體見表3。

表3 故障檢測度（D）賦值

根據O、S、D 計算故障風險順序數（RPN），一旦故障風險數超過列車的臨界值，這說明故障危害較大，反之則較小[6]。

設嚴重度S的影響權重是發生度O的4倍，同時是可檢測度D的5倍，發生度O影響權重為D的2倍，可以得到如式（5）所示的權重矩陣：

由此得出輪對RPN計算式，見式（7）：

輪對RPN臨界值，見式（8）：

取臨界值為4，將輪對故障風險進行量化分類，具體見表4。

表4 輪對故障風險（RPN）量化分類

3.2 輪對故障數據

輪對故障頻發：在對某車型的統計周期內，車輪故障發生頻數為177，車軸故障發生頻數為167。某型動車組輪對故障及影響分析數據見表5和表6。

表5 動車組車輪故障及影響分析

表6 動車組車軸故障及影響分析

對表中車輪故障進行關聯性分析，其B1、B2 和B3類故障統計情況見圖3，可看出，車輪故障發生頻次高、危害大，尤其是B1和B2類故障應重點關注并合理安排檢修周期。

圖3 車輪故障分類分析

4 結論

通過對動車組輪對裝配結構進行了可靠性分析，重點研究了故障的先驗模式和后驗模式，并設計了故障風險評估方法，經實車數據驗證，得出以下結論：

（1）輪對裝配結構中，車輪和車軸均有故障發生，但對比分析表5、表6 可知，車輪故障的RPN 總值和單值均高于車軸故障RPN，因此在動車組運用過程中車輪故障發生頻次更高且風險更大。

（2）分析表5可知，在車輪故障中，2以上的RPN值（即中等風險）發生次數為15，占比達到94%，對比表6，RPN值2以上的車軸故障占比為42%。因此輪對檢修工序規劃時，應將車輪檢修步驟提升至車軸的一倍，加強車輪狀態修。

（3）車輪故障的80%都是輪緣類和踏面類故障，故障特點又以尺寸超差居多，因此應適當縮短車輪尺寸測量工序的檢修周期，提高檢修頻次，并配備方便使用且精度高的檢修工量具。