漏斗車檢修PHM數據分析

郭丹丹， 趙 明

（中車太原機車車輛有限公司科技管理部， 山西 太原 030026）

引言

為更好地了解車輛產品運用過程中產生故障前功能部件的參數數據變化，降低產品質量保證期或產品壽命期內發生故障的可能性，并在產品故障發生之前便提醒使用者進行及時維護，提升產品使用率，為產品設計提供技術參數，提出了產品的故障預測與健康管理理論。在眾多理論中主要以產品使用過程中影響產品性能的關鍵部件狀態變化為研究對象，在關鍵部件上安裝有各類傳感器和數據采集發送系統，通過后臺軟件對大量數據進行統計分析；其次是通過產品在各階段檢修過程中檢修內容和影響產品性能的故障進行數據匯總統計分析，分析出產品使用壽命期內關鍵部件狀態規律，并根據分析規律提出產品改進設計意見。鐵路貨車作為我國大宗貨物運輸的載體，其安全性和可靠性一直是鐵路運輸部門和設計、制造單位關注的重點。借用現今快速發展的信息化技術、通訊技術、云計算技術，建立大數據分析健康管理平臺，對于鐵路貨車設計、制造、檢修、運用等各個方面的工作均具有指導意義[1]。

1 國內鐵路貨車健康管理研究現狀

1.1 國鐵貨車HMIS系統

鐵路貨車技術管理信息系統（HMIS）是為鐵路貨車技術管理提供宏觀決策信息和生產組織、質量控制及信息服務的各種資源設備統一規劃的應用計算機、網絡、通訊技術并引進科學的管理方法和系統化的開發方法的人—機系統。HMIS系統總體邏輯結構分為信息應用管理層和基礎數據提供層，信息應用管理層由鐵道部運輸局裝備部、各鐵路局車輛處及各車輛段、車輪廠、新造、廠修工廠等的管理層組成，基礎數據提供層由各車輛段、廠的車間層組成，預留可擴展到工位的數據接口。

1.2 專項調研統計分析

國鐵集團根據HMIS數據庫反映的一段時間內鐵路故障高發的情況，針對故障配件展開了專項調研統計分析工作。其中主要針對制動缸故障、手制動拉桿緩解不良、120閥故障、車輪磨耗和鋼結構腐蝕磨耗情況，組織各鐵路貨車和配件設計主導廠在工廠內部和鐵路站段車間進行了數據統計，并根據故障類型和損壞初步情況的統計分析情況，提出了主動潤滑制動缸、改進型120閥等配件方案，提出了手制動拉桿加強筋加長并完成整治工作方案，規范了制動系統組裝。

1.3 中車貴陽公司智慧貨修綜合管理平臺

貴陽公司2017年在當地政府支持下，開發了智慧貨修綜合管理平臺，形成了對鐵路貨車廠修大數據統計應用的框架設想。目前，該公司已將生產過程條碼系統與ERP系統、BI數據決策系統相結合。該檢修數據平臺將多個系統的數據間傳輸連通，使得數據庫數據為各系統軟件所調用，可實現啟用保質期管理和批次管理；實現系統預警管理，降低配件報廢率。由于平臺數據庫內增加了檢修車輛檢修部位的故障類別（比如腐蝕超限、變形超限、配件裂紋等）和檢修方法（比如更換、分解修理）等內容，可對發生的系統性及批量性故障及時進行分析和提出檢修方案，并給主導設計單位提供改進設計的數據支撐。未來系統自動計算修復該故障所需工時和材料，判斷修程；財務人員只需將當月預算和單價錄入系統，由系統按照車型、材料成本、動能、工資、工資附加、制造費用等自動統計分析出各種報表，實現所有車輛的成本清晰體現，提升成本管控能力。

1.4 各類研究對比分析（見下頁表1）

通過上述分析，目前國鐵集團建立的國鐵貨車HMIS和安全監測（5T）系統是成熟且數據量已能夠實現大數據分析，其他系統及平臺均處于框架建設和構想之中或采集的數據量有限。但由于各自系統的研究側重點不同，采用的分析系統和分析方法有所區別，也各自有自身的優勢和缺陷。

表1 鐵路貨車數據分析管理系統對比研究

2 漏斗車檢修故障統計分析情況

以KM70型煤炭漏斗車、KZ70型石砟漏斗車為樣本，將漏斗車鋼結構和漏斗車傳動系統、底門結構為統計對象，結合廠、段修規程中的檢修項目，明確其主要結構部位，將車輛鋼結構和傳動系統故障形式和可能產生的原因、處理方法進行記錄統計。

經過對一年200余輛車的統計分析，情況及效果如下：

2.1 KM70型煤炭漏斗車改進設計情況

拉桿丟失、拉桿根部開裂故障率較高，占比50%；研究了KM70型煤炭漏斗車拉桿根部開裂成因，主要是根部連接方式為焊接方式，會有殘余應力且在煤覆蓋下易產生腐蝕裂紋。改進措施：將固定座與拉桿焊接方式改為鉸接方式，改進方案已應用于新造車輛上。

連系梁與側梁部位焊縫開裂故障率較高，占比大于32%；進行成因分析，該處應力值較大，漏斗腐蝕及側梁剛度變化對其影響較大。改進措施：在側梁與連系梁連接處側梁外側增設了加強筋，提高該處剛度減少了變形量，此方案已經在廠修車輛實施。

煤炭漏斗車牽引鉤和腳蹬故障率高，故障表現形式主要為變形、缺失、斷裂，故障初步分析為牽引作業過程不合規范所致。

KM70型煤炭漏斗車扶梯根部截換率高，占比54%以上，故障表現形式主要為腐蝕超限、根部焊縫開裂、連接地板截換，故障初步分析為煤炭漏斗車地板扶梯處易產生積煤現象，導致產生腐蝕；此外由于結構焊接應力及使用頻次高等綜合因素產生裂紋。改進措施：增設扶梯固定座，扶梯與固定座采用鉸接連接方式。

上部傳動軸軸承更換率較高，故障表現形式主要為軸承滾子損壞、外圈損傷，故障初步分析為機構存在憋勁阻力較大，采用強力手段開門，導致傳動軸軸承損傷。

2.2 KZ70型石砟漏斗車改進設計情況

操縱室門鎖故障表現為損壞和功能失效，分析成因：鎖舌主要長度不足、鑰匙通用性不足。改進措施：進行單項研究改進，更換新型門鎖，目前已在檢修和新造車輛上應用。

操縱室扶手故障率高，扶手桿和扶手座更換率高，占比30%以上，故障表現形式主要為扶手桿外套破損、丟失，扶手座腐蝕超限，故障初步分析為KZ70型石砟漏斗車工作環境差、扶手桿外套老化和磕碰現象較多，下方扶手座易積存雨水，導致腐蝕過限。改進措施：下部扶手座改為凸臺結構。

觀察孔組成故障率高，占比35%，成因分析：連接部位不結實，容易被石砟砸掉或產生變形；整個觀察孔組成在端墻內，鉸接部位受力較大易脫落。改進措施：整個觀察孔組成鉸接部位改在端墻外側，裝載石砟時鉸接部位不受力。

3 漏斗車檢修PHM系統設想及意義

3.1 檢修數據平臺功能設想

3.1.1 用戶管理

系統分為電腦上使用的PC端系統和便攜式設備上使用的移動端App系統，建立統一的用戶管理，通過給每個用戶賦予不同權限控制用戶登錄的模塊，實現系統用戶的統一管理。

3.1.2 分解記錄

建立車輛基礎數據信息和車輛分解后的部件基礎數據信息。可對車輛和分解后的部件按車型、車號進行新建、修改、注銷、查看操作。對以后車輛檢修、故障分析統計、車輛生產設計等提供必需的基礎數據。

3.1.3 檢修數據

在車輛和車輛分解后的部件基礎數據上，進行車輛檢修數據的錄入，可以記錄車輛的檢修過程、檢修狀態、檢修部件數量等信息，也可以記錄車輛部件的更換、拆損、處理方式、故障原因等基礎數據信息。

3.1.4 故障分析

在故障原因數據的基礎上，建立故障成因分析模型，通過故障成因分析，實現漏斗車部件故障部位、故障原因等數據的統計報表，生成所需的柱狀圖、餅狀圖等圖形報表。根據圖表數據挖掘故障成因，可統計生成車輛部件損壞、更換數量，不同廠家部件同比、環比等數據。

3.1.5 生產管理

可生成生產計劃報表，并完成線上審批流程。

3.1.6 移動App子系統

利用移動終端實現對車輛分解部件的修改，檢修數據信息的錄入保存。

3.2 檢修數據平臺擴展性、安全性、可靠性設想

系統平臺的建設應采用可擴展的技術體系架構，以適應信息化建設和應用系統快速發展的要求。同時具有較高安全性和可靠性，使得信息數據為固定客戶服務。

3.3 系統總體架構

貨車檢修PHM系統（見圖1）涉及到車輛分解、車輛檢修、故障統計和生產管理等主要業務。用戶在進行一般管理業務的同時，會產生大量的數據及數據間的關系，因此需要數據庫對這些數據進行存儲，本系統應采用開放式數據庫（SQLServer）設計。

圖1 系統總體結構圖

4 結語

漏斗車檢修PHM系統設想，為未來鐵路貨車運用PHM平臺與整個健康管理平臺連通提供一些思路。隨著數據統計平臺技術不斷提升，使得車輛運用過程中配件狀態與檢修故障呈現趨勢可以有效結合，真正實現車輛故障精準預防和狀態修理、高效運營管理的目標。