地鐵車輛轉向架智能運維技術發展趨勢研究

李聰聰 袁婉琳 雷彥怡 鐘艾廷 梁煒詩

（華南理工大學廣州學院 汽車與交通工程學院，廣東 廣州510800）

1 概述

隨著人們對快速、準時、安全出行需求的不斷增長，對城市軌道交通的需求也越來越大，城市軌道交通已成為我國最重要的交通系統之一。地鐵已經成為各個城市最主要的軌道交通出行方式。地鐵車輛最重要的組成部分之一是轉向架，它對地鐵車輛在線路上的安全可靠運行和乘客舒適度等性能指標有很大影響。隨著城市軌道交通需求的不斷增加，線路運營和維護的成本和壓力也隨之增加。在科技日新月異的現代社會，我們要充分利用時代成果，通過信息化、智能化的手段，提高地鐵車輛轉向架的運維管理水平。隨著客流的增加和列車頻次的增加，轉向架的工作強度也有一定程度的提高。利用計算機軟件對轉向架零部件進行建模和分析，通過仿真軟件的計算可以得到更準確的數據，從而得到更有效的求解方法。

我國城市軌道交通建設的快速發展，增加了人們對軌道交通出行方式的需求。與此同時，地鐵作為城市軌道交通最重要的運營方式之一，也面臨著城市軌道交通建設和運營維護的壓力。隨著智能化的不斷發展，城市軌道交通開始發展智能化運維技術，以更好地滿足城市軌道運營線網的需求。當前，大數據、互聯網、人工智能等智能化技術的逐步成熟，也為軌道交通運維智能化轉型提供了助力。當前，智能化發展已成為各行業發展趨勢，就以軌道交通行業而言，用智能化技術提升設備運維管理水平，才可以適應現代社會發展需要，從而推動城軌產業健康高質量發展。

2 轉向架及智能運維

2.1 轉向架結構

轉向架是支撐車體并使之在軌道上運行的裝置，亦稱走行部，它是鐵道車輛最為關鍵的大部件。轉向架的各種參數直接決定了車輛的乘坐舒適性，運行穩定性及安全性。城市軌道交通車輛轉向架按照車輛類型分有A 型、B 型、C 型車轉向架和單軌車輛轉向架等；按轉向架軸數可以分為二軸轉向架和三軸轉向架兩種；按速度類型可以分為低速轉向架和高速轉向架兩種；按照驅動形式可以分為永磁直驅轉向架、直線電機轉向架和三相電機轉向架三種。可以說，轉向架設計制造的好壞，直接關系到鐵路車輛安全平穩高速的運行，關系到廣大人民群眾的生命財產安全。

2.2 智能運維總體狀況

現有的文獻中故障診斷方法較為常見的分類是：基于模型的故障診斷技術、基于知識的故障診斷技術和基于數據驅動的故障診斷。[8]

3 智能運維實踐與發展趨勢分析

3.1 輪對輪緣磨損

輪緣磨耗主要是由于離心力的作用下列車通過曲線或者道岔時，鋼軌或者道岔擠壓輪緣導致磨損加快。[4]列車在線路上運行務必會通過曲線，通過曲線就會對轉向架輪對產生沖擊隨之產生磨損，所以輪對輪緣磨損是個無法避免的損耗。地鐵公司的車輛維修中心便可以通過列車上裝有的車載走行部監測設備以及云端數據分析平臺對輪對磨損情況進行實時監控，并將數據存儲在云端，運用大數據統計得出同一批次的列車轉向架平均的磨損周期，通過對車輛的定修而保證數據的準確性，從而對正常輪對在正常磨損周期內將會出現的一些磨耗問題進行提前的預知以及維護保養，如圖（1）。

圖1 車輪輪緣

3.2 輪對踏面損傷

踏面剝離和損傷一般是由于車輪踏面在鋼軌的沖擊力、縱向和橫線蠕滑力的作用下，表層金屬產生塑性變形，再通過擴展受到一定外力的情況下，部分會脫落掉離；擦傷多為軌面滑動及閘瓦制動時產生，隨著長時間運營可能會使車輪變形加劇。無論是踏面剝離還是擦傷，都會導致失圓，快速運營時甚至會產生異響。[4]輪對踏面的損傷的監測則需要在車載走行部監測設備加上維護人員對輪對的探傷，金屬上一些細小的裂紋以及金屬疲勞等失效方式需要精確儀器的測量與分析才能較為準確的發現,如圖2。

圖2 車輪踏面

3.3 輪徑超差

就如出廠誤差、過曲線時內外輪磨損不一致、制動等都是造成車輪直徑差異的因素。[4]標準出廠的新車輪直徑為840 mm。如果車輪直徑修復至接近770mm 時，那么這個車輪將在報廢之前不會再被修復。一般情況下，當拖車同軸輪直徑差大于2.5 mm，同一轉向架同軸輪直徑差大于5 mm；動車組同軸輪直徑差大于1.5 mm，同一轉向架直徑差大于4 mm 時，需要對車輪進行鏇輪修復，否則可能導致輪緣偏磨等問題，如圖3。

圖3 車輪設計圖[5]

3.4 徑向跳動超限

徑向跳動主要是由于外圓和同軸孔不圓而導致的半徑差，它是沿著車軸直徑方向的跳動。如果徑跳超過一定限度，可能會導致踏面失圓，引發車輛抖動等情況，[4]如圖4。

圖4 轉向架輪對仿真模型

3.5 智能運維建議

地鐵列車上的傳感器等各類檢測裝置的可靠性需要進一步的提高。同時檢測以及通信傳輸系統的可靠性必須非常高，并且必須需要有進行備份系統的保留程序。傳感器故障將有著極大可能危害行車安全。現如今信息傳播速度進一步加快，5G 網絡的出現已經在醫療衛生等方面逐步開放運用，城市軌道交通智能運維也應該緊跟腳步，極力建設5G 網絡加快覆蓋，使得信息傳輸通道能力進一步提升。5G 網絡針對上下行帶寬的優化使得其也可以應用于無線車地通訊，4G 網絡下經常出現的因為人流量大而導致無信號、無網絡或者假信號、假網絡的情況在5G網絡下將不復存在，從而可以大大提高數據傳輸的可靠性以及時效性。

4 智能運維發展趨勢

如今，隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，國內一些一、二線城市已經形成網絡運營，但同時，這些城市的地鐵公司也面臨著建設和運維的雙重壓力。目前，發展智能運維技術已成為各大地鐵公司的主要選擇。為了更好地適應城市軌道交通線網運營的需要，必須提高設備設施運維管理水平，推動創新技術向實用化裝備轉化。與設計、施工等服務相比，運維服務的生命周期更長，具有確定性和可持續性，具有更大的發展前景和市場。近年來，為推動城市軌道交通產業智能化發展，各級政府部門出臺了多項政策意見，引導城市軌道交通產業高質量健康發展。此外，當前的移動通信、云計算、物聯網、大數據、人工智能等智能技術已經逐步成熟，為后續的實際應用奠定了基礎。同時，軌道交通關鍵系統設備核心技術實現國產化，正在進行智能化升級。因此，城市軌道交通智能化運維得到了政策、經濟、社會、技術等多方面的全力支持。雖然智能運維仍面臨諸多挑戰和制約，但需要行業和社會各界共同努力，一步步攻堅克難，向更高的智能化階段發展。

結束語

作為智慧城市建設體系的關鍵之一，智能運維技術的建設和發展需要抓住核心要點，結合智能化、自主化發展，制定未來規劃和實施策略。同時，智能運維要與實際裝備等具體應用相結合，從點到線再到面慢慢拓展，逐步推動城市軌道交通行業智能化更上一層樓。推動我國智慧城軌建設有序實施，以及交通運輸行業信息化高質量健康發展，為實現交通強國戰略目標不懈努力。