動車組PHM系統中制動閘片測量方法的探討

姚俊青，劉順潮，楊利霞，劉英凱

(1.北京浦然軌道交通科技股份有限公司，北京100161；2.中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊051230；3.石家莊多美斯日化用品有限公司，河北 石家莊051230；4.河北省金剛石工具工程技術研究中心，河北 石家莊051230）

1 研究背景

基礎制動系統是動車組的核心部件之一，由制動閘片、制動盤、制動夾鉗等組成，其中制動閘片是制動系統的關鍵部件，其健康狀態直接關系到動車組運行的安全性。制動閘片在安裝過程中產生偏差或者在制動時的高溫和強壓的作用下產生異常損耗，以及使用過程中有異物夾雜在制動閘片和制動盤之間等情況下，都會使制動閘片出現超出預期的磨耗，這種磨耗一方面會降低制動閘片的使用壽命，另一方面會使制動過程不平穩甚至影響整車的制動效果[1]，嚴重時可能使制動閘片無法與制動盤接觸，導致動車組失去制動力而發生嚴重事故[2]。

制動閘片的使用特點使其易于磨損而需要經常維修和更換。為保證列車運行安全，鐵路部門規定的運行時間或運行里程較為保守，使得維修過程普遍存在過度維修。動車組閘片是由特殊的合金材料制成，其使用數量特別大（每輛標準動車組160片），因此容易造成較大的浪費，占到總維修成本的40%以上[3]。

目前，動車組制動閘片的磨損預測和估算還沒有形成簡單、成熟、有效的監測手段。

2 模型的提出與運用

針對現有技術的不足和實際需求，本文結合實例提出一種基于PHM在線監測的動車組閘片磨損量的預測方法，稱為“數學疊加”模型（mathematical superposition model），應用于動車組故障預測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）系統中對制動閘片磨損的監測預算，能夠替代人工勞動，并有效降低檢修次數和維修成本，運用效果良好。

2.1 估算步驟

（1）對動車組運行狀態、子系統工作狀態進行監測，并將采集的列車運行數據發送至車載接收系統。

（2）車載接收主機系統對運行數據進行存儲，并從接收的數據中篩選出動車組在運行中的速度、AC壓力、BC壓力和制動持續的時間等數據。

（3）系統會根據篩選出的數據確定第n時刻BC壓力作用在制動閘片和閘盤之上的等效摩擦距離。

（4）根據上述確定的等效摩擦距離、BC壓力，確定第n時刻制動閘片總的磨損量。

2.2 具體測算過程

（1）數據采集方法

利用動車組車載監控設備對動車組運行狀態、子系統工作狀態進行監測，并將采集的列車運行數據發送到車載PHM主機系統（如：發送間隔為1分鐘），從接收的數據中篩選出動車組在運行中的速度、BC壓力、AC壓力和制動持續的時間等數據，并去掉速度為0及錯誤和不合理的數據，得到用于精確計算的有效數據。

（2）等效磨擦距離的計算

由于列車運行速度是在不斷變化的，計算每一分鐘壓力作用在制動閘片和閘盤上的實際距離（及摩擦距離），可以用這1分鐘的平均速度來計算（實際上，具體實現精確測量功能需要選取更小級時間單位），具體公式如下：

其中：

式中，Sn為第n分鐘制動閘片和閘盤的等效摩擦距離；α為比例系數：r為制動閘片安裝位置與車輪軸心的距離，R為車輪半徑；νn為第n分鐘的速度；νn+1為第n+1分鐘的速度。

（3）制動閘片磨損量的計算

由于制動閘片和閘盤的材質是固定的合金材料，在短暫的磨合后，可以認為制動閘片和閘盤的動摩擦因數趨向于一穩定的常數，設為μ。進而可得動摩擦力f為：

其中：fBC為動車組BC壓力（強）值；β為BC壓力與正壓力轉換系數。

制動閘片磨損量與制動閘片和閘盤的正壓力和等效摩擦距離的乘積成正比，比例系數設為：ρ，則在第i分鐘磨損量εi計算公式為：

其中：

則n時刻制動閘片總的磨損量為：

（4）λ的確定方法

λ的確定可采用最小二乘法，具體方法如下：

對于制動閘片j（j=1，2，...，N，N為被檢測制動閘片的數量），利用動車組的車載檢測設備下傳的動車組運行數據fjBCi及利用式（6）計算的Sji，可得到通過現場測量制動閘片在同一時段的磨損值εjn。由此可以得到對應數據表1：

表1 計算不同制動閘片損耗對應算法

由式（6）可知，對于參數λ，實際測量值和計算值會產生一定誤差，現要求這一誤差的平方和最小，即式（7）最小。

上式對λ求導得到：

令上式為0可得：

即

則：

（5）制動閘片磨損量估算

依據式（11），對于制動閘片j（j=1，2，...，N，N為被檢測制動閘片的數量），則其在n分鐘后的磨損量εjn為：

其中，fjBCi可以從車載檢測設備下傳的數據中獲得；Sji可用式（1）計算。

另外，第j片制動閘片第i時刻的剩余厚度h′與初始厚度h的關系為：

2.3 驗證過程

針對國產某型動車組中的一輛動車的四片制動閘片進行跟蹤監測，以驗證本方法的有效性，具體過程及結果如下：

（1）根據前期大量的檢測及計算數據，以及本文的式（11），得到λ的估算值，為：

（2）每10天去一次動車維修基地現場，測試指定車輛的4片制動閘片厚度，同時，統計本階段動車相關制動數據，即BC壓力（fjBCi）及對應的時間，再利用式（1）計算等效摩擦距離Sji。

（3）根據式（1）和式（13）即可計算摩損的預估量。計算結果與實測結果見表2。

由表2可知，測量值與計算值的最大偏差為0.2mm；偏差的均方差為：

現有規程中動車組閘片的初始厚度是17mm，當厚度還剩下6mm時必須更換[4]。可見，本方法對制動閘片磨損量的估算精度完全達到應用需求。

3 結束語

動車組PHM系統中制動閘片厚度的監測，通過“數學疊加”模型可以做出預估，本模型可根據每列動車組的實際制動情況，精準估算每列動車組閘片的磨損量，并能提前做出壽命預警和更換提示，在保證閘片制動性能的前提下，合理延長制動閘片的使用壽命，從而減少浪費，同時替代人工檢測，有效降低檢修次數和維修成本。

實例中測量值與計算值的最大偏差為0.2mm；偏差的均方差為0.191，該算法滿足應用需求。