基于狀態檢測的軌道交通車輛系統性維修分析

李凱，暴長春，何彬

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

現階段城市軌道交通車輛因為存在車輛結構復雜的問題，在當前車輛維修中可以從信息技術入手，探索狀態檢測的新方法。為了能夠更好的適應未來城市軌道交通車輛系統維修的需求，則需要探索狀態檢測與系統性維修的新路徑，其中基于現代信息技術的車輛狀態評估方法可以充分彌補常規技術方案的缺陷，在狀態檢測的基礎上，可以動態檢測車輛的運行變化情況，成為未來技術發展的新方向。因此為了能夠適應這一變化，則需要尋找到全生命周期維護的新方法，這也是本文研究的重點。

1 城市軌道交通車輛的狀態檢測要求

1.1 城市軌道交通車輛的安全問題分析

結合現階段我國城市軌道交通車輛的實際情況，車輛的安全性問題主要表現在以下幾方面：①車輛結構的靜力破壞。該破壞現象常見于車輛的零部件上，也可能出現在車輛碰撞等事故中。②疲勞失效。這被認為是結構破壞的主要原因，是因為部分零部件的耐久性差，或者在長期運行過程中面臨高強度的疲勞，最終引發薄弱部位出現裂紋甚至拓展到整個結構上[1]。

根據相關學者在狀態檢測的實踐經驗，采用案例分析的方法，對某地區城市軌道交通車輛的安全狀態進行檢測，最終結果如表1所示。

表1 某地區城市軌道交通車輛的故障信息統計

從表1的相關數據中可以發現，在該地區的城市軌道交通車輛中，故障的分布呈現出時間變化的趨勢，不同零部件所發生故障的時間分布存在不同，但是均經歷了“峰值→平穩”的變化過程，其原因可能為：在車輛零部件故障問題頻發之后，通過強化零部件管理能夠將各類安全事件發生率降到最低，滿足車輛維修與管理的要求。

1.2 狀態檢測的評估模型

在本次研究中，為更好的了解城市軌道交通車輛的運行狀態情況，本文將從可靠性工程入手，通過邏輯圖來顯示元件之間的功能狀態，經方框用直線連接元件的關系后，體現元件功能的關系。其中在串聯系統的狀態評估階段，假設系統由多個子系統或零部件組成，則任意單元的可靠性均具有獨立性，單元之間的失效不相關，當一個單元失效的狀況下會造成系統功能失效，該系統的具體結構如圖1所示。

圖1 系統的邏輯關系圖

其中需要注意的是，在狀態評估中需要按照從任意一點出發，在掌握邏輯圖串聯要求的基礎上正確化劃分不同系統之間的功能，例如車輛的齒輪減速機主要包括箱體、軸承以及箱體等，其中任意部分的失效都會造成最終檢測結果的異常。

1.3 車輛狀態智能檢測技術分析

隨著未來城市運營軌道項目不斷拓展城市軌道交通車輛的周期性、高頻次以及隨機性輪載作用下導致零部件結構內部發生損傷，不僅會影響乘客的舒適性，也會增加車輛運行的安全風險。按照本文介紹的狀態檢測要求，為了能夠進一步提高檢測效果，在狀態智能檢測中應該合理運用智能化技術，采用智能傳感器完成狀態評估，其中的關鍵零部件包括陀螺儀、加速度計等關鍵傳感器，確保智能化裝置能夠更好的評估車輛的運行狀態，并利用5G技術完成數據的上傳與信息采集。

2 城市軌道交通車輛全生命周期評價

2.1 車輛結構的安全評定

研究認為，疲勞是影響機車車輛結構安全的重要因素，并評估關鍵運動部件的磨損、腐蝕環境等因素下車輛性能變化情況[2]。在這個過程中，假設車輛運行過程中有n（t）個零部件失效，則有N-n（t）個零部件處于正常工作狀態下，則可靠性的評估方法如公式（1）所示。

在公式（1）中，R(t)為列車零部件的可靠性估計值。

為了更好的判斷出全生命周期環境下的車輛故障問題，本文以城市軌道交通零部件的壽命t為橫坐標，以△n(t)/(N·△t)（失效頻率/組距）為縱坐標規制直方圖。

2.2 車輛零部件的有效壽命

從全生命周期的角度來看，本文將車輛零部件的失效過程細分為早期失效、隨機失效以及損耗失效三個階段，其中早期失效是最常見的零部件故障情況，主要誘因是制造缺陷、設計不完善以及驗收疏忽等，在城市軌道交通車輛全生命周期評價過程中，通過對車輛零部件的有效壽命進行識別，有助于對關鍵零部件的性能變化情況作出評估，進而快速識別可能影響零部件性能的因素；隨機失效則是指原因隨機原因造成的偶然失效現象，即使采用先進的維護措施也無法杜絕此類問題發生；損耗失效則是指因為設備施工過程中的損耗、疲勞以及老化等原因造成的失效現象，其主要特征為失效率的快速上升，常見于產品使用的后期階段。

結合上述對車輛零部件有效壽命的分析，本文認為需要從全壽命周期和城市軌道車輛的整機設計角度出發，尋找一條科學有效的預防措施，進而顯著降低車輛零部件的失效率，最終達到延長設備使用年限的目的。

2.3 車輛零部件的失效率

失效率與有效壽命是相對應的，在全生命周期理論下，任何零部件都具有一個具體的使用年限，而失效則意味著零部件使用年限的終結此時則需要對車輛做系統性的維修。

在分析車輛零部件失效率過程中，計算零部件的失效率如公式（2）所示。

針對零部件的失效率情況，假設該零部件的全生命周期為t1-t2，則零部件的平均壽命為：

在公式（3）中，為零部件使用的平均壽命，其他解釋見上述公式。

3 基于狀態檢測的軌道交通車輛系統性維修的關鍵技術

結合前文介紹的內容可知，本文在狀態檢測中依托快速發展的5G技術，可以最大限度確保信息傳輸的有效性，因此在城市軌道交通車輛全生命周期系統性維修過程中，應積極打造統一完整的數據庫，該技術庫由產品設計、制造、加工以及運維管理等多個部門相互協作完成，在數據庫中應詳細列舉每輛城市軌道交通車輛的狀態信息，在與生產廠家取得交流后了解車輛關鍵工藝的步驟以及技術規范等，并運用信息化手段，隨時在數據庫中更新車輛的運行狀態，這樣隨著車輛全生命周期的進展，則關于車輛的數據信息也在不斷完善中，進而使數據庫的信息更加完善[3]。在構建上述數據庫后，利用本文介紹的狀態檢測方法對軌道交通車輛的運行狀態進行識別。例如記錄不同時間狀態下車輛的振動以及噪音情況等，此時借助大數據技術，在數據庫內能夠直接將實時采集數據與歷史數據做對比，當發現數據異常后則可以向維修人員提供維修信息[4]。同時在數據庫中結合零部件的有效壽命與失效率等重要指標，對零部件的性能展開判斷，針對當前系統評估結果顯示零部件“失效”或者“達到使用年限”的情況下，則可以提示工作人員及時更新零部件，確保第一時間解決故障[5]。

4 結語

在基于狀態檢測的城市軌道交通車輛全生命周期系統性維修中，要求工作人員充分利用信息化技術，在堅持對車輛狀態科學評估的基礎上，能夠從車輛運行現狀入手正確評估有無安全隱患。同時通過對關鍵零部件開展失效率以及有效壽命評價，則能夠更有效的排除風險，為開展全生命周期管理奠定基礎，這已經成為保證城市軌道交通車輛正常運行的關鍵。因此必須基于狀態檢測結果，完善檢修技術應用路徑，最終為徹底消除車輛潛在故障隱患奠定基礎。