動車組輪對故障模式分析及風(fēng)險評估

李冰毅，朱亞男，崔 晶

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，1、2.副教授，3.教授，陜西 西安 710014）

0 引言

在建成現(xiàn)代化鐵路強(qiáng)國的目標(biāo)下，保障動車組列車的檢修質(zhì)量并優(yōu)化其維修策略顯得尤為重要。轉(zhuǎn)向架作為列車機(jī)械部分的重要組成結(jié)構(gòu)，其檢修品質(zhì)直接關(guān)乎行車安全，是列車機(jī)械部分的重點維護(hù)對象。

輪對是轉(zhuǎn)向架中受力關(guān)系最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此也是故障高發(fā)的部件之一[1]，研究輪對故障的產(chǎn)生原因，分析其故障模式并評估風(fēng)險，對于指導(dǎo)優(yōu)化輪對的維修策略，提高其檢修品質(zhì)有著積極的促進(jìn)作用。

1 輪對裝配結(jié)構(gòu)的可靠性框圖

動車組的輪對裝配結(jié)構(gòu)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(dāng)且僅當(dāng)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?zāi)Ｊ?/h3>

根據(jù)某動車段動車組檢修故障數(shù)據(jù)庫，以動車組走行180天為統(tǒng)計周期，經(jīng)過整理和統(tǒng)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(tài)異常或作用不良；

A2：參數(shù)指標(biāo)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(nèi)部疲勞裂紋）；

A6：斷裂、損毀。

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

2.2 車輪故障后驗?zāi)Ｊ?/h3>

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(fā)故障，其中車輪故障關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)且主要集中在輪對內(nèi)側(cè)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(jìn)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(jié)論：a.輪對內(nèi)側(cè)距偏大會加劇輪緣磨損；b.輪徑小的一側(cè)車輪輪緣磨耗嚴(yán)重；c.輪重偏差時，承重輕的一側(cè)車輪輪緣磨耗嚴(yán)重。

除此之外，輪對運(yùn)動過程中的蛇形運(yùn)動和曲線通過都會磨耗輪緣，而這種磨耗皆會導(dǎo)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(fā)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(fā)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(yùn)行中與鋼軌的劇烈摩擦，比如空轉(zhuǎn)、滑行等非粘著運(yùn)動，或者運(yùn)行環(huán)境造成。此類故障又會導(dǎo)致輪徑尺寸偏差，從而誘發(fā)輪緣故障。

因此，將車輪發(fā)生故障后的故障表現(xiàn)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(nèi)側(cè)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(jīng)后驗概率計算可知，B1 和B2 類故障發(fā)生概率高達(dá)0.4 和0.5，因此車輪在檢修中應(yīng)對尺寸測量和外觀檢查工序進(jìn)行重點跟進(jìn)。

3 輪對故障風(fēng)險評估

3.1 故障風(fēng)險評估

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

（1）故障發(fā)生度（Occurrence，O）

以故障發(fā)生概率對故障發(fā)生度進(jìn)行賦值，具體見表1。

表1 故障發(fā)生度（0）賦值

（2）故障嚴(yán)重度（Severity，S）

以故障發(fā)生后的影響程度對故障嚴(yán)重度進(jìn)行量化賦值，具體見表2。

表2 故障嚴(yán)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(jìn)行量化賦值，具體見表3。

表3 故障檢測度（D）賦值

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

設(shè)嚴(yán)重度S的影響權(quán)重是發(fā)生度O的4倍，同時是可檢測度D的5倍，發(fā)生度O影響權(quán)重為D的2倍，可以得到如式（5）所示的權(quán)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(fēng)險進(jìn)行量化分類，具體見表4。

表4 輪對故障風(fēng)險（RPN）量化分類

3.2 輪對故障數(shù)據(jù)

輪對故障頻發(fā)：在對某車型的統(tǒng)計周期內(nèi)，車輪故障發(fā)生頻數(shù)為177，車軸故障發(fā)生頻數(shù)為167。某型動車組輪對故障及影響分析數(shù)據(jù)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(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，其B1、B2 和B3類故障統(tǒng)計情況見圖3，可看出，車輪故障發(fā)生頻次高、危害大，尤其是B1和B2類故障應(yīng)重點關(guān)注并合理安排檢修周期。

圖3 車輪故障分類分析

4 結(jié)論

通過對動車組輪對裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析，重點研究了故障的先驗?zāi)Ｊ胶秃篁災(zāi)Ｊ剑⒃O(shè)計了故障風(fēng)險評估方法，經(jīng)實車數(shù)據(jù)驗證，得出以下結(jié)論：

（1）輪對裝配結(jié)構(gòu)中，車輪和車軸均有故障發(fā)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(yùn)用過程中車輪故障發(fā)生頻次更高且風(fēng)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(fēng)險）發(fā)生次數(shù)為15，占比達(dá)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(guī)劃時，應(yīng)將車輪檢修步驟提升至車軸的一倍，加強(qiáng)車輪狀態(tài)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(yīng)適當(dāng)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。