基于大数据分析的高速动车组车轮磨耗统计分析研究

胡晓依，孙加林，姚建伟，侯茂锐，成棣

（中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

基于大数据分析的高速动车组车轮磨耗统计分析研究

胡晓依，孙加林，姚建伟，侯茂锐，成棣

（中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

基于大数据分析思想，通过调用高速铁路动车组检修数据库中的海量车轮镟修记录，利用MATLAB工具自编统计分析程序，对我国2条高速铁路（京沪高铁、京广高铁武广段）运营动车组车轮一个镟修周期内车轮磨耗量进行统计分析。大样本统计分析结果表明，对于同一条高铁线路一个镟修周期内350 km/h速度等级的高速动车组，短编组动车组车轮磨耗量均值高于长编组动车组、CRH380A型动车组车轮磨耗量均值小于CRH380B型动车组、CRH3C动车组车轮磨耗量均值小于CRH380B。不同高铁线路相同类型动车组车轮磨耗量样本统计均值及磨耗量统计分布也不尽相同。研究结论对高铁轮轨关系、高速动车组车辆结构设计具有重大意义。

大数据分析；高速动车组；车轮磨耗；车轮镟修

当前对我国主要高速动车组车轮磨耗特点和规律的了解，主要是通过对现场跟踪测试列车车轮磨耗数据的统计分析研究获得。该研究方式有不可替代的优点，但由于各种条件的限制，所选跟踪测试动车组列车的样本数较少，由此样本数据分析得到的轮轨磨耗特点和规律有可能缺乏普遍性。为弥补这一不足，尝试采用大数据分析思想，通过调用高速铁路动车组检修数据库中的海量车轮镟修记录，利用MATLAB工具编制分析程序，研究京沪高铁、京广高铁武广段开行的350 km/h速度等级高速动车组车轮一个镟修周期内车轮磨耗量的统计分布规律[1]。通过选取京沪高铁开行的CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四种类型动车组，京广高铁武广段开行的CRH3C、CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B五种类型动车组上万个车轮镟修记录作为统计分析样本，分析相同高铁线路不同类型动车组、不同线路上运行的相同类型动车组车轮磨耗特点和规律。

1 京沪高铁开行的高速动车组车轮磨耗统计分析

京沪高铁开行的动车组类型主要包括CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四种，其中CRH380AL、CRH380A型动车组车轮踏面为LMA型，CRH380BL、CRH380B型动车组车轮踏面为S1002CN型。京沪高铁正线轨道结构类型：钢轨采用U71MnK，钢轨廓形采用预打磨设计廓形，以CRTSⅡ型板式无砟轨道为主，配备SKI 15弹条的Vossloh 300-1U扣件。

利用MATLAB编程工具，通过计算前次镟修后滚动圆直径处轮径减去本次镟修前滚动圆直径处轮径的差值，除以2即可求得名义滚动圆处的磨耗量，分析得出一个镟修周期即镟修里程在动车组规定计划镟修里程（20万～25万km）范围内京沪高铁所有类型动车组的车轮磨耗量统计分布直方图（见图1—图4）。

通过选取京沪高铁25列CRH380AL型动车组单元、400节车辆、1 600个轮对、3 200个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 987。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.53 mm，标准差为0.10 mm。由图1可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现120次，约占总样本数的6%。

图1 京沪高铁CRH380AL型动车组车轮磨耗量分布

通过选取京沪高铁27列CRH380A型动车组单元、216节车辆、864个轮对、1 728个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 348。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.58 mm，标准差为0.12 mm。由图2可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现234次，约占总样本数的17%。

图2 京沪高铁CRH380A型动车组车轮磨耗量分布

通过选取京沪高铁24列CRH380BL型动车组单元、384节车辆、1 536个轮对、3 072个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为3 427。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.5 mm，标准差为0.14 mm。由图3可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现599次，约占总样本数的17%。

图3 京沪高铁CRH380BL型动车组车轮磨耗量分布

通过选取京沪高铁17列CRH380B型动车组单元、136节车辆、544个轮对、1 088个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 170。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.61 mm，标准差为0.12 mm。由图4可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现242次，约占总样本数的21%。

图4 京沪高铁CRH380B型动车组车轮磨耗量分布

京沪高铁CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四种类型动车组车轮磨耗量统计均值和标准差对比分析结果见表1。

由表1可以看出：（1）同类型短编组动车组（CRH380A、CRH380B）车轮磨耗量均值明显高于长编组动车组（CRH380AL、CRH380BL）。（2）相同编组的动车组车型比较，CRH380A型动车组车轮磨耗量均值小于CRH380B型动车组。CRH380AL型动车组车轮磨耗量均值比CRH380BL约少7%，CRH380A型动车组车轮磨耗量均值比CRH380B约少5%。

表1 京沪高铁各种类型动车组车轮磨耗量均值与标准差对比 mm

2 京广高铁武广段开行的高速动车组车轮磨耗统计分析

京广高铁武广段开行的动车组类型主要包括CRH380AL、CRH380A、CRH3C、CRH380BL、CRH380B五种，其中CRH380AL、CRH380A型动车组车轮踏面为LMA型，CRH3C、CRH380BL、CRH380B型动车组车轮踏面为S1002CN型。京广高铁武广段正线轨道结构类型：以铺设双块式无砟轨道为主，配备SKI 15弹条的Vossloh 300-1U扣件，全线正线钢轨采用U71MnK，钢轨廓形采用预打磨设计廓形[2]。

运用MATLAB数据分析工具自编程序分析得出1个镟修周期即镟修里程在动车组规定计划镟修里程（20万～25万km）范围内京广高铁武广段所有类型动车组的车轮磨耗量统计分布直方图（见图5—图9）。

通过选取京广高铁武广段24列CRH3C型动车组单元、192节车辆、768个轮对、1 536个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 643。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.59 mm，标准差为0.13 mm。由图5可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现319次，约占总样本数的19%。

通过选取京广高铁武广段23列CRH380AL型动车组单元、368节车辆、1 472个轮对、2 944个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 378。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.52 mm，标准差为0.10 mm。由图6可以看出：磨耗量＞0.7 mm范围内出现75次，约占总样本数的5%。

通过选取京广高铁武广段25列CRH380A型动车组单元、200节车辆、800个轮对、1 600个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 536。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.62 mm，标准差为0.10 mm。由图7可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现319次，约占总样本数的21%。

图5 京广高铁武广段CRH3C型动车组车轮磨耗量分布

图6 京广高铁武广段CRH380AL型动车组车轮磨耗量分布

图7 京广高铁武广段CRH380A型动车组车轮磨耗量分布

通过选取京广高铁武广段25列CRH380BL型动车组单元、400节车辆、1 600个轮对、3 200个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为2 677。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.55 mm，标准差为0.13 mm。由图8可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现351次，约占总样本数的13%。

图8 京广高铁武广段CRH380BL型动车组车轮磨耗量分布

通过选取京广高铁武广段17列CRH380B型动车组单元、136节车辆、544个轮对、1 088个车轮作为研究对象，编程去除记录错误影响因素，实际有效磨耗量样本数为1 037。编程计算得出车轮磨耗量均值为0.63 mm，标准差为0.14 mm。由图9可以看出：磨耗量＞0.7 mm出现300次，约占总样本数的29%。

图9 京广高铁武广段CRH380B型动车组车轮磨耗量分布

对京广高铁武广段CRH3C、CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B五种类型动车组车轮磨耗量统计均值和标准差对比分析结果见表2。

由表2可以看出，京广高铁武广段各种类型动车组车轮磨耗量统计规律与京沪高铁各种类型动车组车轮磨耗量统计规律完全一致：（1）同类型短编组动车组（CRH380A、CRH380B、CRH3C）车轮磨耗量均值明显高于长编组动车组（CRH380AL、CRH380BL）。（2）相同编组的动车组车型比较，CRH380A型动车组车轮磨耗量均值小于B型动车组。CRH380AL型动车组车轮磨耗量均值比CRH380BL约少5%，CRH380A型动车组车轮磨耗量均值比CRH380B约少2%。

表2 京广高铁武广段各种类型动车组车轮磨耗量均值与标准差对比 mm

另外，CRH3C型动车组车轮磨耗量均值比CRH380B约少6%，由于2种车辆运行在相同线路且车轮轮缘踏面完全相同，只是在车辆悬挂参数上存在差异，为进一步开展高速动车组车辆结构设计提供了强有力的依据[3]。

3 对比统计分析

京沪高铁和京广高铁武广段各种类型动车组一个镟修期内车轮磨耗量统计均值对比分析结果见表3。京沪高铁和京广高铁武广段各种类型动车组车轮磨耗量大于0.7 mm的车轮样本占总样本数比例对比分析结果见表4。

表3 京沪高铁和京广高铁武广段动车组车轮磨耗量均值对比 mm

表4 京沪高铁和京广高铁武广段动车组车轮磨耗量大于0.7 mm的车轮样本占总样本数比例对比 %

由表3、表4综合分析可以看出：对于相同类型的动车组，2条高铁线路车轮磨耗量存在一定差异。考虑到2条高铁线路钢轨、扣件类型以及材料均相同，只是在线路平纵断面以及无砟轨道结构类型方面存在差别（京沪高铁为板式无砟轨道、京广高铁武广段为双块式无砟轨道），建议开展高铁线路全长范围的动力学仿真以及轨道结构类型对轮轨磨耗影响规律方面的深化研究。

4 结论

（1）通过调用高速铁路动车组检修数据库中的海量车轮镟修记录，利用MATLAB工具编制分析程序，可以较方便地实现对车轮磨耗规律的统计分析，该方法可以弥补现场测试数据量少、缺乏普遍性的缺陷，同时还可大大节省试验成本，为我国高铁车轮磨耗规律的研究提供创新、实用、可行的研究手段。

（2）对于同一条高铁线路运行的不同类型的350 km/h速度等级的动车组，1个镟修周期内各种类型动车组的车轮磨耗量样本统计均值及磨耗量统计分布不尽相同，但京沪高铁和京广高铁武广段分析得出的规律完全一致，即同类型短编组动车组车轮磨耗量均值高于长编组动车组、CRH380A型动车组车轮磨耗量均值小于CRH380B型动车组，该结论对于高速铁路轮轨关系深化研究具有重大指导意义。

（3）京广高铁武广段运行的CRH3C型动车组车轮磨耗量均值比CRH380B约少6%，由于2种车辆运行在相同线路且车轮轮缘踏面完全相同，只是在车辆悬挂参数上存在差异，这为进一步开展高速动车组车辆结构设计提供了强有力的依据。

（4）对于不同高铁线路，相同类型动车组车轮磨耗量样本统计均值及磨耗量统计分布不尽相同。例如，京沪高铁CRH380A车轮磨耗量均值为0.58 mm，而京广高铁武广段CRH380A车轮磨耗量均值为0.62 mm，二者存在一定差异。京沪高铁镟修周期在20万～25万km范围内运行的各种类型动车组车轮磨耗量大于0.7 mm的车轮样本占总样本数比例约为：CRH380AL 6%、CRH380A 17%、CRH380BL 17%、CRH380B 21%；京广高铁武广段镟修周期在20万～25万km范围内运行的各种类型动车组车轮磨耗量大于0.7 mm的车轮样本占总样本数比例约为：CRH380AL 5%、CRH380A 21%、CRH380BL 13%、CRH380B 29%、CRH3C19%。建议开展高铁线路全长范围的动力学仿真以及轨道结构类型对轮轨磨耗影响规律方面的深化研究。

[1]胡晓依，成棣，孙加林，等. 高速轮轨磨耗机理及 减磨控制技术措施研究研究[R]. 北京：中国铁道科 学研究院，2016.

[2]刁晓明，朱韶光，董孝卿. 武广客专动车组车轮 磨耗及振动性能跟踪研究[J]. 铁道机车车辆， 2013，33(2)：1-6.

[3]黄永达. 武广客专轮对磨耗规律分析[J]. 甘肃科 技，2012, 28(18)：48-49.

On Statistical Analysis of Wear of High Speed EMU Wheels Based on Big Data Analysis

HU Xiaoyi，SUN Jialin，YAO Jianwei，HOU Maorui，CHENG Di
（Railway Science &Technology Research & Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the idea of big data analysis, by referring to the mass records of wheel lathing records in the HS EMU maintenance database and using MATLAB to compile the statistical analysis program, the author analyzes the statistics of wheel wear of EMUs in operation on two high-speed railways within a repair cycle. Statistical analysis of large number of samples shows that for high-speed EMUs with a speed grade of 350 km/h on the same high-speed railway line, the mean value of wheel wear of the short-formation EMUs is higher than that of the longformation EMUs, the mean value of wheel wear of the CRH380A series EMUs is less than that of the CRH380B series, and that of CRH3CEMU is less than CRH380B. Also the mean value and wear statistical distribution of wheel wear samples of EMUs of the same type running on di ff erent high-speed railway lines are not the same. The conclusion of the study is of great signi fi cance to researches on the relationship between wheel and rail of the highspeed railway and the structure design of high-speed EMU trains.

big data analysis；HS EMU；wheel wear；wheel lathing

U279.2

A

1001-683X（2017）12-0013-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.013

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（SY2016G002、J2017G011-C）

胡晓依（1972—），男，副研究员，博士。E-mail: xiaoyihu@126.com

责任编辑 杨晓莉

2017-11-09