漏斗车检修PHM数据分析

郭丹丹， 赵 明

（中车太原机车车辆有限公司科技管理部， 山西 太原 030026）

引言

为更好地了解车辆产品运用过程中产生故障前功能部件的参数数据变化，降低产品质量保证期或产品寿命期内发生故障的可能性，并在产品故障发生之前便提醒使用者进行及时维护，提升产品使用率，为产品设计提供技术参数，提出了产品的故障预测与健康管理理论。在众多理论中主要以产品使用过程中影响产品性能的关键部件状态变化为研究对象，在关键部件上安装有各类传感器和数据采集发送系统，通过后台软件对大量数据进行统计分析；其次是通过产品在各阶段检修过程中检修内容和影响产品性能的故障进行数据汇总统计分析，分析出产品使用寿命期内关键部件状态规律，并根据分析规律提出产品改进设计意见。铁路货车作为我国大宗货物运输的载体，其安全性和可靠性一直是铁路运输部门和设计、制造单位关注的重点。借用现今快速发展的信息化技术、通讯技术、云计算技术，建立大数据分析健康管理平台，对于铁路货车设计、制造、检修、运用等各个方面的工作均具有指导意义[1]。

1 国内铁路货车健康管理研究现状

1.1 国铁货车HMIS系统

铁路货车技术管理信息系统（HMIS）是为铁路货车技术管理提供宏观决策信息和生产组织、质量控制及信息服务的各种资源设备统一规划的应用计算机、网络、通讯技术并引进科学的管理方法和系统化的开发方法的人—机系统。HMIS系统总体逻辑结构分为信息应用管理层和基础数据提供层，信息应用管理层由铁道部运输局装备部、各铁路局车辆处及各车辆段、车轮厂、新造、厂修工厂等的管理层组成，基础数据提供层由各车辆段、厂的车间层组成，预留可扩展到工位的数据接口。

1.2 专项调研统计分析

国铁集团根据HMIS数据库反映的一段时间内铁路故障高发的情况，针对故障配件展开了专项调研统计分析工作。其中主要针对制动缸故障、手制动拉杆缓解不良、120阀故障、车轮磨耗和钢结构腐蚀磨耗情况，组织各铁路货车和配件设计主导厂在工厂内部和铁路站段车间进行了数据统计，并根据故障类型和损坏初步情况的统计分析情况，提出了主动润滑制动缸、改进型120阀等配件方案，提出了手制动拉杆加强筋加长并完成整治工作方案，规范了制动系统组装。

1.3 中车贵阳公司智慧货修综合管理平台

贵阳公司2017年在当地政府支持下，开发了智慧货修综合管理平台，形成了对铁路货车厂修大数据统计应用的框架设想。目前，该公司已将生产过程条码系统与ERP系统、BI数据决策系统相结合。该检修数据平台将多个系统的数据间传输连通，使得数据库数据为各系统软件所调用，可实现启用保质期管理和批次管理；实现系统预警管理，降低配件报废率。由于平台数据库内增加了检修车辆检修部位的故障类别（比如腐蚀超限、变形超限、配件裂纹等）和检修方法（比如更换、分解修理）等内容，可对发生的系统性及批量性故障及时进行分析和提出检修方案，并给主导设计单位提供改进设计的数据支撑。未来系统自动计算修复该故障所需工时和材料，判断修程；财务人员只需将当月预算和单价录入系统，由系统按照车型、材料成本、动能、工资、工资附加、制造费用等自动统计分析出各种报表，实现所有车辆的成本清晰体现，提升成本管控能力。

1.4 各类研究对比分析（见下页表1）

通过上述分析，目前国铁集团建立的国铁货车HMIS和安全监测（5T）系统是成熟且数据量已能够实现大数据分析，其他系统及平台均处于框架建设和构想之中或采集的数据量有限。但由于各自系统的研究侧重点不同，采用的分析系统和分析方法有所区别，也各自有自身的优势和缺陷。

表1 铁路货车数据分析管理系统对比研究

2 漏斗车检修故障统计分析情况

以KM70型煤炭漏斗车、KZ70型石砟漏斗车为样本，将漏斗车钢结构和漏斗车传动系统、底门结构为统计对象，结合厂、段修规程中的检修项目，明确其主要结构部位，将车辆钢结构和传动系统故障形式和可能产生的原因、处理方法进行记录统计。

经过对一年200余辆车的统计分析，情况及效果如下：

2.1 KM70型煤炭漏斗车改进设计情况

拉杆丢失、拉杆根部开裂故障率较高，占比50%；研究了KM70型煤炭漏斗车拉杆根部开裂成因，主要是根部连接方式为焊接方式，会有残余应力且在煤覆盖下易产生腐蚀裂纹。改进措施：将固定座与拉杆焊接方式改为铰接方式，改进方案已应用于新造车辆上。

连系梁与侧梁部位焊缝开裂故障率较高，占比大于32%；进行成因分析，该处应力值较大，漏斗腐蚀及侧梁刚度变化对其影响较大。改进措施：在侧梁与连系梁连接处侧梁外侧增设了加强筋，提高该处刚度减少了变形量，此方案已经在厂修车辆实施。

煤炭漏斗车牵引钩和脚蹬故障率高，故障表现形式主要为变形、缺失、断裂，故障初步分析为牵引作业过程不合规范所致。

KM70型煤炭漏斗车扶梯根部截换率高，占比54%以上，故障表现形式主要为腐蚀超限、根部焊缝开裂、连接地板截换，故障初步分析为煤炭漏斗车地板扶梯处易产生积煤现象，导致产生腐蚀；此外由于结构焊接应力及使用频次高等综合因素产生裂纹。改进措施：增设扶梯固定座，扶梯与固定座采用铰接连接方式。

上部传动轴轴承更换率较高，故障表现形式主要为轴承滚子损坏、外圈损伤，故障初步分析为机构存在憋劲阻力较大，采用强力手段开门，导致传动轴轴承损伤。

2.2 KZ70型石砟漏斗车改进设计情况

操纵室门锁故障表现为损坏和功能失效，分析成因：锁舌主要长度不足、钥匙通用性不足。改进措施：进行单项研究改进，更换新型门锁，目前已在检修和新造车辆上应用。

操纵室扶手故障率高，扶手杆和扶手座更换率高，占比30%以上，故障表现形式主要为扶手杆外套破损、丢失，扶手座腐蚀超限，故障初步分析为KZ70型石砟漏斗车工作环境差、扶手杆外套老化和磕碰现象较多，下方扶手座易积存雨水，导致腐蚀过限。改进措施：下部扶手座改为凸台结构。

观察孔组成故障率高，占比35%，成因分析：连接部位不结实，容易被石砟砸掉或产生变形；整个观察孔组成在端墙内，铰接部位受力较大易脱落。改进措施：整个观察孔组成铰接部位改在端墙外侧，装载石砟时铰接部位不受力。

3 漏斗车检修PHM系统设想及意义

3.1 检修数据平台功能设想

3.1.1 用户管理

系统分为电脑上使用的PC端系统和便携式设备上使用的移动端App系统，建立统一的用户管理，通过给每个用户赋予不同权限控制用户登录的模块，实现系统用户的统一管理。

3.1.2 分解记录

建立车辆基础数据信息和车辆分解后的部件基础数据信息。可对车辆和分解后的部件按车型、车号进行新建、修改、注销、查看操作。对以后车辆检修、故障分析统计、车辆生产设计等提供必需的基础数据。

3.1.3 检修数据

在车辆和车辆分解后的部件基础数据上，进行车辆检修数据的录入，可以记录车辆的检修过程、检修状态、检修部件数量等信息，也可以记录车辆部件的更换、拆损、处理方式、故障原因等基础数据信息。

3.1.4 故障分析

在故障原因数据的基础上，建立故障成因分析模型，通过故障成因分析，实现漏斗车部件故障部位、故障原因等数据的统计报表，生成所需的柱状图、饼状图等图形报表。根据图表数据挖掘故障成因，可统计生成车辆部件损坏、更换数量，不同厂家部件同比、环比等数据。

3.1.5 生产管理

可生成生产计划报表，并完成线上审批流程。

3.1.6 移动App子系统

利用移动终端实现对车辆分解部件的修改，检修数据信息的录入保存。

3.2 检修数据平台扩展性、安全性、可靠性设想

系统平台的建设应采用可扩展的技术体系架构，以适应信息化建设和应用系统快速发展的要求。同时具有较高安全性和可靠性，使得信息数据为固定客户服务。

3.3 系统总体架构

货车检修PHM系统（见图1）涉及到车辆分解、车辆检修、故障统计和生产管理等主要业务。用户在进行一般管理业务的同时，会产生大量的数据及数据间的关系，因此需要数据库对这些数据进行存储，本系统应采用开放式数据库（SQLServer）设计。

图1 系统总体结构图

4 结语

漏斗车检修PHM系统设想，为未来铁路货车运用PHM平台与整个健康管理平台连通提供一些思路。随着数据统计平台技术不断提升，使得车辆运用过程中配件状态与检修故障呈现趋势可以有效结合，真正实现车辆故障精准预防和状态修理、高效运营管理的目标。