地铁车辆转向架智能运维技术发展趋势研究

李聪聪 袁婉琳 雷彦怡 钟艾廷 梁炜诗

（华南理工大学广州学院 汽车与交通工程学院，广东 广州510800）

1 概述

随着人们对快速、准时、安全出行需求的不断增长，对城市轨道交通的需求也越来越大，城市轨道交通已成为我国最重要的交通系统之一。地铁已经成为各个城市最主要的轨道交通出行方式。地铁车辆最重要的组成部分之一是转向架，它对地铁车辆在线路上的安全可靠运行和乘客舒适度等性能指标有很大影响。随着城市轨道交通需求的不断增加，线路运营和维护的成本和压力也随之增加。在科技日新月异的现代社会，我们要充分利用时代成果，通过信息化、智能化的手段，提高地铁车辆转向架的运维管理水平。随着客流的增加和列车频次的增加，转向架的工作强度也有一定程度的提高。利用计算机软件对转向架零部件进行建模和分析，通过仿真软件的计算可以得到更准确的数据，从而得到更有效的求解方法。

我国城市轨道交通建设的快速发展，增加了人们对轨道交通出行方式的需求。与此同时，地铁作为城市轨道交通最重要的运营方式之一，也面临着城市轨道交通建设和运营维护的压力。随着智能化的不断发展，城市轨道交通开始发展智能化运维技术，以更好地满足城市轨道运营线网的需求。当前，大数据、互联网、人工智能等智能化技术的逐步成熟，也为轨道交通运维智能化转型提供了助力。当前，智能化发展已成为各行业发展趋势，就以轨道交通行业而言，用智能化技术提升设备运维管理水平，才可以适应现代社会发展需要，从而推动城轨产业健康高质量发展。

2 转向架及智能运维

2.1 转向架结构

转向架是支撑车体并使之在轨道上运行的装置，亦称走行部，它是铁道车辆最为关键的大部件。转向架的各种参数直接决定了车辆的乘坐舒适性，运行稳定性及安全性。城市轨道交通车辆转向架按照车辆类型分有A 型、B 型、C 型车转向架和单轨车辆转向架等；按转向架轴数可以分为二轴转向架和三轴转向架两种；按速度类型可以分为低速转向架和高速转向架两种；按照驱动形式可以分为永磁直驱转向架、直线电机转向架和三相电机转向架三种。可以说，转向架设计制造的好坏，直接关系到铁路车辆安全平稳高速的运行，关系到广大人民群众的生命财产安全。

2.2 智能运维总体状况

现有的文献中故障诊断方法较为常见的分类是：基于模型的故障诊断技术、基于知识的故障诊断技术和基于数据驱动的故障诊断。[8]

3 智能运维实践与发展趋势分析

3.1 轮对轮缘磨损

轮缘磨耗主要是由于离心力的作用下列车通过曲线或者道岔时，钢轨或者道岔挤压轮缘导致磨损加快。[4]列车在线路上运行务必会通过曲线，通过曲线就会对转向架轮对产生冲击随之产生磨损，所以轮对轮缘磨损是个无法避免的损耗。地铁公司的车辆维修中心便可以通过列车上装有的车载走行部监测设备以及云端数据分析平台对轮对磨损情况进行实时监控，并将数据存储在云端，运用大数据统计得出同一批次的列车转向架平均的磨损周期，通过对车辆的定修而保证数据的准确性，从而对正常轮对在正常磨损周期内将会出现的一些磨耗问题进行提前的预知以及维护保养，如图（1）。

图1 车轮轮缘

3.2 轮对踏面损伤

踏面剥离和损伤一般是由于车轮踏面在钢轨的冲击力、纵向和横线蠕滑力的作用下，表层金属产生塑性变形，再通过扩展受到一定外力的情况下，部分会脱落掉离；擦伤多为轨面滑动及闸瓦制动时产生，随着长时间运营可能会使车轮变形加剧。无论是踏面剥离还是擦伤，都会导致失圆，快速运营时甚至会产生异响。[4]轮对踏面的损伤的监测则需要在车载走行部监测设备加上维护人员对轮对的探伤，金属上一些细小的裂纹以及金属疲劳等失效方式需要精确仪器的测量与分析才能较为准确的发现,如图2。

图2 车轮踏面

3.3 轮径超差

就如出厂误差、过曲线时内外轮磨损不一致、制动等都是造成车轮直径差异的因素。[4]标准出厂的新车轮直径为840 mm。如果车轮直径修复至接近770mm 时，那么这个车轮将在报废之前不会再被修复。一般情况下，当拖车同轴轮直径差大于2.5 mm，同一转向架同轴轮直径差大于5 mm；动车组同轴轮直径差大于1.5 mm，同一转向架直径差大于4 mm 时，需要对车轮进行镟轮修复，否则可能导致轮缘偏磨等问题，如图3。

图3 车轮设计图[5]

3.4 径向跳动超限

径向跳动主要是由于外圆和同轴孔不圆而导致的半径差，它是沿着车轴直径方向的跳动。如果径跳超过一定限度，可能会导致踏面失圆，引发车辆抖动等情况，[4]如图4。

图4 转向架轮对仿真模型

3.5 智能运维建议

地铁列车上的传感器等各类检测装置的可靠性需要进一步的提高。同时检测以及通信传输系统的可靠性必须非常高，并且必须需要有进行备份系统的保留程序。传感器故障将有着极大可能危害行车安全。现如今信息传播速度进一步加快，5G 网络的出现已经在医疗卫生等方面逐步开放运用，城市轨道交通智能运维也应该紧跟脚步，极力建设5G 网络加快覆盖，使得信息传输通道能力进一步提升。5G 网络针对上下行带宽的优化使得其也可以应用于无线车地通讯，4G 网络下经常出现的因为人流量大而导致无信号、无网络或者假信号、假网络的情况在5G网络下将不复存在，从而可以大大提高数据传输的可靠性以及时效性。

4 智能运维发展趋势

如今，随着我国城市轨道交通建设的快速发展，国内一些一、二线城市已经形成网络运营，但同时，这些城市的地铁公司也面临着建设和运维的双重压力。目前，发展智能运维技术已成为各大地铁公司的主要选择。为了更好地适应城市轨道交通线网运营的需要，必须提高设备设施运维管理水平，推动创新技术向实用化装备转化。与设计、施工等服务相比，运维服务的生命周期更长，具有确定性和可持续性，具有更大的发展前景和市场。近年来，为推动城市轨道交通产业智能化发展，各级政府部门出台了多项政策意见，引导城市轨道交通产业高质量健康发展。此外，当前的移动通信、云计算、物联网、大数据、人工智能等智能技术已经逐步成熟，为后续的实际应用奠定了基础。同时，轨道交通关键系统设备核心技术实现国产化，正在进行智能化升级。因此，城市轨道交通智能化运维得到了政策、经济、社会、技术等多方面的全力支持。虽然智能运维仍面临诸多挑战和制约，但需要行业和社会各界共同努力，一步步攻坚克难，向更高的智能化阶段发展。

结束语

作为智慧城市建设体系的关键之一，智能运维技术的建设和发展需要抓住核心要点，结合智能化、自主化发展，制定未来规划和实施策略。同时，智能运维要与实际装备等具体应用相结合，从点到线再到面慢慢拓展，逐步推动城市轨道交通行业智能化更上一层楼。推动我国智慧城轨建设有序实施，以及交通运输行业信息化高质量健康发展，为实现交通强国战略目标不懈努力。