基于状态检测的轨道交通车辆系统性维修分析

李凯，暴长春，何彬

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

现阶段城市轨道交通车辆因为存在车辆结构复杂的问题，在当前车辆维修中可以从信息技术入手，探索状态检测的新方法。为了能够更好的适应未来城市轨道交通车辆系统维修的需求，则需要探索状态检测与系统性维修的新路径，其中基于现代信息技术的车辆状态评估方法可以充分弥补常规技术方案的缺陷，在状态检测的基础上，可以动态检测车辆的运行变化情况，成为未来技术发展的新方向。因此为了能够适应这一变化，则需要寻找到全生命周期维护的新方法，这也是本文研究的重点。

1 城市轨道交通车辆的状态检测要求

1.1 城市轨道交通车辆的安全问题分析

结合现阶段我国城市轨道交通车辆的实际情况，车辆的安全性问题主要表现在以下几方面：①车辆结构的静力破坏。该破坏现象常见于车辆的零部件上，也可能出现在车辆碰撞等事故中。②疲劳失效。这被认为是结构破坏的主要原因，是因为部分零部件的耐久性差，或者在长期运行过程中面临高强度的疲劳，最终引发薄弱部位出现裂纹甚至拓展到整个结构上[1]。

根据相关学者在状态检测的实践经验，采用案例分析的方法，对某地区城市轨道交通车辆的安全状态进行检测，最终结果如表1所示。

表1 某地区城市轨道交通车辆的故障信息统计

从表1的相关数据中可以发现，在该地区的城市轨道交通车辆中，故障的分布呈现出时间变化的趋势，不同零部件所发生故障的时间分布存在不同，但是均经历了“峰值→平稳”的变化过程，其原因可能为：在车辆零部件故障问题频发之后，通过强化零部件管理能够将各类安全事件发生率降到最低，满足车辆维修与管理的要求。

1.2 状态检测的评估模型

在本次研究中，为更好的了解城市轨道交通车辆的运行状态情况，本文将从可靠性工程入手，通过逻辑图来显示元件之间的功能状态，经方框用直线连接元件的关系后，体现元件功能的关系。其中在串联系统的状态评估阶段，假设系统由多个子系统或零部件组成，则任意单元的可靠性均具有独立性，单元之间的失效不相关，当一个单元失效的状况下会造成系统功能失效，该系统的具体结构如图1所示。

图1 系统的逻辑关系图

其中需要注意的是，在状态评估中需要按照从任意一点出发，在掌握逻辑图串联要求的基础上正确化划分不同系统之间的功能，例如车辆的齿轮减速机主要包括箱体、轴承以及箱体等，其中任意部分的失效都会造成最终检测结果的异常。

1.3 车辆状态智能检测技术分析

随着未来城市运营轨道项目不断拓展城市轨道交通车辆的周期性、高频次以及随机性轮载作用下导致零部件结构内部发生损伤，不仅会影响乘客的舒适性，也会增加车辆运行的安全风险。按照本文介绍的状态检测要求，为了能够进一步提高检测效果，在状态智能检测中应该合理运用智能化技术，采用智能传感器完成状态评估，其中的关键零部件包括陀螺仪、加速度计等关键传感器，确保智能化装置能够更好的评估车辆的运行状态，并利用5G技术完成数据的上传与信息采集。

2 城市轨道交通车辆全生命周期评价

2.1 车辆结构的安全评定

研究认为，疲劳是影响机车车辆结构安全的重要因素，并评估关键运动部件的磨损、腐蚀环境等因素下车辆性能变化情况[2]。在这个过程中，假设车辆运行过程中有n（t）个零部件失效，则有N-n（t）个零部件处于正常工作状态下，则可靠性的评估方法如公式（1）所示。

在公式（1）中，R(t)为列车零部件的可靠性估计值。

为了更好的判断出全生命周期环境下的车辆故障问题，本文以城市轨道交通零部件的寿命t为横坐标，以△n(t)/(N·△t)（失效频率/组距）为纵坐标规制直方图。

2.2 车辆零部件的有效寿命

从全生命周期的角度来看，本文将车辆零部件的失效过程细分为早期失效、随机失效以及损耗失效三个阶段，其中早期失效是最常见的零部件故障情况，主要诱因是制造缺陷、设计不完善以及验收疏忽等，在城市轨道交通车辆全生命周期评价过程中，通过对车辆零部件的有效寿命进行识别，有助于对关键零部件的性能变化情况作出评估，进而快速识别可能影响零部件性能的因素；随机失效则是指原因随机原因造成的偶然失效现象，即使采用先进的维护措施也无法杜绝此类问题发生；损耗失效则是指因为设备施工过程中的损耗、疲劳以及老化等原因造成的失效现象，其主要特征为失效率的快速上升，常见于产品使用的后期阶段。

结合上述对车辆零部件有效寿命的分析，本文认为需要从全寿命周期和城市轨道车辆的整机设计角度出发，寻找一条科学有效的预防措施，进而显著降低车辆零部件的失效率，最终达到延长设备使用年限的目的。

2.3 车辆零部件的失效率

失效率与有效寿命是相对应的，在全生命周期理论下，任何零部件都具有一个具体的使用年限，而失效则意味着零部件使用年限的终结此时则需要对车辆做系统性的维修。

在分析车辆零部件失效率过程中，计算零部件的失效率如公式（2）所示。

针对零部件的失效率情况，假设该零部件的全生命周期为t1-t2，则零部件的平均寿命为：

在公式（3）中，为零部件使用的平均寿命，其他解释见上述公式。

3 基于状态检测的轨道交通车辆系统性维修的关键技术

结合前文介绍的内容可知，本文在状态检测中依托快速发展的5G技术，可以最大限度确保信息传输的有效性，因此在城市轨道交通车辆全生命周期系统性维修过程中，应积极打造统一完整的数据库，该技术库由产品设计、制造、加工以及运维管理等多个部门相互协作完成，在数据库中应详细列举每辆城市轨道交通车辆的状态信息，在与生产厂家取得交流后了解车辆关键工艺的步骤以及技术规范等，并运用信息化手段，随时在数据库中更新车辆的运行状态，这样随着车辆全生命周期的进展，则关于车辆的数据信息也在不断完善中，进而使数据库的信息更加完善[3]。在构建上述数据库后，利用本文介绍的状态检测方法对轨道交通车辆的运行状态进行识别。例如记录不同时间状态下车辆的振动以及噪音情况等，此时借助大数据技术，在数据库内能够直接将实时采集数据与历史数据做对比，当发现数据异常后则可以向维修人员提供维修信息[4]。同时在数据库中结合零部件的有效寿命与失效率等重要指标，对零部件的性能展开判断，针对当前系统评估结果显示零部件“失效”或者“达到使用年限”的情况下，则可以提示工作人员及时更新零部件，确保第一时间解决故障[5]。

4 结语

在基于状态检测的城市轨道交通车辆全生命周期系统性维修中，要求工作人员充分利用信息化技术，在坚持对车辆状态科学评估的基础上，能够从车辆运行现状入手正确评估有无安全隐患。同时通过对关键零部件开展失效率以及有效寿命评价，则能够更有效的排除风险，为开展全生命周期管理奠定基础，这已经成为保证城市轨道交通车辆正常运行的关键。因此必须基于状态检测结果，完善检修技术应用路径，最终为彻底消除车辆潜在故障隐患奠定基础。