动车组轮对故障模式分析及风险评估

李冰毅，朱亚男，崔 晶

（西安铁路职业技术学院，1、2.副教授，3.教授，陕西 西安 710014）

0 引言

在建成现代化铁路强国的目标下，保障动车组列车的检修质量并优化其维修策略显得尤为重要。转向架作为列车机械部分的重要组成结构，其检修品质直接关乎行车安全，是列车机械部分的重点维护对象。

轮对是转向架中受力关系最复杂的结构，因此也是故障高发的部件之一[1]，研究轮对故障的产生原因，分析其故障模式并评估风险，对于指导优化轮对的维修策略，提高其检修品质有着积极的促进作用。

1 轮对装配结构的可靠性框图

动车组的轮对装配结构中包含车轴和车轮，车轴和车轮又有其具体的组成部分[2]。

当且仅当轮对装配中的所有部件全部正常工作时，轮对才能正常工作[3][4]，见图1。

2 轮对故障模式分析

2.1 轮对故障先验模式

根据某动车段动车组检修故障数据库，以动车组走行180天为统计周期，经过整理和统计分析，将轮对常见的故障模式归纳为6大类故障模式：

A1：工作状态异常或作用不良；

A2：参数指标超差；

A3：表面损伤（含磨损、擦伤等）；

A4：变形、尺寸超差；

A5：裂纹（含外部裂缝和内部疲劳裂纹）；

A6：断裂、损毁。

以某型动车组为例，其轮对在统计周期内共发生故障334 次，其中轮对的A1 故障共发生13 次，占总故障数3.89%；A2 故障发生75 次，占总故障数22.46%；A3 故障发生80 次，占总故障23.95%；A4故障发生107次，占总故障32.04%；A5故障发生53次，占总故障15.87%；A6故障发生6次，占总故障1.8%。故6类故障先验发生率分别为：

2.2 车轮故障后验模式

综上可看出，轮对故障以A4 类故障为主，即轮对变形和尺寸超差是主要高发故障，其中车轮故障关联性较强且主要集中在轮对内侧距、轮径和轮缘尺寸异常上，尤以轮缘尺寸异常居多。

对轮缘尺寸异常进行三维仿真分析，见图2。

图2 轮缘尺寸异常分析图

分析得出如下结论：a.轮对内侧距偏大会加剧轮缘磨损；b.轮径小的一侧车轮轮缘磨耗严重；c.轮重偏差时，承重轻的一侧车轮轮缘磨耗严重。

除此之外，轮对运动过程中的蛇形运动和曲线通过都会磨耗轮缘，而这种磨耗皆会导致轮缘厚度减小，使轮缘尺寸异常。同时这种磨耗还有一定概率引发轮缘偏磨、轮缘顶部形成锋芒以及轮辋轮辐裂纹。

此外，踏面故障发生概率高，其中尤以A3 类故障（即踏面擦伤、剥离、磨耗）为主。故障原因主要为轮对运行中与钢轨的剧烈摩擦，比如空转、滑行等非粘着运动，或者运行环境造成。此类故障又会导致轮径尺寸偏差，从而诱发轮缘故障。

因此，将车轮发生故障后的故障表现归纳为3大类：

B1：轮缘故障。含轮缘厚度减小、轮缘顶部锋芒、轮缘偏磨、垂直磨耗到限、轮对内侧距超限、轮径超限和轮重偏差，包含A1、A2、A4；

B2：踏面故障。含踏面擦伤、剥离、磨耗和裂纹，包含A3；

B3：轮辋轮辐故障，包含A5、A6。

经后验概率计算可知，B1 和B2 类故障发生概率高达0.4 和0.5，因此车轮在检修中应对尺寸测量和外观检查工序进行重点跟进。

3 轮对故障风险评估

3.1 故障风险评估

采用风险顺序数（Risk Priority Number，简称RPN）对轮对进行故障风险分析[5]。从三个方面进行综合评估：

（1）故障发生度（Occurrence，O）

以故障发生概率对故障发生度进行赋值，具体见表1。

表1 故障发生度（0）赋值

（2）故障严重度（Severity，S）

以故障发生后的影响程度对故障严重度进行量化赋值，具体见表2。

表2 故障严重度（S）赋值

（3）故障检测度（Detection，D）

以故障能被检测出来的难易程度对故障检测度进行量化赋值，具体见表3。

表3 故障检测度（D）赋值

根据O、S、D 计算故障风险顺序数（RPN），一旦故障风险数超过列车的临界值，这说明故障危害较大，反之则较小[6]。

设严重度S的影响权重是发生度O的4倍，同时是可检测度D的5倍，发生度O影响权重为D的2倍，可以得到如式（5）所示的权重矩阵：

由此得出轮对RPN计算式，见式（7）：

轮对RPN临界值，见式（8）：

取临界值为4，将轮对故障风险进行量化分类，具体见表4。

表4 轮对故障风险（RPN）量化分类

3.2 轮对故障数据

轮对故障频发：在对某车型的统计周期内，车轮故障发生频数为177，车轴故障发生频数为167。某型动车组轮对故障及影响分析数据见表5和表6。

表5 动车组车轮故障及影响分析

表6 动车组车轴故障及影响分析

对表中车轮故障进行关联性分析，其B1、B2 和B3类故障统计情况见图3，可看出，车轮故障发生频次高、危害大，尤其是B1和B2类故障应重点关注并合理安排检修周期。

图3 车轮故障分类分析

4 结论

通过对动车组轮对装配结构进行了可靠性分析，重点研究了故障的先验模式和后验模式，并设计了故障风险评估方法，经实车数据验证，得出以下结论：

（1）轮对装配结构中，车轮和车轴均有故障发生，但对比分析表5、表6 可知，车轮故障的RPN 总值和单值均高于车轴故障RPN，因此在动车组运用过程中车轮故障发生频次更高且风险更大。

（2）分析表5可知，在车轮故障中，2以上的RPN值（即中等风险）发生次数为15，占比达到94%，对比表6，RPN值2以上的车轴故障占比为42%。因此轮对检修工序规划时，应将车轮检修步骤提升至车轴的一倍，加强车轮状态修。

（3）车轮故障的80%都是轮缘类和踏面类故障，故障特点又以尺寸超差居多，因此应适当缩短车轮尺寸测量工序的检修周期，提高检修频次，并配备方便使用且精度高的检修工量具。