高铁轴承失效分析案例数据库的设计与实现

摘 要：在现代工业中，人们已经逐渐认识到了失效分析的重要性，但由于这门学科还处在发展初期，大多数企业并没有采用线上管理，这就导致分析成果无法被充分利用。文章通过高铁轴承失效分析案例数据库的设计与实现，帮助企业解决了失效案例在管理和利用上的诸多难题，大量宝贵的案例经验得到积累和传承，有利于企业的持续改进和创新。

关键词：高铁轴承；失效分析案例库；MVC

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）02-0069-05

Design and Implementation of a Case Database for Failure Analysis of High Speed Rail Bearings

WANG Wei， DING Jiahao， ZHU Bowen， YE Hongyang， SHI Wenyang

（Luoyang Bearing Research Institute Co.， Ltd.， Luoyang 471000， China）

Abstract： In modern industry， people gradually realize the importance of failure analysis. However， as this discipline is still in its early stage of development， most enterprises do not adopt online management， which leads to the inability to make full use of the analysis results. The paper helps enterprises solve numerous difficulties in the management and utilization of failure cases through the design and implementation of the database of failure analysis cases for high speed rail bearings. A large amount of valuable case experience is accumulated and inherited， which is conducive to the continuous improvement and innovation of enterprises.

Keywords： high speed rail bearing; failure analysis case library; MVC

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.012

0 引 言

由于我国幅员辽阔、地质条件复杂多样，高铁列车在这样的工况环境下保持高运力地运行，列车上使用的轴承难免会发生腐蚀、磨损、疲劳、断裂等多种失效模式[1]，导致列车无法安全、可靠地运行，从而直接或间接地造成巨大的经济损失，甚至发生灾难性事故。因此，如何做好高铁轴承失效案例的收集和有效利用，对于保障列车运行的安全性和可靠性至关重要。

近些年，随着大数据和人工智能技术的快速发展，为失效案例的收集、整理和充分利用提供了新的途径。建立失效案例库，可以把大量散落在各处的失效案例收集起来统一管理，帮助工程师快速诊断问题，制定有效的预防措施和优化维护策略。同时，它也为改进产品设计和制造工艺提供了实证依据，推动技术创新和产品质量提升。

1 案例数据库建立的背景

1.1 管理手段落后

长期以来，高铁轴承失效案例的收集和有效利用在技术和管理上一直是一个难题。由于失效案例数量繁多且散落在各处，传统的人工方法对失效案例进行整理和归类，不仅耗时费力、效率低下，而且不利于查询和利用[2]。另外，一些时间久远的失效案例多以纸质报告形式进行保存，难免会出现老化、破损等现象，影响重复利用。

1.2 管理不规范

在分析过程中，由于轴承产品的专业术语较多，一些技术特征缺少统一的失效定义，不同的技术人员经常使用不同的词汇描述相同的特征，这样导致同类型的案例有多种不同的记录和报告，容易对后续人员学习借鉴带来概念混淆的困扰，同时也为案例的整理和归类增加了难度。

1.3 人员流动大

当前区域经济发展不均衡，人员流动已经成为普遍现象。由于失效分析的经验和知识往往分散在不同的人员和团队中，频繁的人员流动导致工作经验难以积累和有效传承。新员工需要花费大量时间重新适应和学习，而宝贵的实践经验随离职人员的流失而散失，影响了工作效率和组织的长期发展。

2 案例数据库建立的目标

2.1 建立统一的案例共享平台

基于B/S模式[3]建立一套高铁轴承失效分析案例数据库管理系统，不仅可以对大量的失效案例进行系统化和规范化集中管理，而且打通了部门之间的数据壁垒，使技术、生产、质量等部门能够高效协同，减少重复劳动。同时，系统使用电子文件备份留档，减少了资料损坏和丢失的风险。

2.2 失效定义实现统一化和标准化

由于失效案例来源于不同单位，涉及不同的产品、型号和生产厂家，对失效对象和失效模式等关键知识的描述各不相同，为便于检索的准确性和方便性，系统中建立了字典库，对轴承品牌、轴承类型、失效对象和失效模式等关键知识进行统一化和标准化处理[4]。

2.3 知识积累与传承

案例库将分散的、零碎的案例和经验进行系统化整理和存储，构建了一个结构化的知识体系。该体系不仅为员工提供了一个便捷的参考工具，帮助他们快速解决类似问题，提升工作效率，还实现了企业知识的有效传承，减少因人员流动导致的知识流失。

3 案例数据库的整体设计

3.1 系统架构设计

出于对平台稳定性、扩展性及运维等因素的考虑，本系统采用目前主流的MVC三层架构[5]，将应用程序分为三个部分：模型（Model）、视图（View）和控制器（Controller）。模型负责表示应用程序的数据和业务逻辑；视图负责渲染数据给用户；控制器负责处理用户的输入，并将其映射到适当的模型和视图。这种分离使得代码更加模块化，提高了代码的复用性和可维护性，使得开发过程更加模块化和逻辑清晰，如图1所示。

3.2 系统开发框架

如图2所示，本系统基于Java语言进行开发，使用了SSM开发框架[6]，即Spring、SpringMVC和MyBatis框架的整合。Spring框架提供了全面的基础设施支持，包括依赖注入和面向切面编程；SpringMVC则用于构建Web应用的MVC架构，处理请求和渲染视图；MyBatis作为持久层框架，简化了与数据库的交互，支持灵活的SQL映射和对象关系映射。

4 案例数据库的功能设计

4.1 系统需求分析

失效分析是一门发展中的新兴学科，它通过系统调查、科学测试，识别和确定材料、组件或系统失效的原因，提出改进措施，以防止类似问题再发生。因此，在高铁轴承失效分析案例的管理中，应该体现分析过程的每一个环节，保证数据的完整性、准确性和规范性[7]。系统需求分析主要包括以下五个部分。

4.1.1 收集失效信息

通过现场勘查和事故调查结果，技术人员分别从设计资料、材料资料、工艺资料、使用资料等方面去查找相关内容，将故障部件的相关信息采集并记录下来，主要分为轴承基本信息和现场工况信息两部分。

4.1.2 确认失效模式

在确认的过程中，可以根据字典库中的故障部件和故障位置，逐层进行分析，直到找到最底层的失效原因。对于模棱两可的失效现象，也可以通过查阅之前发生过的类似失效案例，帮助技术人员确认。

4.1.3 记录检测数据

根据确认的失效模式和故障位置，结合样品的生产和使用情况，技术人员对故障部件进行针对性检测分析，主要包括以下几个方面[8]：

1）故障部件所采用的材料及这些材料的主要理化性能，如硬度、金相组织、非金属夹杂物、碳化物网状、碳化物带状、碳化物液析、残余奥氏体等。

2）故障部件的公差等级、尺寸公差和旋转精度。如轴承内、外径的偏差及变动量，成套轴承内、外圈径向跳动，内圈断面对内孔的垂直度，外圈外表面对端面的垂直度，成套轴承内、外圈轴向跳动，径向游隙和轴向游隙等。

3）故障部件的表面粗糙度、残磁限值、绝缘电阻、绝缘电压等。

4.1.4 判定失效原因

失效原因的诊断是失效分析的核心和关键。每一个失效案例的分析结果都能成为企业的宝贵技术文档，为未来类似问题提供参考和解决方案。在案例数据库中，具体应该包含以下两个部分：一是根据检测分析结果确定失效的根本原因，作出结论；二是出具分析报告，提供可能的改善措施。

4.1.5 案例数据利用

案例库的充分利用，不应该只停留在对失效案例的检索查阅上，还应该提供挖掘数据背后潜在价值的能力。因此，为技术人员提供丰富的知识和经验，使不同岗位的工作人员都能够快速查找到需要的数据，这仅仅是第一步。下一步还要培养技术人员的自我学习能力，通过数据库的报表分析工具，能够从海量的失效案例中学习经验，掌握规律，提升技术水平和问题解决能力，消除潜在的失效因素[9]。

4.2 业务架构设计

根据系统的需求分析和建设目标，案例数据库主要分为四个部分，其中包括：基础模块、权限管理、字典管理和业务模块：

1）基础模块。基础模块是整个系统的核心组成部分，包括用户管理、部门管理、文件管理、流程管理等，为整个系统的功能实现提供了数据和支撑。

2）权限管理。权限管理包括应用管理、菜单管理、角色管理和数据权限。它通过精确控制和分配用户对系统资源的访问权限，有效保护了数据的安全性和完整性。

3）字典管理。字典管理是将系统中涉及的关键字段取值范围进行收集和整理，形成标准、规范的数据。主要包括以下字典项：故障部件、故障位置、轴承型号、轴承品牌、原材料及热处理、润滑、失效模式等。

4）业务模块。业务模块分为案例收集、案例确认、案例检测、案例判定、案例管理、案例检索、案例统计、案例分析等功能，实现了对失效案例生命周期各个阶段的闭环管理。

系统的业务架构设计，如图3所示。

4.3 业务流程设计

系统以案例收集为出发点，通过对故障部件进行失效模式确认、故障位置检测分析，得出失效结论并出具失效报告，再到失效案例检索和利用，打通了每一个业务环节。业务流程设计如图4所示。

5 案例数据库的具体实现

5.1 案例收集

系统通过手工录入、批量导入两种方式对失效案例进行收集。手工录入方式，由技术人员分别将轴承基本信息和使用工况信息录入系统，如图5、图6所示；批量导入方式，主要用于历史案例的收集，技术人员根据导入模板将案例信息整理成Excel文件，然后通过导入功能将案例信息批量导入系统。

5.2 案例确认

通过系统中录入的轴承基本信息和使用工况信息，技术人员对故障部件的失效模式进行初步确认，找到失效原因并将确认结果录入系统。系统根据录入的失效模式，匹配得出下一步的检测方案。

5.3 案例检测

根据确认的失效模式和检测方案，技术人员对故障部件进行检测分析，其中包含：金相组织检测、轴承游隙检测、粗糙度检测、绝缘检测等检测项目。检验完成后，将检验数据记录下来，如图7所示。

5.4 案例判定

技术人员根据轴承的基本信息、使用工况信息以及检测数据，对故障部件的失效原因进一步分析，得出失效结论并出具失效报告，将信息录入系统。录入完成后，录入人员提交审核流程，等待管理人员的审核。

5.5 案例管理

管理人员对失效案例进行审核，主要对案例信息的完整性、准确性、规范性进行检查。如果审核通过，失效案例则进入案例库；如果审核没有通过，失效案例则退回到录入人员，需要进行修改。

5.6 案例检索

查阅人员可以对案例库中审核通过的失效案例进行检索利用。在系统中输入要查询的关键词信息，如轴承型号、轴承类型、故障部件、故障位置、失效模式等，便可以查询到相关的失效案例进行查阅。

5.7 案例统计

系统通过对案例数据的不同维度进行分类汇总，使用表格等形式直观展现数据，使复杂的信息变得清晰易懂，帮助用户迅速获取所需信息，节省大量时间和精力。例如轴承类型失效模式统计表，如图8所示。

5.8 案例分析

系统根据技术人员制定的分析模型，对案例数据进一步加工处理，通过柱状图、饼图等图表形式对失效案例的关键要素进行展示，帮助管理人员更快地理解和分析数据，从而更好地挖掘数据中的有价值信息[10]。

6 结 论

高铁轴承失效分析案例数据库的建立，通过对大量失效案例进行系统化和规范化集中管理，实现了“收集—管理—查阅—分析”一体化以及失效分析数据的广泛共享。随着数据库中的失效案例不断积累，这些宝贵的经验和知识可以为相关技术人员的技术提升提供数据资料，有助于改进产品设计、制造工艺和质量管理体系，从而提高产品的质量和可靠性。

参考文献：

[1] 王姗姗，郭浩，雷建中，等.我国滚动轴承磨损失效分析现状及展望 [J].轴承，2017（10）：58-63.

[2] 胡春燕，张兵，刘新灵，等.失效分析案例数据库的设计 [J].理化检验-物理分册，2008（11）：619-621.

[3] 王彦波，吴明，王卫强，等.基于网络的材料腐蚀失效案例库的设计与实现 [J].腐蚀与防护，2009，30（1）：72-74.

[4] 陈丽娜，徐元铭.航空机械装备失效分析数据库及数据挖掘技术的应用 [J].机械工程材料，2005（10）：63-66.

[5] 杜成龙.基于MVC模式的三层架构研究 [J].软件，2022，43（6）：100-102.

[6] 孙露露，刘文龙，李忠飞，等.基于SSM框架的轴承应用数据库系统设计与实现 [J].工业控制计算机，2024，37（6）：127-129.

[7] 李秋泽，谌亮，徐建新，等.高速动车组用滚动轴承失效模式及对策展望 [J].轴承，2024（3）：1-8.

[8] 单昂，朱生伟，冯慧，等.轴承失效案例分析 [C]//2021年全国金属材料失效分析专题培训研讨会.上海：[出版者不详]，2021：70-72.

[9] 杨永生，王曙光，靖琦，等.机械制造企业失效分析数据库的开发及应用 [J].理化检验-物理分册，2013，49（11）：741-744.

[10] 杨晓，施卫博，潘恒沛，等.船舶系统典型材料失效分析案例数据库的设计与建立 [J].理化检验-物理分册，2023，59（1）：31-34.

作者简介：王伟（1982—），男，汉族，河南洛阳人，软件开发工程师，本科，研究方向：软件开发。

收稿日期：2024-06-27