張衛(wèi)華 李權(quán)福 宋冬利

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610031

0 引言

鐵路從1825年誕生至今已近200年，列車運(yùn)營的速度也達(dá)到350 km/h，而且在未來5年有望達(dá)到400 km/h。在貨運(yùn)載重方面，我國已研發(fā)出30 t軸重的機(jī)車車輛，國外重載車輛軸重已發(fā)展到45 t；我國重載列車運(yùn)輸水平已發(fā)展到3萬t，國外已經(jīng)有5萬t運(yùn)力的重載列車。

無論是高速還是重載，都給機(jī)車車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)服役帶來新的問題。軸承、齒輪箱、車鉤等零部件失效[1]，輪對(duì)、構(gòu)架、車體等承載結(jié)構(gòu)疲勞[2]，彈簧、減振器等懸掛參數(shù)蛻變[3]，車輪踏面磨耗與損傷[4]，不僅給鐵路機(jī)車車輛的安全服役和可用性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而且對(duì)機(jī)車車輛性能保持提出了更高的要求。

在修程修制方面，我國高速列車以五級(jí)修為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期。以CRH380BL為例，平均每年的維修成本約為購車成本的15%，維修還會(huì)造成列車每年平均停用約30 d；重載貨車(以神華鐵路上運(yùn)行貨車為例)年平均維修成本約為購車成本的1/30；對(duì)于電力機(jī)車(以和諧型電力機(jī)車為例)，原鐵道部運(yùn)輸局裝備部堅(jiān)持“以可靠性為中心的維修”理論,確定了和諧型機(jī)車高級(jí)修修程的結(jié)構(gòu)為“2年檢-2年檢-6年檢”，簡稱“226”結(jié)構(gòu)[5]。總地來看，現(xiàn)行鐵路機(jī)車車輛修程修制主要從計(jì)劃預(yù)防修的角度來考慮，存在部分部件失修、過剩修等現(xiàn)象,造成質(zhì)保期未充分利用、影響經(jīng)濟(jì)效益等問題，因此，更加經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)修，越來越受到鐵路運(yùn)輸部門的重視。

健康管理技術(shù)起源比較早，最初主要應(yīng)用在武器裝備特別是大型軍事設(shè)備維修方面，是實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)修以及預(yù)測(cè)修的關(guān)鍵技術(shù)，因而受到各大軍事強(qiáng)國的青睞。美國首先提出了故障預(yù)測(cè)與健康管理(prediction and health management，PHM)的概念[6]，并于1982年將其用于大黃蜂戰(zhàn)機(jī)F404的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)。在機(jī)車車輛領(lǐng)域，國外學(xué)者針對(duì)車輪、軸承的健康管理作了相關(guān)研究。VERMEIJ等[7]總結(jié)了荷蘭在車輪退化及優(yōu)化方面的成果，提出了計(jì)劃預(yù)防修的策略；ANTONIO等[8]建立了車輪維修的全壽命周期成本模型。國內(nèi)方面，LIU等[9]將多層長短期記憶孤立森林(MLSTM iForest)用于高速動(dòng)車組軸箱軸承的實(shí)時(shí)故障預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了在不安裝振動(dòng)傳感器情況下的軸箱軸承故障預(yù)警；ZENG等[10]將隨機(jī)動(dòng)力學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入在役高速列車的動(dòng)態(tài)性能預(yù)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了基于車組服役狀態(tài)和輪對(duì)、懸掛退化狀態(tài)，綜合評(píng)估列車服役安全度；舒敏[11]提出了一種基于支持向量機(jī)的四類健康狀態(tài)分類方法和基于過程的多特征值趨勢(shì)分析方法，實(shí)現(xiàn)了軸箱軸承狀態(tài)分類和趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確判斷，構(gòu)建了可靠的評(píng)估和預(yù)測(cè)模型，有效地幫助了動(dòng)車組優(yōu)化修程修制，提高了運(yùn)維效率，降低了維修成本，保障了列車運(yùn)行安全。

近年來，基于可靠性和系統(tǒng)安全理論，狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)與健康管理、以可靠性為中心的維修、狀態(tài)修技術(shù)逐漸在軌道交通領(lǐng)域萌芽、發(fā)展。杜建波[12]從安全系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，將故障樹分析法引入電力機(jī)車的檢修優(yōu)化中，并給出高壓系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)的檢修優(yōu)化方案；神華鐵路貨車公司就重載貨車和重載機(jī)車設(shè)立重大科研項(xiàng)目，進(jìn)行修程修制的改革，試圖形成重載機(jī)車車輛的狀態(tài)修體系，以節(jié)約維修成本，提高機(jī)車車輛的可用性。在高速列車方面，早在2016年原中國鐵路總公司就設(shè)立“動(dòng)車組健康管理及運(yùn)維決策系統(tǒng)研究”項(xiàng)目，由上海鐵路局組織研究與落地，取得了預(yù)期的效果。眾多地鐵公司、機(jī)車車輛的主機(jī)廠也開展了類似的工作。然而，在眾多研究和工程實(shí)施中，停留在理論探討、框架和管理平臺(tái)構(gòu)建的居多，研究如何進(jìn)行修程修制改革，實(shí)現(xiàn)真正意義的狀態(tài)修，有效節(jié)約維修成本的案例還不多。

作為神華重載貨車與機(jī)車狀態(tài)修項(xiàng)目、原中國鐵路總公司“動(dòng)車組健康管理及運(yùn)維決策系統(tǒng)研究”項(xiàng)目的組織與參與者，筆者利用本文闡述一些技術(shù)觀點(diǎn)，分享一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，供同行們參考，并請(qǐng)指正。

1 狀態(tài)評(píng)估的多維度問題

基于鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行狀態(tài)的健康管理與狀態(tài)修，以實(shí)現(xiàn)其能力與狀態(tài)的保持，其核心就是“狀態(tài)”。如何評(píng)價(jià)機(jī)車車輛狀態(tài)，是一個(gè)核心問題。筆者認(rèn)為，機(jī)車車輛的運(yùn)行狀態(tài)不僅僅表現(xiàn)其自身狀態(tài)，應(yīng)該是一個(gè)多維度問題，如圖1所示。

圖1 列車運(yùn)行狀態(tài)及其影響因素Fig.1 Train operation state and its influencing factors

對(duì)于列車的機(jī)車車輛而言，其服役狀態(tài)不僅受到機(jī)車車輛本身的狀態(tài)影響，而且會(huì)受到列車編組及車輛位置的影響。筆者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一列8輛車編組的高速列車，在不同編組位置，車輛的垂向振動(dòng)與橫向振動(dòng)不一樣，這與車輛位置相關(guān)，如車輛位于頭尾及中間位置其垂向振動(dòng)與橫向振動(dòng)就不一樣，還與車輛結(jié)構(gòu)是動(dòng)車(MC)還是拖車(TC)、是否裝有受電弓等相關(guān)，如圖2所示。機(jī)車車輛運(yùn)行性能的優(yōu)劣也與線路狀態(tài)直接相關(guān)，包括線路不平順值、線路剛度等[13]。機(jī)車車輛在運(yùn)行中會(huì)經(jīng)過不同的線路，甚至不同的交路，由于線路結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件與施工質(zhì)量不一樣，機(jī)車車輛在通過這些線路時(shí)的響應(yīng)也會(huì)不一樣。

(a) 垂向

(b) 橫向圖2 某高速列車各車輛的振動(dòng)加速度Fig.2 Vibration acceleration of each vehicle of high speed train

圖3所示為實(shí)測(cè)的某一高速列車在不同交路運(yùn)行時(shí)的軸箱振動(dòng)情況。從圖3可以看出，在北京到杭州區(qū)段，軸箱的振動(dòng)小，因此考慮線路狀態(tài)對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響是十分必要的。在機(jī)車車輛運(yùn)行過程中，還受到牽引、制動(dòng)和惰行等列車運(yùn)行狀態(tài)影響，特別是重載列車，牽引與制動(dòng)工況的縱向力大，而且機(jī)車布置位置不同，列車中的縱向力對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行品質(zhì)的影響不盡相同，重載列車脫軌事故就直接與列車縱向力作用相關(guān)[14]。另外，機(jī)車車輛運(yùn)行狀態(tài)還受到運(yùn)行環(huán)境，如風(fēng)雨雪、氣溫等自然環(huán)境影響，甚至與季節(jié)相關(guān)，如高速列車出現(xiàn)車輪多邊形就與季節(jié)強(qiáng)相關(guān)。地鐵車輛中受電弓滑板磨耗也曾經(jīng)出現(xiàn)在冬季成倍增加，甚至呈數(shù)量級(jí)增加的情況，如圖4所示。因此，在進(jìn)行機(jī)車車輛健康狀態(tài)評(píng)估時(shí)，不僅要考慮車輛自身的狀態(tài)，同時(shí)需要考慮線路、運(yùn)行、環(huán)境等其他因素的影響，實(shí)現(xiàn)多維度下的狀態(tài)評(píng)估。當(dāng)然，在進(jìn)行機(jī)車車輛狀態(tài)修過程中，還需要進(jìn)一步考慮維修的經(jīng)濟(jì)性，這是一個(gè)目標(biāo)或者約束條件。

圖3 某高速列車在不同交路運(yùn)行時(shí)的軸箱振動(dòng)情況Fig.3 Vibration of axle box of a high-speed train running on different routes

圖4 某地鐵線路受電弓滑板在不同時(shí)間的磨耗情況Fig.4 Abrasion of pantograph slide plate of a metro line in different times

2 狀態(tài)的分類與選擇問題

鐵路機(jī)車車輛狀態(tài)有很多，需要維修的零部件也很多，因此，機(jī)車車輛健康管理和狀態(tài)修首先要確定管理與修的對(duì)象，也就是關(guān)注誰的狀態(tài)。應(yīng)該從裝備的完整性與性能保持角度來關(guān)注狀態(tài)。根據(jù)重要程度與功能性，機(jī)車狀態(tài)可以大致劃分為以下三種。

(1)基本狀態(tài)——體現(xiàn)零部件狀態(tài)的完好性。機(jī)車車輛是由成千上萬的零部件組成的，每一個(gè)零部件都有它的功能與作用，在機(jī)車車輛長期服役過程中，零部件的完好性是機(jī)車車輛完整性與性能保持的保證。為此，需要通過定期的維修與檢修，來保證零部件狀態(tài)的完好性。

(2)性能狀態(tài)——體現(xiàn)整體服役性能的保持性。成千上萬的零部件組成機(jī)車車輛后，機(jī)車車輛就有了自己的服役性能，如機(jī)車的牽引能力、貨車的承載能力、客車的乘坐舒適性等。機(jī)車車輛性能狀態(tài)的保持性決定了機(jī)車車輛的可用性，性能狀態(tài)的保持能力體現(xiàn)了機(jī)車車輛性能的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的可靠性。一旦性能狀態(tài)退化，說明機(jī)車車輛的重要零部件狀態(tài)已經(jīng)變化，所表現(xiàn)出來的性能已無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要修理或者更換。例如，機(jī)車車輛走行部懸掛件的性能參數(shù)退化、車輪踏面磨耗，這些變化雖然緩慢，但最終會(huì)影響到整車的動(dòng)力學(xué)性能。由于機(jī)車車輛零部件狀態(tài)決定了整車的性能，因此可根據(jù)性能狀態(tài)逆向找出引起整機(jī)性能狀態(tài)退化的零部件狀態(tài)的變化。

(3)安全狀態(tài)——體現(xiàn)運(yùn)行的安全性。作為運(yùn)輸系統(tǒng)的移動(dòng)裝備，其運(yùn)行的安全性是最重要的，一旦出現(xiàn)安全狀態(tài)問題，機(jī)車車輛就需要立刻停止運(yùn)行。例如，走行部上軸箱軸承、齒輪箱、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)件出現(xiàn)故障失效，車體、構(gòu)架、輪對(duì)等承載結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)疲勞斷裂等,這些狀態(tài)的出現(xiàn)都將直接影響到行車安全，這些零部件狀態(tài)就是安全狀態(tài)。

當(dāng)然，安全狀態(tài)是最重要的，最好能做到在途的檢測(cè)與評(píng)估；性能狀態(tài)屬于能力保持范疇，能力的蛻化是有過程的，需要定期檢驗(yàn)與評(píng)估。作為健康管理，主要關(guān)注的狀態(tài)就是性能狀態(tài)與安全狀態(tài)，通過對(duì)這些狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，檢驗(yàn)機(jī)車車輛的性能和安全狀態(tài)。但作為狀態(tài)修，就需要關(guān)注基本狀態(tài)，也就是每一個(gè)零部件的狀態(tài)，保證其零部件狀態(tài)的完好性和整機(jī)狀態(tài)的完整性。當(dāng)然，鑒于零部件的功能、作用和可靠性，在制定修程修制時(shí)，需要分門別類對(duì)不同零部件制定針對(duì)性的維修策略。

3 狀態(tài)的獲取與評(píng)估問題

無論是健康管理還是狀態(tài)修，狀態(tài)獲取都是關(guān)鍵。上文提到，PHM源于美國空軍和航空系統(tǒng)，由于安全性的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻，同時(shí)飛機(jī)本身價(jià)格昂貴，可以不遺余力地采用監(jiān)控的方式來保證飛行安全，但鐵路機(jī)車車輛作為大眾交通運(yùn)輸工具，產(chǎn)品價(jià)格親民，因此，如何依靠昂貴的狀態(tài)監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)健康管理，這是應(yīng)該謹(jǐn)慎思考的問題。筆者根據(jù)之前參與研究的經(jīng)驗(yàn)，提出幾點(diǎn)建議：

(1)安全優(yōu)先，在途監(jiān)測(cè)。作為移動(dòng)運(yùn)輸裝備，安全第一。因此，涉及直接危及行車安全的狀態(tài)盡量做到在途監(jiān)測(cè)，如軸箱軸承、齒輪箱、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)件，這些部件的故障難以避免，同時(shí)也有比較成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)與產(chǎn)品，這些零部件狀態(tài)應(yīng)該做到在途監(jiān)測(cè)。上文提到車體、構(gòu)架、輪對(duì)等承載結(jié)構(gòu)件若出現(xiàn)疲勞斷裂，也會(huì)直接影響到行車安全，從理論上來說這些結(jié)構(gòu)件也應(yīng)該做到在途監(jiān)測(cè)，然而這方面的監(jiān)測(cè)技術(shù)與產(chǎn)品不夠成熟，而且實(shí)施起來比較困難，因此，針對(duì)這些狀態(tài)的健康管理，應(yīng)該采取其他的健康管理策略，可以通過一定措施來保證其長期服役的可靠性。

(2)能力保持，沿途監(jiān)測(cè)。能力保持決定了機(jī)車車輛的可用性，十分重要。但與能力相關(guān)的狀態(tài)，如牽引力、制動(dòng)力、動(dòng)力學(xué)性能等，都是漸變的，如圖3中車輛動(dòng)力學(xué)性能惡化的時(shí)間有一月有余，而且往往也沒有固定的定量變化規(guī)律，因此，這些狀態(tài)不用在途實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以通過鐵路現(xiàn)有的5T(THDS，TFDS，TADS，TPDS，TCDS)檢測(cè)設(shè)備、高鐵動(dòng)車組入庫檢測(cè)設(shè)備等進(jìn)行沿途檢測(cè)，以驗(yàn)證其能力狀態(tài)。沿途檢測(cè)可以利用車載設(shè)備檢查，也可以采用地對(duì)車的檢測(cè)技術(shù)，不需要對(duì)每列車、每節(jié)車安裝車載檢查檢測(cè)系統(tǒng)，從而可以節(jié)約監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝成本。

(3)裝備完整，中途檢查。對(duì)于基本狀態(tài)，特別是不直接影響行車安全和能力保持的零部件，其狀態(tài)平時(shí)不用去管理它，可以在各種檢修過程中安排檢查與評(píng)估，看其狀態(tài)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是否需要更換，以保證其裝備的完整性，因此，這里的“中途檢查”是指在服役過程中檢查，基本是通過計(jì)劃修來保證的。

除此以外，圍繞狀態(tài)檢測(cè)還應(yīng)該注意如下問題：

(1)車載既有檢測(cè)數(shù)據(jù)的利用。盡管目前鐵路機(jī)車車輛還沒有實(shí)施系統(tǒng)的健康管理與狀態(tài)修，其實(shí)已經(jīng)有許多檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)，包括車載的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如機(jī)車的6A(AGDR，AFDR，AVDR，APDR，ABDR，ATDR)系統(tǒng)、高速動(dòng)車組的走行部旋轉(zhuǎn)件溫度檢查系統(tǒng)等，也包括線路上的地對(duì)車檢測(cè)設(shè)備，如傳統(tǒng)的5T以及這幾年隨著高鐵發(fā)展而發(fā)展起來的地面檢測(cè)系統(tǒng)。之前這些檢測(cè)方法僅僅用于特定狀態(tài)的檢測(cè)，實(shí)際上這些檢測(cè)數(shù)據(jù)還可以充分挖掘與利用。原中國鐵路總公司“動(dòng)車組健康管理及運(yùn)維決策系統(tǒng)研究”項(xiàng)目，就是在既有車載WTDS數(shù)據(jù)、入庫檢測(cè)和檢修等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)與評(píng)估功能的：如從旋轉(zhuǎn)軸承的溫度閾值預(yù)警，發(fā)展到可以實(shí)時(shí)在途的故障預(yù)測(cè)，提前預(yù)報(bào)故障狀態(tài)；又如輪對(duì)踏面入庫檢測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘，實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)鏇修優(yōu)化與維修管理。目前神華貨車狀態(tài)修項(xiàng)目，更多的是通過5T數(shù)據(jù)的利用進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的。

(2)檢測(cè)評(píng)估狀態(tài)的延伸。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，大多數(shù)是針對(duì)性檢測(cè)，有點(diǎn)“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的意思，事實(shí)上有些狀態(tài)檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以評(píng)估其他相關(guān)的狀態(tài)。如通過軸箱體對(duì)軸承振動(dòng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)軸承早期故障的預(yù)測(cè)預(yù)警。然而，軸箱體的振動(dòng)信息，還反映出車輪失圓(包括多邊形)、車輪踏面剝離、擦傷等損傷，以及鋼軌表面波磨、剝離、擦傷等缺陷狀態(tài)信息。因此，圍繞機(jī)械系統(tǒng)，應(yīng)用機(jī)車車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，就可以通過有限的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)更多狀態(tài)的評(píng)估。

(3)狀態(tài)之間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。機(jī)車車輛是一個(gè)完整系統(tǒng)，它的性能是由各種零部件及其參數(shù)體現(xiàn)的。零部件狀態(tài)的退化，在導(dǎo)致某一性能狀態(tài)明顯改變的同時(shí)，也會(huì)附帶引起其他狀態(tài)的改變?；蛘哒f，某些狀態(tài)的改變，也可能意味著有其他狀態(tài)的出現(xiàn)或者改變。因此，在健康管理時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)更多狀態(tài)的評(píng)估，通過狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性分析，可以反映出那些沒有直接檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)的狀態(tài)，提高數(shù)據(jù)的利用率。在原中國鐵路總公司“動(dòng)車組健康管理及運(yùn)維決策系統(tǒng)研究”項(xiàng)目中，通過車載WTDS數(shù)據(jù)中的軸箱軸承溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)、構(gòu)架失穩(wěn)檢測(cè)數(shù)據(jù)、車輪踏面入庫檢測(cè)數(shù)據(jù)等一些看似不相關(guān)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了車輪多邊形的預(yù)測(cè)[15]。

(4)新型檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)。健康管理與狀態(tài)修的前提是狀態(tài)檢測(cè)。就走行部而言，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)基本是從其他行業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移過來的，不僅檢測(cè)與評(píng)估功能單一，價(jià)格高，而且產(chǎn)品穩(wěn)定性差，檢測(cè)系統(tǒng)的故障率甚至比檢測(cè)對(duì)象的故障率還高，干擾了機(jī)車車輛的正常運(yùn)行，難以滿足鐵路機(jī)車車輛長期服役的應(yīng)用要求，為此，針對(duì)鐵路機(jī)車車輛狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新是十分必要的。但需注意一些針對(duì)性問題的解決：①解決大量程與高分辨率的矛盾。對(duì)于像軸箱這樣的振動(dòng)，軸承失效的早期故障引起的振動(dòng)加速度只有幾倍的g(重力加速度)，甚至更小；通常的線路不平順引起的軸箱振動(dòng)加速度[16]可以達(dá)到十幾倍甚至幾十倍g；而一旦出現(xiàn)鋼軌波磨或者車輪多邊形，引起的軸箱振動(dòng)加速度達(dá)到上百倍甚至幾百倍g。一個(gè)加速度傳感器如何滿足評(píng)估不同振動(dòng)烈度狀態(tài)的監(jiān)測(cè)需要，解決大量程要犧牲分辨率的問題，或許雙量程或者多量程加速度傳感器技術(shù)是解決的途徑。②解決高頻與低頻的矛盾。和量程類似，也可能遇到同一測(cè)點(diǎn)所評(píng)估出來的狀態(tài)所處的頻率范圍很大，造成傳感器的頻率范圍不能完全覆蓋高頻和低頻的情況。這時(shí)，就需要雙頻、多頻，甚至全頻的傳感器技術(shù)，以解決高低頻兼顧的需求矛盾。③解決測(cè)點(diǎn)空間干涉矛盾。有些測(cè)點(diǎn)體積或者安裝空間小，而希望檢測(cè)的狀態(tài)又多，傳感器安裝出現(xiàn)干涉。這時(shí)，一方面要研發(fā)體積小的傳感器，另一方面更需要開發(fā)多功能的復(fù)合傳感器。走行部軸承所用溫振復(fù)合傳感器，就是解決這一矛盾的利器。④解決振動(dòng)導(dǎo)致傳感器失效的問題。傳感器失效很多是由振動(dòng)環(huán)境引起的，除了傳感器本體的故障，更有可能是傳感器信號(hào)線振動(dòng)造成連接頭接觸不良而引起檢測(cè)系統(tǒng)故障。因此，一方面需加強(qiáng)傳感器抗振設(shè)計(jì)，另一方面可以采用帶無線傳輸?shù)闹悄軅鞲衅?，從根本上解決類似問題。當(dāng)然，更加徹底的解決途徑是通過非接觸傳感方式，把檢測(cè)探頭安裝在振動(dòng)小的轉(zhuǎn)向架上，甚至振動(dòng)更小的車體上，來對(duì)轉(zhuǎn)向架上零部件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免強(qiáng)振動(dòng)造成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的失效。⑤解決全息化感知與監(jiān)測(cè)點(diǎn)太多的問題。隨著健康管理與預(yù)測(cè)研究的深入，為了掌握更多的狀態(tài)信息，就希望有更多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜龐大，一方面增加了造價(jià)，另一方面又降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。為此，發(fā)展“場(chǎng)”監(jiān)測(cè)技術(shù)來有效減少測(cè)點(diǎn)，是未來發(fā)展的方向。如動(dòng)車走行部有很多旋轉(zhuǎn)部件，可以采用“溫場(chǎng)”監(jiān)測(cè)技術(shù)，一個(gè)探頭完成對(duì)所有旋轉(zhuǎn)件(不僅僅是軸承)溫度的測(cè)定，就避免了在旋轉(zhuǎn)件的各個(gè)軸承附近都安裝溫度傳感器的情況；可以采用“聲場(chǎng)”的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)走行部上可能因?yàn)槭дT發(fā)聲音的部件，如車輪踏面、軸承和齒輪箱等部件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也避免了在走行部上安裝過多的振動(dòng)傳感器問題；當(dāng)然還可以采用“視場(chǎng)”監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)零部件缺失、幾何狀態(tài)(形狀、尺寸或者裝配關(guān)系)、異常情況(蛇行失穩(wěn)、脫軌、煙火等)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。這樣巧妙使用“場(chǎng)”監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)走行部進(jìn)行“望聞問切”式的診斷，可大大減少溫度與振動(dòng)等傳感器的安裝數(shù)量。

4 剩余壽命評(píng)估問題

智能化的一個(gè)重要作用就是支撐運(yùn)維?；跔顟B(tài)感知、狀態(tài)辨識(shí)與狀態(tài)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)健康狀態(tài)的評(píng)估與管理，其目的是保持健康狀況，這實(shí)際上就是狀態(tài)修的理念。狀態(tài)修很重要的一項(xiàng)工作就是零部件的剩余壽命預(yù)測(cè)。壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，才能實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的狀態(tài)修，用最小的維修量和維修成本，實(shí)現(xiàn)能力或性能的保持。

剩余壽命預(yù)測(cè)十分困難，主要表現(xiàn)在：①服役載荷的隨機(jī)性，正如第2節(jié)所闡述的狀態(tài)評(píng)估多維度問題，機(jī)車車輛零部件的服役載荷除了與本車性能狀態(tài)有關(guān)，還與運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行工況等相關(guān)，評(píng)估用的服役載荷真實(shí)統(tǒng)計(jì)困難。②零部件性能的隨機(jī)性，零部件材料、制備、安裝等環(huán)節(jié)都會(huì)影響服役壽命，同樣的載荷，使用壽命卻不一樣。如文獻(xiàn)[17]的研究表明，軸承鋼接觸疲勞壽命同時(shí)受到材料的含氧量、含硫量及工藝的影響。③失效形式的隨機(jī)性，同樣的零部件，可能會(huì)出現(xiàn)失效形式、位置和大小不一的情況。如文獻(xiàn)[18]在研究滾動(dòng)軸承故障機(jī)理的過程中指出，軸承失效可以是內(nèi)圈、外圈、滾子或保持架發(fā)生故障，故障類型可能是膠合、磨損、斷裂、保持架破壞等，這與載荷、材料和性能的隨機(jī)性有關(guān)，更與零部件初始缺陷狀態(tài)有關(guān)。

剩余壽命預(yù)測(cè)的方法或者途徑有以下幾種：

(1)歷史使用壽命的統(tǒng)計(jì)。這種方法是建立在機(jī)車車輛零部件有完整的使用壽命樣本基礎(chǔ)上的，通過對(duì)樣本分析，給出基于統(tǒng)計(jì)意義的不同可靠度下零部件全壽命，再根據(jù)已服役時(shí)間得到剩余壽命。如文獻(xiàn)[19]即是基于線路試驗(yàn)獲得受電弓串聯(lián)結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力譜樣本，開展受電弓系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)理論研究的。

(2)已知載荷和狀態(tài)的預(yù)測(cè)。目前金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)比較成熟，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確掌握零部件的服役載荷，這樣就可以根據(jù)不同運(yùn)行條件下的載荷工況進(jìn)行零部件的全壽命預(yù)測(cè)，當(dāng)然這同樣是在不同可信度下的壽命預(yù)測(cè)值。有了全壽命和已經(jīng)服役的時(shí)間(也可以是里程)就可以算出剩余壽命。采用以上兩種壽命預(yù)測(cè)方法，就可以不對(duì)零部件狀態(tài)進(jìn)行在途監(jiān)測(cè)了。文獻(xiàn)[20]利用多體動(dòng)力學(xué)和有限元結(jié)合的方法對(duì)機(jī)車車體的關(guān)鍵部件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，并用線路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。圖5所示為神華重載貨車的狀態(tài)修研究中關(guān)于車鉤壽命預(yù)測(cè)的研究技術(shù)路線[21]，首先獲取材料基本的疲勞強(qiáng)度特性和服役載荷，通過臺(tái)架試驗(yàn)得到全壽命試驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)基于裂紋擴(kuò)展速率曲線和裂紋擴(kuò)展模擬，實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)斷裂后的剩余壽命分析，得到在出現(xiàn)不同裂紋長度時(shí)的剩余壽命。

圖5 重載貨車車鉤壽命預(yù)測(cè)Fig.5 Life prediction of heavy duty freight car coupler

(3)在途實(shí)測(cè)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。對(duì)于壽命分散度大，而且對(duì)行車安全又十分重要的零部件(如軸承)，建議采用在途實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷(或者相關(guān)狀態(tài)量)條件下動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)壽命的預(yù)估，以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的壽命評(píng)估。如文獻(xiàn)[22]提出了一種基于非線性退化模型的滾動(dòng)軸承剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，根據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)信息更新模型參數(shù)以達(dá)到更好的預(yù)測(cè)效果。有兩種在途剩余壽命的評(píng)估方法：①已知時(shí)間與狀態(tài)關(guān)系的壽命預(yù)測(cè)。假設(shè)零部件的使用時(shí)間與狀態(tài)的關(guān)系是確定的，如圖6所示的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)平均值的趨勢(shì)曲線(即壽命曲線)是已知的(當(dāng)然這需要通過大量的實(shí)驗(yàn)或者應(yīng)用獲得)，當(dāng)檢測(cè)到某使用時(shí)刻t的狀態(tài)量時(shí)，就可以根據(jù)壽命曲線推算出使用出現(xiàn)狀態(tài)量限值的時(shí)間，得到這個(gè)狀態(tài)點(diǎn)時(shí)的剩余壽命。由于實(shí)際的壽命曲線是基于統(tǒng)計(jì)意義的，因此所預(yù)測(cè)的剩余壽命是在某一概率密度下得到的。②未知時(shí)間與狀態(tài)關(guān)系的壽命預(yù)測(cè)。已知某零部件的狀態(tài)，如振動(dòng)、應(yīng)力等，進(jìn)行實(shí)時(shí)在途檢測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)的歷史狀態(tài)特征，可以確定該零部件使用時(shí)間t與狀態(tài)f的函數(shù)關(guān)系，如圖7所示的f(t)。假設(shè)f(t)為三次多項(xiàng)式函數(shù)，有三個(gè)未知系數(shù)需要確定，具體的時(shí)間與狀態(tài)關(guān)系式也是未知的，隨著這個(gè)零部件的服役，開始出現(xiàn)明顯“狀況”，狀態(tài)量變大，這時(shí)可以將三個(gè)不同時(shí)刻(t1、t2、t3)和三個(gè)狀態(tài)(f1、f2、f3)代入時(shí)間與狀態(tài)關(guān)系式f(t)，得到三個(gè)關(guān)系式，聯(lián)立方程，求出關(guān)系式f(t)中的三個(gè)系數(shù)C1、C2、C3，這時(shí)的關(guān)系式f(t)就是一個(gè)確定的函數(shù)。由關(guān)系式f(t)就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)后面使用時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，得到狀態(tài)量到限值出現(xiàn)的剩余使用時(shí)間，也就是剩余壽命。

圖6 已知時(shí)間狀態(tài)關(guān)系的壽命預(yù)測(cè)Fig.6 Life prediction of known time state relationship

圖7 未知時(shí)間與狀態(tài)關(guān)系的壽命預(yù)測(cè)Fig.7 Life prediction of unknown time state relationship

5 修程修制問題

根據(jù)原中國鐵路總公司的相關(guān)文件[23],既有鐵路機(jī)車車輛(包括高速動(dòng)車組)的維修策略，普遍采用固定修程的預(yù)防性維修，也就是采用不同維修等級(jí)(體現(xiàn)維修程度與內(nèi)容)、不同維修間隔(時(shí)間或者里程)來形成修程修制。

由于預(yù)防性維修的基本出發(fā)點(diǎn)是通過定期維修、更換零配件來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)(性能與能力)的保持的，因此這是一種保守的維修策略，其修程修制的制定，也是在大量運(yùn)行與維修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。我國在高速鐵路發(fā)展初期，基本采用國外相應(yīng)的維修體系，但隨著我國高速列車更大規(guī)模、更高速度、更長運(yùn)行里程的服役，取得了大量運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)原有的修程修制不是完全符合目前我國高速動(dòng)車組運(yùn)維要求的，維修成本也居高不下，相關(guān)領(lǐng)域研究人員開始完善其修程修制，并嘗試應(yīng)用于狀態(tài)修。上海鐵路局基于動(dòng)車組運(yùn)用修故障數(shù)據(jù),采用生存分析與可靠性理論確定了部件合理的維修間隔[24]，為動(dòng)車組維修項(xiàng)目周期的優(yōu)化提供了參考。

狀態(tài)修最終需要體現(xiàn)在修程修制的改革與優(yōu)化上，原中國鐵路總公司所設(shè)立的項(xiàng)目“動(dòng)車組健康管理及運(yùn)維決策系統(tǒng)研究”，也是為狀態(tài)修的修程修制改革探索而服務(wù)的。下面結(jié)合筆者參與的機(jī)車車輛狀態(tài)修研究，談幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)狀態(tài)修不是有“狀態(tài)”就修。狀態(tài)修，顧名思義就是出現(xiàn)“狀態(tài)”就修，也就是“有病就看”，可以理解為視情修。但實(shí)際上這是不科學(xué)的，因?yàn)殍F路機(jī)車車輛，如果修理就要停車、架車等，就會(huì)打亂車的正常運(yùn)用秩序，因此筆者理解的狀態(tài)修，是通過健康管理，掌握影響鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行的安全與性能狀態(tài)，提前安排維修，以保證在下一個(gè)維修節(jié)點(diǎn)時(shí)，不出現(xiàn)“狀態(tài)”，實(shí)現(xiàn)能力的保持。因此，狀態(tài)修不應(yīng)該是“有狀態(tài)就修”。當(dāng)然，如果有安全狀態(tài)突發(fā)，這就真成了有狀態(tài)就修的情況，但這是突發(fā)情況，不是狀態(tài)修的本意。

(2)狀態(tài)修的本質(zhì)是視情預(yù)防。盡管狀態(tài)修不是有“狀態(tài)”就修的視情修，但實(shí)際上狀態(tài)修的本質(zhì)是視情預(yù)防。狀態(tài)修的難點(diǎn)就是準(zhǔn)確進(jìn)行狀態(tài)判斷，也就是對(duì)狀態(tài)準(zhǔn)確“視情”后，確定影響這個(gè)狀態(tài)的因素(零部件)在下一個(gè)修程節(jié)點(diǎn)時(shí)是否需要維修或換件，以保證在下一個(gè)服役維修周期內(nèi)能力的保持。

(3)狀態(tài)修的核心是動(dòng)態(tài)地計(jì)劃修。鐵路機(jī)車車輛是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，零部件的維修或者更換的復(fù)雜程度不一樣，有的是整備條件下可以進(jìn)行，有的需要架車進(jìn)行，還有些需要分解車才能進(jìn)行，因此，根據(jù)鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行性質(zhì)、結(jié)構(gòu)條件，制定了針對(duì)性的修程修制，如機(jī)車有小修、中修和大修，高速動(dòng)車組則分了從一級(jí)到五級(jí)的維修等級(jí)。在實(shí)施狀態(tài)修時(shí)，由于大部分零部件及其相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)是不可能進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的，還是要通過固定修程的計(jì)劃修進(jìn)行。狀態(tài)修主要針對(duì)安全狀態(tài)、性能狀態(tài)，以及一些雖屬于輔助設(shè)備，但它的故障同樣會(huì)影響行車的部件，如冷卻風(fēng)機(jī)，甚至包括上面的防塵過濾系統(tǒng)，結(jié)合修程來實(shí)施動(dòng)態(tài)的計(jì)劃修，因此，狀態(tài)修是根據(jù)狀態(tài)的情況來確定下一個(gè)維修節(jié)點(diǎn)的維修內(nèi)容，維修內(nèi)容是動(dòng)態(tài)的，但修程及其間隔應(yīng)該是相對(duì)固定的。

盡管高速列車、重載機(jī)車車輛和城軌車輛的修程修制有一定差異，但模式上與技術(shù)是一致的。因此，基于以上認(rèn)識(shí)，鐵路機(jī)車車輛的狀態(tài)修需遵循以下規(guī)則：

(1)同步壽命。鐵路機(jī)車車輛大部分零部件都要采用計(jì)劃修來保證其性能與能力的保持[25]。因此，結(jié)合計(jì)劃修的間隔，在進(jìn)行零部件的歸類維修基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)同一類零部件同壽命很重要。這些需要零部件工藝廠家對(duì)零部件的質(zhì)量和使用壽命有保證。神華貨車狀態(tài)修在這方面做了大量工作，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)延長周期。計(jì)劃修普遍認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的維修模式，存在過度維修情況，延長零部件的使用時(shí)間，是提高經(jīng)濟(jì)性的直接途徑。因此，在之前計(jì)劃修的基礎(chǔ)上，在保證其整車性能的前提下，適當(dāng)延長零部件的服役周期是努力的方向。例如，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司、中國鐵道科學(xué)研究院等相關(guān)單位開展了延長和諧型電力機(jī)車高級(jí)修周期的可行性分析研究[26]，延長零部件的使用時(shí)間，首先是要進(jìn)一步提高零部件的質(zhì)量，更重要的是要能做到壽命的預(yù)測(cè)，通過理論分析、試驗(yàn)研究和裝車驗(yàn)證，做到在延長其使用壽命后保證其性能。目前高速列車的維修體制就是在維修間隔周期上進(jìn)行調(diào)整，有些動(dòng)車組的三級(jí)修周期延長一倍，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(3)動(dòng)態(tài)變化?？梢园延?jì)劃修理解成靜態(tài)模式，因?yàn)橹暗挠?jì)劃修基本上是固定模式，甚至成為規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，很少調(diào)整。其實(shí)，計(jì)劃修同樣是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際運(yùn)用的情況，不斷優(yōu)化與調(diào)整計(jì)劃修的維修間隔與維修內(nèi)容及工藝。隨著大數(shù)據(jù)、信息化時(shí)代的到來，鐵路機(jī)車車輛PHM的實(shí)施，對(duì)計(jì)劃修進(jìn)行科學(xué)的動(dòng)態(tài)調(diào)整是有條件做到的。如復(fù)興號(hào)高速列車的三級(jí)修周期從原來的120萬km準(zhǔn)備調(diào)整到140萬km甚至160萬km，目前正在進(jìn)行應(yīng)用考核。

(4)動(dòng)靜結(jié)合。狀態(tài)修最基本的理解就是對(duì)裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估與管理，可以理解成一種動(dòng)態(tài)的維修體制，與計(jì)劃修的靜態(tài)體制形成對(duì)比。其實(shí)動(dòng)靜是相對(duì)的，即使是與性能狀態(tài)密切相關(guān)的零部件，如車輪(踏面)，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)維修，其基礎(chǔ)還是計(jì)劃修，無非是根據(jù)在控的零部件健康狀態(tài)，進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，結(jié)合計(jì)劃修的安排，動(dòng)態(tài)安排維修。出現(xiàn)了安全狀態(tài)，就需要及時(shí)維修相關(guān)零部件，這就屬于動(dòng)態(tài)的維修行為。

5 結(jié)語

雖然狀態(tài)修在關(guān)鍵部件的研究中取得了初步成效，但是受限于狀態(tài)獲取的技術(shù)瓶頸與研究成果的充分積累，真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修還任重道遠(yuǎn)。