城市軌道交通車輛輪對全生命周期管理優(yōu)化*

田云峰 劉斐然 張麗超 胡本超 桑洪遠(yuǎn) 陳穎鑫

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2.北京市地鐵運(yùn)營有限公司運(yùn)營一分公司, 102209, 北京∥第一作者, 工程師)

輪對是轉(zhuǎn)向架的主要部件之一,其主要功能是承受車輛的自重與載重,并通過輪對在鋼軌上滾動完成車輛的運(yùn)行。輪對的運(yùn)用條件較為惡劣,經(jīng)常會發(fā)生異常磨耗、失圓、擦傷、剝離、掉塊、熱裂及疲勞損壞等情況,其性能的好壞,對行車安全具有十分重大的影響。因此,為保證城市軌道交通車輛的安全運(yùn)行,各運(yùn)營單位會對輪對進(jìn)行定期測量并進(jìn)行鏇修、更換等工作。但隨著運(yùn)營里程的增加、預(yù)備車數(shù)的減少及可鏇修時(shí)間的縮短,輪對的檢修工作愈加沉重。這給輪對的走行公里監(jiān)控帶來了困難,對輪對的全壽命周期管理提出了更高的要求。

1 車輛輪對磨損因素

車輛輪對的磨耗主要由磨粒磨損、黏著磨損及塑性變形引起,導(dǎo)致輪對磨損的因素包括線路、車輪尺寸、軸重、制動及駕駛習(xí)慣等。任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均可能加速輪對的磨損,降低其使用壽命,增加檢修人員工作量[1-5]。

1.1 線路

車輛在通過曲線線路時(shí),其導(dǎo)向軸(1軸)的外輪總是緊靠外軌,造成輪緣磨損,而非導(dǎo)向軸則視速度而異。車輛處于低速時(shí),非導(dǎo)向軸(2軸)的內(nèi)輪可能貼靠內(nèi)軌,此時(shí)轉(zhuǎn)向架在曲線線路上的這一位置稱為最大偏斜位置,造成輪緣磨損;當(dāng)車輛速度達(dá)到一定值時(shí),其離心力會使后輪對的外輪貼靠外軌,造成輪緣磨損。

因此,在進(jìn)行輪對管理時(shí)會發(fā)現(xiàn)單節(jié)車輛外軸(1、4軸)輪緣厚度往往低于內(nèi)軸(2、3軸)輪緣厚度。圖1為某城市軌道交通線路84列列車內(nèi)外軸輪緣厚度差值統(tǒng)計(jì)。由圖1可見:外軸輪緣厚度小于內(nèi)軸的約占77%,內(nèi)軸輪緣厚度小于外軸的僅占23%。

圖1 某城市軌道交通線路84列列車內(nèi)外軸輪緣厚度差值統(tǒng)計(jì)

1.2 車輪尺寸

輪徑、輪緣厚度及輪徑差均會影響車輪的磨耗。其中,輪徑越小,接觸斑面積越小,接觸斑內(nèi)的法向力越大,縱向蠕滑率越大。相同里程下,車輪轉(zhuǎn)數(shù)越大,踏面磨耗越為嚴(yán)重。輪徑越大,輪對在曲線線路上的橫移越大,加劇了輪緣磨耗。輪緣越厚,輪對與鋼軌越容易發(fā)生接觸,加劇了輪緣磨耗。在300 m的小半徑曲線上,單輪輪軌橫向力可從無輪徑差的25.16 kN上升至輪徑差為1 mm時(shí)的34.68 kN,進(jìn)而造成車輪磨耗的加劇。

1.3 車輪硬度

城市軌道交通鋼軌的平均硬度約為310 HB,車輪的平均硬度約為286 HB。研究表明,鋼軌與車輪的硬度比為1.00～1.13時(shí),輪軌處于低磨耗狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),部分車輪踏面下方35 mm處的輪輞硬度在250 HB左右,造成輪緣磨耗嚴(yán)重,個(gè)別線路上的個(gè)別車輪壽命存在不足40萬km的情況。

1.4 輪重

根據(jù)GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》的要求,每個(gè)車輪的實(shí)際輪重與該軸兩個(gè)車輪平均輪重之差不應(yīng)超過該軸兩輪平均輪重的±4%。但隨著運(yùn)營里程的增加,一系、二系懸掛系統(tǒng)及輪徑差等參數(shù)均在不斷變化,易造成部分車輪偏重。在同一車輛中,出現(xiàn)單輪或一側(cè)輪輪緣磨耗相對嚴(yán)重,此時(shí)需要在架修段進(jìn)行輪重調(diào)整。

1.5 車輛制動

對于踏面型制動車輛,其控制制動力的分配邏輯以及閘瓦的選型可能會引起車輪踏面溝槽狀等異常磨耗情況。必要時(shí),應(yīng)修改程序邏輯,更換閘瓦類型。

1.6 列車自動控制

部分列車在ATO(列車自動運(yùn)行)駕駛邏輯設(shè)計(jì)中,頻繁施加大級別制動或者在曲線線路等位置固定施加大級別牽引等,導(dǎo)致車輪出現(xiàn)異常凹陷磨損。

2 輪對維修和鏇修現(xiàn)狀

2.1 輪對維修現(xiàn)狀

目前,運(yùn)營單位會通過固定式平輪檢測系統(tǒng)、輪對軌旁在線檢測系統(tǒng)、落輪鏇床等方式進(jìn)行輪緣、輪徑及踏面擦傷等項(xiàng)點(diǎn)的測量和檢查。為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的可靠度,保證車輛運(yùn)營安全,檢修人員還會使用機(jī)械尺進(jìn)行測量,并人工錄入至計(jì)算機(jī)中。

2.2 輪對鏇修現(xiàn)狀

一般情況下,在輪緣、輪徑、踏面發(fā)生問題時(shí)立即開展輪對故障位置的鏇修工作。同時(shí),定期對所有輪對按LM(磨耗)型廓形或目標(biāo)尺寸進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性鏇修工作。不同的運(yùn)營單位有不同的鏇修周期與鏇修標(biāo)準(zhǔn),一般每年至少進(jìn)行一輪經(jīng)濟(jì)性鏇修工作。

在對輪對進(jìn)行鏇修時(shí),每恢復(fù)1 mm輪緣厚度需切削3～5 mm輪徑。對輪對進(jìn)行故障鏇修時(shí),為保證單車輪徑差,不僅需要鏇修故障車輪,而且還要對其余7個(gè)車輪進(jìn)行一定程度的鏇修,造成了極大的浪費(fèi),其中因輪緣厚度過低而導(dǎo)致鏇輪的情況最為明顯。

在對輪對進(jìn)行鏇修后,為保證受流器工作高度、車體地板面及站臺高度符合要求,需對受流器進(jìn)行調(diào)整,需在空氣彈簧與轉(zhuǎn)向架之間及車體與中心銷之間增加調(diào)整墊片,部分車型還需將車體與轉(zhuǎn)向架分離才可完成,占用了作業(yè)班組大量工作時(shí)間。

3 輪對全生命周期管理優(yōu)化

3.1 輪對壽命預(yù)測模型

為了對所有車輛進(jìn)行全壽命周期管理,需建立一套可行的壽命預(yù)測模型。導(dǎo)致輪對磨耗的因素較多,且通常多因素同時(shí)存在,較難有效地針對單一因素建立模型[6]。

從輪對長期的應(yīng)用情況來看,擦傷、剝離、失圓及輪徑差等問題出現(xiàn)時(shí),輪緣會隨著運(yùn)營里程的增加出現(xiàn)一定程度的磨損。但不論因何種原因造成鏇修,最終均會將輪緣恢復(fù),并切削相應(yīng)的輪徑值。

因此,本文結(jié)合實(shí)際鏇修經(jīng)驗(yàn),根據(jù)輪徑、輪緣初始值、實(shí)際消耗值及日均走行公里等要素推導(dǎo)出輪對剩余使用時(shí)間:

(1)

式中:

t——輪對剩余使用時(shí)間, 單位d;

φ1——初始輪徑,單位mm;

B1——初始輪緣厚度,單位mm;

φ2——既有輪徑,單位mm;

B2——既有輪緣厚度,單位mm;

k——輪緣輪徑切削比;

φ3——到限輪徑,單位mm;

B3——到限輪緣厚度,單位mm;

A2——既有輪緣厚度、輪徑對應(yīng)的走行公里,單位km;

A0——車輛日均走行公里,單位km/d。

式(1)中:由于各運(yùn)營單位鏇修機(jī)床與鏇修策略的不同,k一般取3～5,此值可根據(jù)鏇修記錄推算而出;A0可根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行圖和車組數(shù)確定。鑒于輪緣厚度和輪徑在測量時(shí)存在誤差且車輛走形公里過少時(shí)輪對磨耗無明顯變化,此時(shí)計(jì)算出的輪緣、輪徑萬公里磨耗會存在較大偏差,建議A2累計(jì)到10萬km后進(jìn)行計(jì)算較為合適。

根據(jù)式(1),可推算出全部輪對的更換數(shù)量,見表1。在實(shí)際應(yīng)用中,換輪時(shí)間與其理論計(jì)算誤差約為±2個(gè)月,究其原因主要是近期車輛運(yùn)營計(jì)劃變化以及生產(chǎn)安排調(diào)整等。

3.2 輪對檢修策略優(yōu)化

基于造成輪對磨耗的各種因素發(fā)現(xiàn),由線路因素導(dǎo)致的導(dǎo)向軸(1、4軸)輪緣磨耗大于非導(dǎo)向軸(2、3軸)輪緣磨耗,以及輪緣單側(cè)發(fā)生偏磨等問題較為普遍;而車輪硬度、輪重等因素造成單車個(gè)別位置輪緣磨耗增加、輪徑差異常等情況也時(shí)有發(fā)生。而此時(shí),往往因1～2個(gè)車輪輪緣厚度到限而導(dǎo)致需對8個(gè)車輪同時(shí)鏇修,造成嚴(yán)重浪費(fèi),并增加大量人工成本。

為此,應(yīng)在車輪檢修過程中優(yōu)化輪對的檢修策略。在車輪無其他問題時(shí),下列3種情況可不進(jìn)行鏇修,并可通過配置新輪對等方式進(jìn)行更換。

1) 同車2個(gè)最小輪緣厚度的差值大于3 mm時(shí),宜進(jìn)行配輪。

2) 內(nèi)外軸輪緣厚度差值大于3 mm,即1、4軸輪緣厚度小于2、3軸輪緣厚度時(shí),宜將內(nèi)外軸對調(diào),部分車型可通過直接對換同車轉(zhuǎn)向架或轉(zhuǎn)向架掉頭等方式實(shí)現(xiàn)。

3) 同車轉(zhuǎn)向架最小輪緣厚度差大于3 mm時(shí),應(yīng)隨架修對調(diào)轉(zhuǎn)向架。更換后應(yīng)注意牽引電機(jī)、齒輪箱及軸箱的走行公里,避免出現(xiàn)關(guān)鍵部件欠修等情況。

上述實(shí)施策略將有效降低輪對檢修成本。以配輪為例,按每次鏇修消耗15 mm的輪徑計(jì)算,配輪1次將避免6個(gè)車輪總計(jì)90 mm的輪徑切削量,可至少節(jié)約1個(gè)車輪的更換成本。另外,按上述第2、3種情況進(jìn)行作業(yè)時(shí),可視情況重新對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行靜載試驗(yàn)及輪輞硬度測試,以分析輪對異常磨耗原因。

從某城市軌道交通線路按上述要求進(jìn)行車輪檢修的2年來看,每年可減少約30%的輪對更換數(shù)量。

3.3 提升輪對檢修數(shù)據(jù)管理手段的建議

在對輪對的檢修管理中發(fā)現(xiàn):部分線路車組數(shù)較多,數(shù)據(jù)管理較為困難,使用機(jī)械尺進(jìn)行測量、錄入,效率較低,各個(gè)環(huán)節(jié)均有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤,無法正常開展數(shù)據(jù)分析工作。目前,運(yùn)營單位通過電子表格可在一定程度上實(shí)現(xiàn)半自動化管理,即只需更新輪徑、輪緣厚度、鏇換輪信息及部件級走行公里等數(shù)據(jù)。

而隨著智能化的發(fā)展,自動識別輪對和齒輪箱等部件編號、自動追蹤部件級走行公里、自動獲取車輪尺寸,從而有效降低管理門檻,提高管理效率,通過自動化的終端感知設(shè)備及優(yōu)秀的算法,真正做到城市軌道交通行業(yè)的智慧化發(fā)展[7-9]。解決思路可參考如下建議:

1) 部件級走行公里追蹤。部件級走行公里自動追蹤可通過銘牌、螺栓等封裝形式的RFID(射頻識別)電子標(biāo)簽替代電機(jī)、齒輪箱、構(gòu)架、車體的既有銘牌及非關(guān)鍵部位螺栓。通過軌旁的固定式掃描設(shè)備及每日運(yùn)營計(jì)劃的更新,即可實(shí)時(shí)追蹤轉(zhuǎn)向架上關(guān)鍵部件的走行公里。

2) 機(jī)械式測量流程優(yōu)化?？墒褂眉友b藍(lán)牙模塊的測量器具將其測量結(jié)果傳輸至PDA(個(gè)人數(shù)碼助理)等移動存儲設(shè)備及數(shù)據(jù)管理分析平臺。在月修等的固定列位測量中,藍(lán)牙式數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)可通過提前安裝在股道上的RFID定位標(biāo)簽自動識別所測位置號。藍(lán)牙式數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙式數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)構(gòu)架

3) 系統(tǒng)建設(shè)方案。在解決上述數(shù)據(jù)自動感知的基礎(chǔ)上,通過數(shù)據(jù)終端感知模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊及系統(tǒng)管理模塊,可建立相應(yīng)的輪對全生命周期運(yùn)維管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具有可單獨(dú)運(yùn)行使用的能力,也應(yīng)具備接入運(yùn)營單位既有的信息管理功能。輪對全生命周期管理系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

圖3 輪對全生命周期管理系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)語

通過分析輪對磨耗的因素及其普遍性特點(diǎn),可以很好地結(jié)合實(shí)際檢修現(xiàn)狀計(jì)算出輪對使用壽命,并可針對性地優(yōu)化輪對的檢修策略,有效提高輪對使用壽命,降低人工作業(yè)成本,真正做到降本增效。未來,可通過RFID電子標(biāo)簽等現(xiàn)代化感知手段在輪對檢修作業(yè)中自動更新車輛履歷,并配合信息化平臺實(shí)現(xiàn)自動追蹤部件級走行公里,真正實(shí)現(xiàn)輪對全生命周期內(nèi)的自動化、數(shù)字化及智慧化管理。