动车组状态维修关键技术研究与实现

1、摘 要随着我国高速铁路的大发展,动车组列车丌行数量的讯速增长,对动车组转向架的性能和可靠性要求越來越高,因此转向架的维修工作如何适应新情况,就成了当前亟待解决的课题。本文以以可靠性为中心的维修的理论以及上海南动车所运行的部分CRH2列车转向架轮对故障统计数据为基础,通过对转向架关键零部件轮对的故障模式分析研究,确定了各个故障的危害程度排序,针对危害度较大的几个重要故障,本文基于镟修阀值的概念找寻一种最优的镟修策略进行改善,为转向架的关键部件的故障分析及维修方法提供了一种重要依据。同时,本文在调研我国某动车段转向架三级检修现场的基础上, ,并从布局设施规划和检修线瓶颈问题上对其进行了改善,从而在

2、较大程度上提高了其检修效率。通过计算和模型运行结果表明,本论文对转向架的检修线的仿真研究基本符合维修工作中的实际情况,为今后动车组转向架的维修管理提供了一种科学的研究方法,具有很好的工程应用价值。我国交通运输的主要方式就是通过铁路，并且铁路运输对我国的经济发展做出了重大贡献。为了保持长久的发展，使铁路运输能够满足社会的发展和经济的增长。在我国铁路中长期规划中提出截止2020年要建成贯穿我国各个方向的铁路线路，使我国不断增长的客运需求不再是难题。动车组集合了一个国家的科学技术，一个国家铁路的运输效率和经济利润直接取决于动车组的快速维修、安全运行和高效调动。德国、日本、韩国以及拥有高速铁路技术的发

3、达国家一直引领着动车组可靠性和稳定性方面的工作，并且取得了显著的成果。高速铁路在我国是一个新兴产业，相关核心技术落后，我国铁路分布纵横交叉，和国外动车组运行环境相比路况更复杂、气候多变不定、使用频率高，不能直接借鉴国外的研究成果，所以就迫切的需要研究出符合我国国情的高速铁路维修决策技术。关键词：动车组；失策检修II引 言 铁路火车车辆的轮对不仅仅是在承载了车辆总重量上高速旋转滚动运行的，还是在运行过程中产生的冲击振动的状态下进行工作的，是其车辆运行的重要部件。也因此车辆的损伤是不可避免的。轮对是车辆运行安全的一个重要因素，虽然随着不断提升的车辆运行速度，提高了车辆轮对运行性能和安全的要求，但是

4、也加大了轮对的损伤程度，因此需要根据其轮对出现的故障，探讨并采取相应的解决方案，使其车辆的轮对运行性能和效益得到有效提升。铁路行业是我国国民经济的大动脉，对我国的经济发展有养决定性的基础作用。目前，随养我国社会发展和科学技术的不断进步，铁路火车也向养重载、高速的方向前进。同时，这一变化也对我国铁路火车的运行检修水平和质量提出了新的、更高的要求和难题。目前，在铁路火车运行故障当中，轮对故障依旧在全部运行故障当中占据养非常大的比重，这些故障严重影响和威胁到我国铁路火车的运行安全，制约了火车运行的提速。同时，给我国铁路行业的建设发展也带来了较大的影响。木文就当前我国铁路火车车辆轮对中存在的常见故障进

5、行分析和总结，并就如何对这些故障进行处理和改进提出自己的建议和看法，以期更好的提高铁路火车运行的安全，促进我国铁路行业的高速高效发展。目 录1动车的国内外研究11.1研究意义11.2国内外研究现状21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状31.3主要维修内容41.4论文组织结构52.状态维修的概述62.1设备检修方式62.2传统检修体制弊端72.3状态检修的产生和定义82.4状态检修的基本原则92.5状态检修的巨大效益92.6状态检修的关键技术102.6.1状态监测112.6.2分析诊断123动车组实时状态数据的监测和显示143.1数据流动过程143.2.1状态信息实时采集173.2.2

6、 G PS信息实时采集183.2.3数据分析与处理193.2.4无线设备通信203.3本章小结224动车组关键部件失效预测224.1失效预测的确定方法244.2本章小节245总结和展望245.1总结255.2展望266.参考文献277致谢28III1动车的国内外研究1.1研究意义动车组中的每一个关键部件都是保障动车组安全运行必不可少的一部分，这些关键部件的可靠性直接影响着动车组的高效和安全所以动车组关键部件的可靠性和管理是动车组维护中的一个突出问题提高动车组关键部件的可靠性和实现以可靠性为中心的维修策略对确保铁路运输的安全、提高安全性、保证高质量的服务、提高经济效益、减低维护成本具有重要的意义

7、，也是铁路快速发展的迫切需要。动车组运维中两个重要的活动是故障处理和维护，也是动车组综合管理活动的重要组成部分，监测故障、分析故障、跟踪故障、预测故障不仅是动车组的科学维护，还可以为动车组确定合适的维修策略。动车组的故障处理和维护是动车组面向跨时代发展的重要内容。由于大量的动车组投入运行，随之产生了大量有价值的信息，怎样将这些运行状态信息和故障数据转化为动车组实施状态维修所需的资源，实现动车组关键部件的故障分析和故障预测，然后解决我国铁路信息化确定维修策略这个重要问题。动车组状态维修的核心技术正是解决这个问题的关键所在。状态维修的主要特征包括如下:1.在机械设备正常运行时，实时获取设备的异常状

8、态:2.获取设备的实时状态后，制定计划进行检测和维修;3.状态维修注重实时性，通过先进的器材和技术确保了实时监测的可行性;4.在获取实时数据后，对这些数据进行分析，确定故障的设备以达到部分维修节约维修成本在铁路领域引入状态维修，分析动车组设备的故障并预测，从而确定动车组关键部件的失效时间进而确定维修策略，具有重要的现实意义。 将状态维修应用到动车组中的主要任务是: (1)通过多角度对动车组关键部件运行中的实时数据进行监测分析，在动车 组全生命周期中应用状态维修，使得动车组始终保持可靠性的运维。(2)分析动车组的故障数据，对故障进行统计和预测，然后将关键部件运行信息反馈到相关制造厂和维修所，改进

9、设备的设计和制造方法工艺，提 高关键部件的质量。 1.2国内外研究现状由于诊断设备故障的技术不断地创新发展，状态维修己经在很多领域应用，状态维修的应用产生可观的效益，尤其在工业界受到了很大的重视，相关理论和实践都有了更深的进展，在一些方面取得了瞩目的成果。1.2.1国外研究现状 动车组信息化研究的技术在国外己经被广泛应用，其相关产业的建设水平己经领先我国。 国外在在动车组检修技术方面已经有了充足的经验，很多发达国家如法国、日本、美国、德国都已经掌握了先进的维修技术，主要以保障动车组可靠性进行优化。通过过去几十年的研究探索，把以前检修策略不足之处列举如下 (1)不能及时对设备进行检修 (2)故障

10、频繁发生 (3)检修时工作出现错误导致不能检修完成 (4)检修工作不能够形成制度化 (S)过多的检修工作造成资源浪费 (6)不能明确检修的目的 (7)对检修工作的分析不够健全导致不能彻底实施 (g)把很多检修工作都交给设备制造方 (9)同组之间检修工作交流经验过少很多国家把状态维修应用到具体的项目中得到了巨大的效益，例如，美国某电力公司建成的变电站采用先进的传感器获取实时数据，再利用先进的故障诊断技术来预测变电站设备的性能和健康状况趋势，然后利用这些数据进行状态维修，这样可以提高变电站设备的可靠性和节约监测和维修的成本。还有些公司把状态维修设备检测和寿命预测技术成功应用到发电机、汽轮机、辅机、

11、锅炉和其他输变网站，美国CSI公司己经为数百家机械设备运营公司提供状态维修的技术支持，7096的美国发电站己经使用状态维修策略。其他国家同样认为机械设备采用状态维修策略可以获得巨大的效益，总结这些国家采取状态维修比传统的维修方式的优势在于 (1)根据设备的实时状态确定检修 (2)以提高设备的可靠性来检修 (3)在设备的运行寿命中通过检修把运营成本降到最低(4)使设备的检查时间和维修时间达到最优化 (5)使设备的更换达到最优化 (6)使关于设备相关资料达到最多化(7)使设备的检修管理达到最优化各发达国家的普遍看法是:在发电站应用的状态维修技术己经很成熟了，应该把这些成熟的技术应用到其他检修项目中

12、。日本就状态维修应用到具体行业中进行了专题研讨，重点是确保状态维修关键技术的成熟稳定和提高设备的可靠性，并且提高设备失效预测的准确度。 现在，很多国外研究机构和学者对于设备失效预测的研究是通过建立复杂的模型，在模型既定的基础上计算出设备的剩余寿命。例如，在比例风险模型预测设备的故障时，将实时监测得到的数据作为变量;设定可能监测设备全部的实时数据，建立随机退化模型来制定最优维修策略;采用协变量计算比例强度模型预测剩余寿命;通过隐马尔科夫模型进行设备故障的预测和诊断:采用随机滤波理论建立通用的设备失效时间模型。 1.2.2国内研究现状相对于国外的状态维修的发展情况，国内的状态维修研究还处于起步阶段

13、，但是国家相关部门高度重视，在国务院颁布的全民所有制工业交通设备管理条例中明确指出，应用以监测设备的实时数据为依据，不断向高水平、高管理的维修策略快速发展。 由于计算机信息化不断地创新提高，这些信息化技术也应用到我国的很多行业领域，在我国的电力设备和状态维修方面起到了推动作用，出现了很多成熟的监测技术和检修策略。例如，清华大学利用其先进技术的优势和成功项目的经验在状态维修方面一直是带路人的角色，其主要的研究成果是实现水轮机的实时运行信息的监测和分析这些监测信息，使水轮机更可靠的运行。这项研究成功应用在三峡电站、湖南江娅电厂、湖南东江电厂、广州抽水蓄能电厂等工厂，通过相关部门的鉴定，清华大学关于

14、状态维修的技术己经达到了国际先进水平，为了我国的状态维修研究做出了重要的贡献。 现在国内对状态维修总体还是刚研究阶段，特别是涉及到实现状态维修的关键技术的理论基础还不是很完善，整体缺乏全面的计划。在实时状态监测方面不能够及时的获取信息，设备失效预测方面和真实的失效信息相差较远。但是对整体状态维修的工作还是积极研究的，也取得了一定的成果，结合我国铁路对安全方面的高要求，对状态维修的工程更是紧锣密鼓的展开。我国是一个人口大国，国民外出使用的交通工具主要还是铁路列车，这就要求加强行车的安全质量和提高工作人员的安全意识，同时使相关机制不断得到完善和加强监督力度，确保我国铁路运输的可靠性和安全性，这些工

15、作的完成就要得益于铁路列车全天候的实时状态监测，保障列车的安全运行和我国铁路的稳步发展。 设备的失效预测都是基于国外的技术发展起来的，目前常用的预测方法主要有人工神经网络预测、回归预测、灰色理论预测、时间序列预测和概率统计预测等方法。不过国内外将状态维修运用到动车组故障领域的例子较为少见，不少是对其他领域的设备进行状态监测然后进行维修，缺少了动车组状态维修的关键技术的研究与实现。1.3主要维修内容 机械设备的故障在发生之前会有一定的征兆，状态数据参数和正常数据会出现一系列的变化。通过先进的仪器和技术实时监控设备的状态数据，采集到的数据参数能够反映出设备的故障状态。 故障诊断和预测是综合分析已经

16、采集到的实时状态信息，根据概率论理论、专家处理系统和信号处理技术的发展建立的失效概率模型对设备进行失效预测。设备维修是前两个阶段状态监测和故障诊断预测的最终目的。根据第二个阶段建立的设备预测模型可以得到设备还可以运行的剩余时间，结合设备的初始使用计划，剩余运行时间能不能够支持设备完成下一个计划任务，来确定对设备进行实时维修或是更换新的设备，如图1-1所示1.4论文组织结构第一章:引言，介绍动车组状态维修的研究背景、研究意义、研究现状、论文研究的主要内容及章节安排。 第二章:介绍了动车组状态维修的概述，描述了状态维修运用在动车组中的重要性和涉及到的关键技术。第三章:研究实现了实时状态数据的监测和

17、显示，详细说明了如何通过硬件设施获取动车的实时数据并通过无线装置传送到地面部门进行分析和显示。 第四章:得出了动车组关键部件的失效预测方法。通过概率论理论实现动车组关键部件失效预测的具体方法。第五章:总结与展望，目前所完成的工作，提出了未来工作的方向。2.状态维修的概述 由于社会科学技术的发展和生产力的进步设备检修的方式方法也是不断变化。由传统的维修方式发展为如今应用广泛的状态维修，要实现动车组和状态维修的结合，一定要充分了解掌握状态维修的理论和技术。2.1设备检修方式 之前以蒸汽机为代表的工业革命，蒸汽机的维修都是出现故障以后再采取具体维修方法，这种维修属于故障检修或是事后维修。再发展为以电

18、力设备为代表的产业革命，由于电力设备的重要性，不能在设备出现故障后再进行维修，所以需要提前对设备进行维修以使设备可以一直正常运行，这种检修的方式称为预防性检修，由于这种检修的优势明显，随着技术的发展以及对安全程度的不同要求，在预防性检修的基础上又出现了若干种检修方式，例如，在故障出现之前的一段时间进行检查和维修的定期维修。之后出现了比较流行的状态维修，也称为预知性维修。状态检修就是以设备实时运行的状态为重要参考，依靠先进的仪器和设备实时获取监测设备状态，判断设备的健康情况。状态维修是现在最先进的维修策略，在机械设备运用状态维修可以提高设备的可用系数和可靠性、增长运营的时间、减少设备维护的成本、

19、增加经济效益、提高设备的整体性能。以上所提到的几种检修方式并没有具体的区别。下图2-1为各种设备维修的方法。设备管理检修方式事后维修又称为故障性维修或是修复性维修，是在设备出现故障之后，按照维修要求对设备进行维修，使设备可以正常运行的状态。事后维修中，在时间上也分为延时维修和及时维修，有些故障出现后不影响设备的安全仍可以使用，需要延时维修，加大监控强度。定期维修是根据设备的使用时间作为参考，达到设备及其关键部件的使用寿命时，这是提前判断进行预防性维修的方式，主要就是提前判断设备可以运行的具体时间极值。采用这种维修方式是简单方便的，容易掌握控制维修的时间，提前安排维修的计划，在管理上工作任务明确

20、、简单。不足之处在于设备的寿命分布计算不准确，设备一定要有损耗的变化过程。还有，定期维修换取一些设备时会影响其他设备的可靠性。状态维修是依据设备以及其关键部件的实时状态来进行维修的方式。设备的维修时间是不确定的，也不要求设备的规模和组装程度，现在利用监控器、传感器等先进的技术设备基础上确定最佳的维修时机。优点是减小操作误差和工作量、提高维修的高效性、充分使设备发挥出最佳性能。缺点是相关费用较多、所用到的设备较贵重和危险、参与维修人员的综合素质要求高。在具体实际的设备维修项目中，选择最佳的维修方式是关键点。选择维修方式时应该考虑故障产生的后果、安全性和经济性。综合以上所述的维修方式可以得出维修方

21、式只分为预防性维修和非维修。2.2传统检修体制弊端如今的机械设备都是复杂化、大型化、大容量、高参数的设备，产生的经效益、安全性能、运营状况都对社会有深远的影响，对这些设备的维修要求也更严格，维修产生的费用在设备生命周期中占了一部分，维修的时间也增加。各个国家对于维修的费用也是相当巨大的，但是投入和产出完全的不平衡，付出了很大的精力维修之后的效果还是不够，有些设备不需要维修进行了维修，有些设备维修之后还存在故障汇3，主要表现为如下几点:(1)经常性维修。有些设备由于经常性故障不能和其他设备统一进行维修，在其他设备正常运行时要强迫停止等待这个设备进行维修，经常由于一个设备的维修打乱了整个的维修计划

22、。(2)维修不足。有些设备出现了故障，但是没有到计划维修时，只能在有故障 的情况下和其他设备一起运行，这样往往造成情况恶化，增加维修的难度， 导致重大的损失。(3)维修过剩。设备正常运行时进行维修，这样造成了设备财力、物力、 人力的极大浪费，有时会出现维修故障。(4) 无目的维修。在实际的检修时，很多检修项目都是在框架之内的，有的按照制定好的检修， 需要维修的设备没有引起足够的重视，这主要就是源于维修目的性不足。 传统的若干种维修方式都存在很多需要改进的地方，所以对现在复杂的机械设备要采用更科学、更先进的维修和管理策略，充分满足社会的要求。2.3状态检修的产生和定义在以信息技术快速发展的第四次

23、产业革命，机械设备的维修开始向预知性维修发展，主要就是检测设备的状态和诊断设备的故障。状态维修是预防性维修，提前在故障和损失发生之前进行检修，也是可靠性维修，确保设备能够安全运行，所以状态维修也是预知性维修，是预防性维修和可靠性维修两种方法的结合。状态维修的概念简单定义如下:根据实时监测得到的设备实时状态，通过状态监测技术和诊断分析技术合理制定维修计划的一种检修方式。状态维修就是根据设备的实时工作产生的数据，而不是以前以设备工作的数据为参照，依据先进的状态监测技术、失效预测技术、可靠性评估技术确定故障的发生和运行时间。对关键部件故障的发展趋势、严重程度等条件进行判断，在关键部件的性能下降到产生

24、损失的情况下进行的维修。 设备从开始正常运行都会经过一个阶段直到设备发生故障，在这个故障发生的过程中可分两个区域为潜在故障和功能故障。潜在故障就是设备在发生功能故障之前，但是这个阶段设备是可以运行的只是一些实时参数显示不正常，例如动车某车厢闸片厚度即将达到临界值，暂时可以起到刹车的作用。功能故障就是设备已经不能正常工作，完不成设定的任务，例如动车动力装置温度过热，这样发展下去会导致动力装置失效,动车组就会采取措施来预防和避免故障的发生，防止发生严重的后果。2.4状态检修的基本原则状态维修就是视情况维修，以实时监测为依据，分析诊断故障数据制定维修计划，这种维修计划是确定设备需要维修时才进行。对关

25、键部件的维护很好，提高设备工作的效率，降低设备的维修成本。状态维修主要包含状态监测、故障诊断和维修三个方面的内容。设备状态的监测就是实时监测设备的数据。现在的监测技术己经有了很大的进步，由传统的生物本能的感官反应判断到如今的通过先进的仪器，利用电学、光、声、震动等相关理论以及信息处理技术、测试技术、计算机技术、识别技术等。在设备中常用的检测技术有气体污染检测、油液污染度检测、温度诊断技术、磁粉探伤检测、超声波探伤检测、射线探伤检测、目视一光学测量技术、音响检测技术、振动检测技术。监测机械设备的状态主要采用以下几种方法,时状态监测。通过专业的先进仪器连续不断的监测设备状态，随时了解设备的各种正常

26、和异常信号。 非实时监测。设备产生的数据首先保存在固定内存里，在一段时间之后，由技术人员采用数据采集仪器对设备的数据进行采集。 诊断设备的故障首先要在监测设备状态时所获取的状态数据的基础上，分析这些数据得出故障发生的时间、性质、部位、原因和故障发展的趋势，预测设备的失效时间分布是这个阶段的主要的目的，也是状态维修最主要的关键技术。设备维修是设备状态监测、诊断故障之后最终目的，状态维修的不同之处在于:状态维修是在故障出现之前制定的一种维修策略，是预先监测控制设备将要出现的故障。和传统的设备事后维修是不同的，事后维修是在设备运行中出现了故障，导致设备不能够正常运行之后制定的维修策略。 状态维修是在

27、制定计划的基础上实施的，他和定期维修也是不同的。定期维修是严格按照既定的计划，己经制定好的计划不能根据设备的实时变化而进行变化，导致按照既定计划不能满足故障维修或是维修不足。而状态维修是首先采集数据，根据实时数据的变化来制定维修计划，对于设备的维修是适时适度的。状态维修主要是预测出设备的状态趋势，准确得到实时监测数据是基础，然后制定维修计划，针对不同情况进行维修。2.5状态检修的巨大效益状态维修是通过先进的技术制定科学的维修计划，并且提高了设备的利用率，因此是最节约成本的一种维修策略，状态维修为设备的优质运行、全性能、长周期、稳定、安全提供了管理保障和可靠的技术。从发达国家总结的项目经验可得，

28、在电力行业己经证明状态维修是最节约资源有效的一种维修策略。在美国一些行业采用状态维修会带来巨大的社会和经济效益。从电力行业采用状态维修的统计来看，每年的净收益大幅度的逐年增加，这些巨大利润形成原因在于修必修好的结果、做到了应修必修、降低了小修频率、延长了设备大修间隔。防止了一些设备维修过剩或是不足导致的重大事故和损失，节约了企业的资源。 在我国，山东电力工业局制定的“管理状态维修的方法”中强调对全省的机械设备的维修将逐步推行展开，一些己经实施状态维修的企业得到了很好的效益，10%的设备减少了临时维修的次数，20%总体的工作量减少，设备运行的生命周期得到了延长:变压器从之前的使用5年变为如今的使

29、用10年LNa 总而言之，在实施状态维修的电力行业中获得巨大效益有如下几个方面: (1)延长设备的运行时间 (2)减少设备检修的次数 (3)节约了设备维修的成本 (4)增加了设备的可靠性 (5)提高了设备的可用系数 (6)延长设备定期检查的时间间隔 (7)改良了设备的性能 (8)增加了电厂的发电指数 (9)增加了电厂的可用系数 (10)为电厂的正常运行提供了保障2.6状态检修的关键技术维修就是以设备实时运行的状态数据为基础，通过计算机技术、电子技术、可靠性分析、预报决策、系统理论、模式识别、信号处理、传感检测技术和相关专业领域成熟的研究成果，主要实施对象是机械设备，实时监测设备运行中的二次效应

30、(机械力学参数、电磁参数、热力参数及其他性能参数)和其动态变化，在保证设备能够正常运行的情况下，对设备实施状态的监测工作，然后分析判断有无故障、故障发展变化趋势、故障严重程度、故障部位、故障种类等信息，判断设备的性能是否可以完成既定的任务，之后制定处理结果和维修计划91。所以，状态维修的一个完成工作流程有四个方面的主要内容:设备的状态参数的实时监测、设备状态分析预测、分析诊断设备的故障、设备维修计划。监测设备状态的技术和分析诊断设备故障的技术是状态维修中的重要部分，也是状态维修中的关键技术，同时也是本文研究的重点内容，包含动车组实时状态数据的监测显示和动车组关键部件的失效预测两个方面的核心内容

31、。详细过程分为三个主要环节:状态监测、分析诊断和治理预防，这三个主要环节是相互依存的一个循环，确保了实施对象的安全运行，如图2-2所示。2.6.1状态监测监测设备的实时状态就是采用先进的仪器监测显示设备的实时数据信息，这些数据能够真正代表设备的运行状态，例如:转子的热应力、金属材料的磨蚀、动静部件的碰磨、机械的震动等信息。现在己有的设备监测手段有很多种，按照监测设备的特点分为如下几个方面: (1)监测动力学特征:设备以声波、脉冲波和震动波等信息传递给监测仪器。 (2)监测电学的特征:设备的电压、导电性和电阻等特性的变化作为传递信号。 (3)监测化学的特征:设备的化学物质发生了变化作为传递的信号

32、。 (4)监测物理的特征:设备的结构尺寸和物理特性等发生变化作为传递信号。 (5)监测温度的特征:设备的外界温度和本身温度的变化作为传递信号。 (6)设备光谱的特征:通过光谱分析可以得出元素的浓度值，然后判断设备的损耗规律和程度。 (7)设备颗粒的特征:在设备运行中通过颗粒的形状和大小变化值作为传递信号。如今的监测技术由传统的通过人的鼻闻、手摸、耳听、眼看等方法逐渐转变为通过科学的先进仪器监测设备的状态参数进行判断。如今的监测技术更客观、真实、准确地分析出设备状态的变化趋势，而且现在的仪器都是可以综合监测设备的多个特征的参数值，然后进行合理的分析。如图2-3所示2.6.2分析诊断分析诊断设备的

33、实时信息由两部分组成:分析处理实时信息和诊断设备的故障。处理设备的实时信息就是通过一定的方法把设备产生的数据转化为我们可以识别的有用信息。为了充分分析提取这些实时数据，要通过一定的数据处理协议和传输渠道以及专业的数据处理仪器。只有第一步实时信息的处理工作完善才能准确的诊断设备的故障趋势，处理信息过程中的方法和仪器都影响着故障诊断的预测结果。 诊断设备的故障就是把设备运行的正常状态信息和实时获取得到的运行状态信息进行对比，进而判断设备是否出现故障。如果设备突然转变为故障状态就需要进一步判断故障的详细信息，例如设备故障的趋势、部位、原因、程度等信息，这样以便于下一步进行设备维修的具体计划。如今己经

34、有了大量的诊断设备故障的理论技术。根据一些发达国家对故障诊断技术的应用总结，德国的Frank教授的观点是现在诊断设备故障的技术方法可以归为以下三种:基于信号处理的方法、基于解析模型的方法、基于知识的方法2.7本章小结本章介绍了状态维修的总体概述，状态维修的发展经历了漫长的过程，在检修现代化机械设备方面，更能适应设备的维修特点，与传统维修方式相比采用状态维修的显著优点，并且简述了实施状态维修中的关键技术是状态监测和分析诊断。3动车组实时状态数据的监测和显示为了在动车组中应用状态维修保障动车组达到更可靠、更安全的运营，铁路调度部门合理安排动车组的调度计划之外，还应该对正在运行的动车组及其关键部件实

35、时状态进行监控，及时准确地了解动车组运营的情况。如果动车组生产商、地面动车运用所检测部门、地面调度部门、随车技师和司机能够系统、全面、时地了解动车组运营的实时状态，那么更能保证动车组安全、可靠、高效地运行。动车组运用所检测部门和调度部门要想及时监测获取动车组运行的实时状态和动车组关键部件运行时的数据进行状态维修，前提就是通过成熟的监测技术来获取动车组实时运行时的状态信息。动车组状态维修策略中监测部分主要就是采集实时数据信息，然后通过有效途径进行传输到地面，最后在地面显示川。在本文中采集的实时数据信息包括GPS数据、故障数据、状态数据，传输数据主要通过无线途径进行传输，把采集到的GPS数据、故障

36、数据、状态数据通过私有协议进行处理分析后传输到无线传输设备，然后无线传输设备通过通用分组无线服务技术将采集到的数据传输给地面部门进行显示，以便于动车运用所检测部门、地面调度部门可以实时了解动车组的故障情况和实时运行情况，是动车组向着现代化、信息化、科技化的方向发展。3.1数据流动过程动车组正常运营时，为保证动车的安全运行，动车司机要通过动车显示界面不断地注意动车的故障信息、关键部件的状态信息和动车组的运行状态。在我国的动车组关键部件中有一个设备称为中央控制装置，这个装置的作用就是连续的把动车组的实时数据显示在动车组的显示控制装置，当中央控制装置采集到动车故障信息数据包时，会把故障信息发送到显示

37、控制装置，显示控制装置收到故障信息数据包后，通过分析处理把故障信息显示在动车组显示屏上0动车组中的中央控制装置不断的向显示装置发送数据包，此时的数据包就是动车组运行产生的实时数据，本文研究的数据主要就是从中央控制装置得到的数据包。在中央控制装置收到动车组的实时数据包时，通过私有协议发送到信息采集设备上，采集设备对收到的数据包进行校验，根据校验的结果发送相应的应答包，中央控制装置根据收到的应答包来判断是否需要重新重复发送刚才的数据包或是直接发送下一数据包。信息采集设备收到实时数据的同时也在采集GPS数据信息，由于动车组的实时运行信息都是一些关键部件的实时信息，并不包含GPS信息，所以信息采集设备

38、还要单独对动车的GPS信息进行采集。 信息采集设备收集到动车组实时数据和GPS数据后，然后进行分析处理，把分析处理后的数据通过无线网络发送到地面前置机设备中，前置机设备主要就是接收采集设备发送的信息，然后对发送过来的数据进行存储转换成显示屏显示的数据，如表3-1所示。动车组的数据监测必须具备数据流动的条件如表3-1 为了满足上表中所涉及的数据流动条件，必须研究实现相关技术。首先应该有进行嵌入式开发的信息采集设备，以便于实时采集动车组运行的实时数据和GPS信息数据，并且同时对这些采集到的数据进行分析处理，按照制定的私有传输协议将数据包发送出去。然后，需要一个无线传输设备来接收采集到的实时信息，并

39、且通过GPRS网络把采集到的信息打包发送到地面。在采集数据设备中，要制定完整的动车组传输数据通信协议以便于和动车组中央控制装置进行传输信息，达到传输实时状态信息的目的。这个协议具体规定了两个设备之间传输信息的时间限制，并对两个设备之间传输信息的标识符所代表的具体含义做了详细的说明，在协议中两个设备传输的标识符类别如表3-2所示。 从上表中得知，动车中央控制装备和信息采集设备之间的数据主要有两类:第一类是状态数据，就是动车组运行的状态信息，用SDR来表示，第二类就是附加数据，这些数据主要是动车组产生的故障信息，由于动车组一旦出现故障很容易发生意外，所以在这里本文单独进行传输，一旦有故障数据就会在

40、地面显示屏中显示提示工作人员及时进行处理防止意外事故，用LDR来表示。信息采集装置接收到SDR数据后进行校验处理，回复相应的应答信息，用SD来表示。信息采集装置接收到LDR数据后进行校验处理。如图3-3所示3.2数据采集和处理 通过信息采集设备和无线传输设备的功能，在监测动车组的实时状态中主要解决的四个方面的内容是:采集实时状态信息、采集GPS信息，分析处理数据和无线传输数据。各方面的内容如图3-4所示3.2.1状态信息实时采集 本文采集的动车组实时状态信息就是动车上原有的中央控制装置中的保存的实时状态信息，然后进行传输，使得这两个设备按照制定的协议不间断的传输数据。 采集动车组上的实时数据信

41、息的关键点包含以下两点: (1)通过动车组中央控制装置和采集信息设备的传输而获得实时、完整、准确地数据包，并能对发送的数据进行分析区别。 (2)在采集信息设备接收到数据包后，根据水平奇偶校验方法对数据包校验， 并在一定的时间内回复校验结果。 采集信息设备采集动车组的实时状态数据和GPS信息，然后分析处理数据以及通过无线设备进行传输。为了实现采集信息设备的功能，在具体的设计实现中设计四个子功能，通过Linux的多任务特性，为每一个子功能创建一个进程，四个进程并行执行就是四个子功能同时工作来完成采集信息设备的功能。规定采集动车组的实时信息对应进程一完成，采集动车组的GPS信息对应进程二完成，分析处

42、理采集得到的信息对应进程三完成，无线传输实时信息对应进程四完成 这四个进程可以同时并行执行任务，进程一通过制定的协议连续与动车组中央控制装置进行交互，接收实时原始数据包，将这些原始数据包存储在预先创建好的缓冲区内，然后就继续接收保存数据;进程二采集动车组实时GPS信息，和进程一相似也是将采集的原始GPS原始数据包处理保存到进程一创建的缓冲区中，然后继续接收处理GPS信息;进程三主要进行对数据的分析处理，从已经存储数据的缓冲区中读取数据，对数据进行分类，将处理后的数据保存到预先创建好的另外一个缓冲区中，然后继续读取分析处理分类;进程四从进程三创建的缓冲区中读取分析处理后的数据信息，按照己经制定的

43、协议将数据传输到无线传输设备中。 3.2.2 G PS信息实时采集 采集GPS信息时，规定每一秒接收一条数据，每一个数据包含$GPVTG,$GPRMC,$GPGSV, $GPGSA, $GPGLL, $GPGGA六种格式的数据信息，每一种数据信息都是以OXOA, OXOD的格式结尾，在$GPRMC, $GPGGA格式的数据信息中有需要的数据，因为这两种格式的数据是连续接收的，需要从这些数据中分析处理提取出有价值的信息，最后通过解析获得GPS数据。采集GPS信息过程主要为如下几点: (1)从每一秒接收的数据中分辨出六种格式的数据，并保存在临时创建的数组 中。 (2)对保存在数组中的数据，处理成六

44、种格式的数据，对每种格式的信息进行解析。 (3)按照制定的协议把解析的数据组成动车组的GPS数据。 妥焦GPS信息的流程图如图3-5所示。3.2.3数据分析与处理 在采集信息设备中分析处理数据是主要内容，也是关键技术，是获取数据的加工厂和分析室，是连接其他几项内容的纽带。在上一节对数据分析与处理进行了需求分析，将此功能分为如下五个子功能:删除过期文件、自检设备、格式化与打包数据、分类存储数据、压缩文件，子功能如图3-6所示 (1)删除过期又件在处理分析数据时，首先检查在各个缓冲区中的各种数据是否过期，如果有些数据的保存时间超过了规定的时间界限，那么这种数据已经过期了，应该及时删除，增加缓冲区的

45、空间以便存储实时信息。(2) 自检设备 采集信息设备开始工作时，对设备进行初始化有两个作用:一是清空上次工作的缓存;二是确保此设备能在正常工作的状态。例如，串口的通信情况、网络的连接情况，能否按照制定的协议进行工作等(3)格式化与打包数据各个设备之间的通信都是通过固定的协议进行，在协议中规定了传出数据包的格式和组成。所以，要完成设备之间的通信必须将状态信息和附加信息进行格式化，在结合采集的GPS信息合并成新的数据包进行传输。(4)数据分类存储 采集信息设备接收到中央控制装置发送的实时数据时，经过分析处理，根据动车组的编号把这些实时数据分成四类数据分别存储:累计电力与空转滑行数据、故障通告数据、

46、实时故障数据、状态信息。累计电力和空转滑行数据虽然不是动车故障但是会导致动车组发生故障，所以把这些数据归为一类:实时故障数据是动车组某部件发生异常状态是故障信息:故障通告数据是在动车发生故障时发送到相关部门和人员的通知信息;状态信息时动车运行时的正常状态信息。 (5)文件压缩 采集信息设备接收到状态数据时，将这些数据进行压缩发送给无线传输设备，然后无线传输设备发送到地面。这个阶段的文件压缩的主要目的就是提高传出的实时性和减少传输时间进程三流图如图3-7所示 3.2.4无线设备通信 (1)添加帧头和帧尾根据数据传输协议可知，无线传输设备向地面传输实时数据帧时不是单独的经过分析处理得到的数据包，还

47、包含了数据帧的帧开始标识、校验、数据长度、上次通讯状态、数据类型、从机地址和帧结束标识，所以需要把这些信息放在数据帧的帧头和帧尾，在和数据帧一起组成完整传输的新数据帧。(2)采集信息设备和无线传输设备之间数据传输采集信息设备通过串口向无线传输设备发送不同的命令，时间间隔为200ms,无线传输设备根据接收到的数据发送相应数据，时间间隔为100ms，这两个设备之间的交互通信要按照一定的时间要求和先后顺序进行。传输数据的流程图如图3-8所示。3.3本章小结本章主要对动车组实时状态数据的监测和显示做了详细介绍，根据监测显示数据的总体需求，完成了动车组实时状态的监测和显示。 4动车组关键部件失效预测 机

48、械设备在使用的过程中会遇到各种故障，为了能降低运行成本和提高设备的性能，科学合理的预测出设备的失效时间是至关重要的。但是在具体研究实现中各机械设备有不同的用途和类型，具体采用什么样的方法来预测设备的失效时间是难点川。设备生产商了解设备的生产工艺，在研究设计设备的过程中积累了大量的试验数据也能够给出设备的运行寿命。机械设备都是更新换代的，随着科学和生产工艺的进步，总结老产品的不足，在新产品的研发研制过程中改善老产品的缺陷，所以在生产商生产设备时己经有了充足的经验和数据来预测出新产品失效时间。在各铁路局订购动车组和相关设备时，己经从生产商那里获取了设备的大概失效时间，生产商也是提供失效值来参考。但

49、是，由于我国铁路所处的环境复杂，覆盖的面积广、气候变化多样、所在环境多样等条件，使得生产商提供的失效值不能供铁路局参考。我国己经有40年的列车生产经验，各个组织机构一直致力于研究列车及其设备的失效值也有20年了，不过到现在也没有详尽准确地方案来预测机械设备的失效时间，这种情况一直在有关部门的努力下慢慢改善设备的失效时间是一个重要的参考值，在设备的使用过程中很多方面都需要用到这个参考值，例如: (l)在动车组生产过程中有很多关键部件，动车组正常的运行就是由这些关键部件保障的，关键部件的失效值直接关系着动车组能够运行的时间，所以 需要了解掌握动车组关键部件的失效时间，在一个特定时间进行检修，如 果

50、关键部件陆续的进行维修，那么动车组将不能正常运营。 (2)在机械设备运行过程中，需要提前知道设备的失效时间，以便于管理和安排维修计划，防止发生重大事故。 (3)在动车维修段中管理设备和库存、设备生产中的规划、管理、生产，这些 阶段中都要知道设备的失效时间。 (4)动车组中的每一个设备在运行时都有一定的预算，而设备的失效时间是决定设备预算的第一要素。 (5)在进行产业生态学研究和环境评估时，设备的失效时间在新的环境管理中 的产品的寿命周期评价中是重要的参考值。 可以看出，机械设备的使用失效值在设备的生命周期中的各项任务都影响重大，关系到设备的经济性和维修方案，尤其是动车组作为一个构造复杂的产品，

51、提高铁路行业的经济效益和运输能力的前提就是科学合理的预测出动车组关键部件的失效时间值。4.1失效预测的确定方法本文通过监测、显示、分析、处理动车组的实时状态数据信息，研究动车组状态信息目的就是为了准确预测动车组关键部件的失效时间，所以就需要充分查明故障的模式、故障的原因、故障的机理，分析故障的发展趋势，改进动车组的维修方式，提高动车的有效利用和可靠性。利用数学中的数理统计理论和方法来分析动车组的故障模式和预测动车组关键部件的失效时间，定量研究故障规律，在实时监测状态数据基础上进行分析处理。动车组的安全运营就是保证动车的可靠性，对动车组关键部件进行故障统计的特点就是以统计的故障量为依据，然后对动

52、车组关键部件进行可靠性的分析，在计算统计时，使各个参考值量化，这些量化的指标在故障可靠性计算中作为特定指标，所以动车组关键部件的故障分布和可靠性指标具有一定的内在关系。4.2本章小节本章主要介绍了动车组关键部件的失效预测，从动车组关键部件的疲劳寿命和经济寿命两个方面进行预测，描述了解决这两个预测方面的具体方法。并且利用概率论理论预测动车关键部件的失效时间，结合动车组具体的关键部件牵引电机将牵引电机预测结果和实际结果进行对比显示预测的失效运行时间和实际的运行时间大体一致。研究实现了动车组状态维修中分析诊断的关键技术。5总结和展望5.1总结 为了满足社会的快速发展对铁路客运的需求和国民经济的增长，

53、我国铁路系统需要完善结构、扩大规模、迅速提高装备水平、快速扩充运输能力和提高服务质量。而且，我国信息技术的飞速发展，在现代各个行业建设中信息技术都占据着重要的地位。在铁路行业只有充分利用信息技术的优势，才能够提高铁路的运输能力、确保铁路运输安全、完成对运输装备寿命分析、增强铁路技术装备检修水平，实现铁路行业的跨越式发展。我国高速铁路大规模的运营动车组意味着铁路的发展己经迈上了新的台阶，动车组的成功运营已经有两年多的时间，从社会的反馈能够看出，人们趋向于出行选择动车，动车组在我国必然成为最主要的交通运输工具。相应的动车组的可靠性和安全性的要求也越来越高，要提出一个新的高标准的要求使得动车组的运行

54、万无一失，这就需要实时了解动车组的运行状态，首先就要研究实现动车组的状态监测和寿命预测，以此为依据确保动车组的安全运行。 在这个背景下，本文使状态维修和动车组的安全运行结合起来，对动车组实时状态的监测和关键部件的失效预测进行研究，通过分析处理实时信息和故障数据使铁路局制定合理的维修计划。本文所做的工作和研究成果如下: (1)将计算机技术、动车组与状态维修相结合 随着计算机技术的发展，计算机在各个行业中的都占着重要的地位，计算机学科与其他学科都有交叉并且产生新的学科，这些交叉学科都是各个行业研究的重点。本文将计算机技术、动车组与状态维修相结合，为研究动车组状态维修的关键技术提供重要方法。状态维修

55、在电力行业应用己久，并且不断地探索研究，我国动车组的检修管理方面存在着很多不足，动车组是高速、组装复杂的设备，传统的维修方式己经不能满足动车组的维修，为了保障动车组的安全，必须实时根据动车组的运行状态来制定维修计划。状态维修正是基于状态的维修，满足了动车组的维修需求。 (2)实时监测动车组运行状态 通过研究设计动车组采集信息设备和无线传输设备对动车组的实时状态信息进行采集，根据制定的内部协议采集传输动车组实时状态信息、GPS信息、分析处理数据和无线传输到地面铁路部门进行显示。相关人员依据显示的信息对故障进行处理，研究实现监测动车组实时状态信息为动车组维修人员提供重要的维修参考和制定维修计划。

56、(3)实现动车组关键部件的失效预测以实时监测动车组的状态信息为依据，对动车组关键部件进行失效监视、跟踪、分析和预测，本文通过深入的研究，掌握了动车组故障的基本情况和预防的设计方法，同时讨论了各故障函数之间的关系，实现了动车组疲劳寿命和经济寿命计算的方法，利用概率论理论成功预测动车组关键部件的失效时间序列，为铁路部门及时制定检修计划提供依据，完善动车组的故障维修管理，保障动车组安全运营。5.2展望我国高速铁路的发展和国外发达国家相比还处于起步阶段，四种己经投入运营的动车组车型都是从国外引进的，我国至今还没有自主成功研制的动车组车型，动车组的核心技术我国还处在严格测试阶段。本文虽然将状态维修引入到动车组的维