铁路货车转向架故障规律分析与维修策略的研究

摘要随着我国铁路的提速，对转向架维修策略的研究成了当前亟待解决的问题。本文以C80货车的转K6型转向架为研究对象，利用故障模式影响分析方法对转各故障进行等级划分，对转K6型转向架的轮对两轮直径差超限、轮对踏面圆周磨耗过限、轴箱橡胶垫裂纹等17个故障的严重度、发生度和可检测度分别进行了四个等级划分，根据三者乘积，得出风险顺序数，由高到低进行排列，确定了轮对发生次数较多的故障为两轮直径差超限、踏面局部凹陷、踏面圆周磨耗过限和轮缘厚度过限，侧架发生次数较多的故障为轴箱橡胶垫寿命过期，摇枕发生次数较多的故障为轴向橡胶垫寿命过期和轴箱橡胶垫寿命过期。关键词：踏面；寿命；故障第1章绪论1.1研究背景及研究意义铁路货车不仅是铁路运输过程中的主要设备之一，更是铁路运输工作得以实行的基本物质条件。运输质量大、成本低且能源损失小等是铁路最主要的优势，也就是说，铁路在大中流量的中长距离上运输乘客和货物方面具有绝对的优势，是目前最适宜于我国国情的运输方式。据中国铁路总公司2018年统计，我国铁路货运总发送量己达到31.91亿吨。同时，由于铁路运输是目前货物运输方式中最为经济环保，因此“公转铁”即公路运输转铁路运输在车辆工程行业中的呼声日益高涨。2007年，我国铁路成功的实现了第六次的大提速，全国主要干线的货车行驶速度已基本达到时速每小时120千米，甚至有部分铁路货车速度达到了160千米/小时⑴。我国的铁路现状是客运与货运共同使用，运输质量大，密度高，对线路和车辆造成的损伤大，这种运输状况将不可避免的限制铁路进一步提速的空间⑵。铁路货车是铁路货运的重要载体，在承重、颠簸、侵蚀等外部因素，以及车辆与车辆之间的正常碰撞、摩擦、振动、冲击等其他因素的影响下，车辆各部件自始至终都处于长期损耗状态。当车辆部件磨损一段时间后，会影响车辆的技术状态和行驶质量，甚至造成重大事故。2016年4月20日，某电厂2道翻车机在作业中造成C70车辆脱线，由于翻车机压力机构液压站缺油，导致压车镐、靠车镐压力不足、不均衡，造成翻车机压不住被翻车辆，使车辆在翻卸、牵车推进时脱轨。2016年2月27日，某钢铁公司翻车机操作员在翻卸车辆时，离开操作台到窗口查看邻线空车清车情况，翻车机自行翻卸过程中，由于拨车机脱钩装置在脱钩时有阻滞，造成车辆没有及时脱钩并将车辆带出翻车台2米，而翻车平台的光电感应开关失灵，没有及时停止设备翻转而继续翻车，造成车辆南端第一担轮对西面压崩出口处的西侧钢轨，导致车辆脱线。1.2国内外维修策略研究进展1.2.1国外维修策略研究进展在对铁路货车进行寿命预测的过程中，最重要的是根据车辆实际的状况和当前的修复程序，建立该对象最适合的寿命分布的数学模型。经过对相关文献的广泛查阅，寿命模型总结如下：1.两状态模型，适用于具有工作和故障两种条件的系统。E.Zio和M.Compare两位学者就某一零配件表面出现的裂痕展开了相关研究，通过对系统的使用年限服从指数、伽马和威布尔分布的假设，同时考虑到各种不同维修方法产生的影响；2.多状态模型，例如，马尔科夫链、贝叶斯网络和遗传算法等，适用于系统退化中存在多个介于完好与失效之间。1.2.2我国维修策略研究进展李群湛、刘航等学者皿提出一种维修决策模型，以可靠性为基础，最小维护成本为目标，以马尔可夫模型为方法，并结合系统的维修时间、状态转移概率等影响因素，计算出组合式同相供电装置维修的最佳时机；谭建华回釆用故障树分析方法对工程机械进行多层次、系统性的诊断和分析，确保能够准确地找出故障并进行全面诊断；刘璐洁、符杨等人听基于数据包络分析法，从检修费用、可靠性等方面进行比较分析，通过构造出维护优先数，来决定海上风电机组各个部件的维修方式及次序。1.3铁路货车检修制度现状1.3.1国外铁路货车维修研究现状对铁路货车车辆检修制度的研究，最终目标都是以最低的经济成本来获取最高的车辆运行质量和车辆使用效率。由于各自国情和技术能力的不同，世界各国在铁路运行和设备维修管理等方面也存在着多种差别。从各国货车车辆的检修制度方面来看，都有着值得我国借鉴和学习的地方。本节通过选取铁路货车检修制度相对完善的美国与俄罗斯,简单介绍和分析这两个国家铁路货车检修制度的基本情况，这对我国铁路货车检修制度的改革具有重要的参考意义。（一）美国铁路货车检修制度美国铁路货车采用的检修制度属于预防计划修，其中以状态维修为主，定期维修为辅。美国铁路货车中，只有专用车辆和专列货车采用定期维修，对于其它车辆，一般都是在通过大规模车站时，由检修人员在现场对车辆进行技术状态检查，并按照规定来决定是否对车辆进行维修、检修通常包括四个修程和日常维修。（二）俄罗斯铁路货车检修制度 铁路负责俄罗斯80%的货运和35%的客运，是其最重要的运输方式。自2000年以来，俄罗斯不断改革铁路, 在铁路运营管理方面不断完善，检修制度也不断趋于合理回。俄罗斯当前实行的是计划修与日常维修相结合的货车车辆检修制度。计划修包括大修和段修，日常维修主要是列车检查。具体可以概括为：规定新造车或大修后使用期增加的货车下一个计划修的运行里程是21万公里，并对其运行时间作出限定为36个月。规定大修后的货车下一个计划修的运行里程为16万公里，且将其运行时间限定为24个月；规定段修后的货车下一个计划修的运行里程为100万公里，其中敞车的运行里程规定为11万公里、整修平车的运行里程规定为12万公里，并限定货车运行时间为24个月；若重车在其运行过程中达到规定运行里程时，将同意该车辆超出1万公里的定额距离再进行检修。（三）其他国家铁路货车检修制度在日本等铁路运输较为发达的国家，他们车辆的维修是结合车辆走行里程数进行的;日本铁路详细规定了各种维修等级的维护周期和车辆运行里程，并且在运行检查和临时检修过程中还采用了以状态修和事后修为辅的检修模式作为补充。1.3.2我国铁路货车维修研究现状我国铁路货车检修制度从新中国成立后经历了四个阶段，直到1993年，才初步形成现有的制度，目前我国铁路货车的检修机制重点是计划预防修，根据货车的维修内容大致划分成日常临时修理、定期维修：我国货车的日常维修有以下两类：一类是运用维修。一般是由线路上各列检作业场的工作人员来进行作业，主要是进行的基本车辆技术检查，发现并排除货物车辆在运行过程中产生的各种故障，《铁路货车运用维修规程》中详细的说明了各类技术作业处理故障的范围。另一类是临修作业。通常是由各站修作业场进行作业，检修的是铁路沿线的列检作业场在作业中发现的但在现场无法解决的车辆故障，但车辆还没到定期的维修周期，在这种情况下，工作人员应该根据规定将该车辆进行摘车修，再将其送入检修场进行检修。在维修过程中，对发现的故障问题遵照全面检查、重点维修的原则进行维修和处理，确保其在剩余的检修周期内有良好的技术状态，保证车辆运行安全。1.4我国铁路货车检修制度存在的问题1.4.1检修制度存在的不足目前，我国的铁路货车维修系统主要借鉴了是前苏联的铁路车辆检修制度，基本模式采用的还是计划预防修，基本原则遵照的是“安全第一，预防为主，以质量保安全”，确保铁路货车的安全运行，维护运输秩序。然而随着货车速度的提高，目前我国铁路货车的检修机制的缺陷也渐渐显现出来，这对我国货车运行的秩序，运输的效率以及在经济上的产生效益等各个方面均产生了负面的影响。（一）日常临时维修中的不足（1）受各编组站的位置限制的原因，各段修之间分布不均，检修能力也有一定的差异（2）我国当前的维修制度《铁路货车运用维修规程》里有具体关于是否进行摘车临修的有关规定，但是受到不同地区列检所工作人员的安排和使用设备的情况各不相同等因素限制，许多地方不摘车修范围在该地方列检现场无法进行维修，因此必须进行摘车检修，列车需要重新编组进行作业，大大降低了货车运输的效率。例如，在规程中有规定，列检所维修包括了货车提钩杆弯曲变形的状况，然而在现实的操作中，由于列检技术作业时间不足的原因，并且在检修的过程中，需用到氧气-乙煉热调装备、机械整形、电焊机等设备，而在列车队中不能直接处理这类状况，因此只能对其进行摘车维修处理絳（二）定期维修中的不足（1）由于定期维护周期的固定划分，仅考虑车辆的使用寿命，而未充分考虑到货车的行走里程和使用频率之类的问题，比如厂修与段修的时间周期和两次段修间相同，而厂修的要求是车辆要接近新造的标准，这就会造成厂修后接下来一次的段修相对于其他段的大范围减少工作量，导致“过剩修”的现象。另外还有货车的走行里程和使用频率的不同，有些车辆在维修后的使用频率较低或运行里程较少，而有些车辆使用频率较高，当这两类车辆同时达到维修周期，以同样的标准对其进行作业时，使用频率高的车辆就会岀现“不足修”的状况，也就是说这样的一次检修不能够将车辆恢复到所规定的车辆品质，由此导致维修水平整体性低，经济性差等问题。在近几年中，铁路总公司开展了多次关于翻新受损车辆的活动，这实际上就是对“不足修”的宏观补充，然而，这种临时修复措施不仅增加了各线路站修的修理难度，而且很难满足规定的检修要求，还增加了维修成本。（2）在车辆维修的过程中没有明确的分工，同一岗位需要进行检査、检测和维修等多种作业，造成维修质量的保障度低；另外，由于各单位的维修质量水平和作业人员配置各不相同，而这些单位还需对大部分零配件进行维修，所以车辆零配件的检修质量很难再次恢复到较高的质量水平上。（3）铁路货车车辆的年限管理和报废系统还不健全，导致车辆的超期运行的状况出现，对车辆行车的安全造成隐患。1.4.2维修制度优化的必要性经过前后四次车辆检修制度的变革，我国铁路货车维修系统现已基本处于成熟状态。国民经济的飞速发展，使得对铁路货运的要求也变得越来越高，然而，由于铁路车辆的技术、维修技术以及维修设备等的限制，我国铁路货车的检修制度还存在着很大不足。为了达到我国铁路运输年均增幅为7%的指标，达到货车能够运作4天的需求，达到每天5万辆的要求。因此，铁路方面不仅要增加货物组织，还应购买移动设备，还需从内部挖潜，通过对维修制度的不断调整和优化，释放需要修理的车辆，减少休车时分，确保货运质量的稳定提升。在近几年，我国目前货车检修制度的弊端不断显现出来，铁路总公司在车辆的维修和购买方面每年投入了大量的资金，然而在实际中依然广泛存在“月初选车修，月末抢破车修”的状况。由于货车车辆数量不足的缘故，还会出现同一辆货车被反复使用或者超期使用的现象，加剧了车辆性能的损耗，甚至在这些反复使用的车辆中发现有破损的车辆。为了减少这种反复使用破损货车的情况出现，铁路总公司在近几年的时间里就破损的货车多次采取整治措施，且自2014年以来，破损车辆的维修一直试车辆系统的工作常态，维修费用在逐年增加，这种现象主要由以下两方面引起的：（1）因为铁路总公司对于货车车辆检修的结算方式是固定的，所以在维修的过程中，维修破车所需要的人力物力相较于维修好车要花费得更多，依据我国现行的规章制度，高级修程的段修、厂修的检修周期按月来计算，所以每到月初阶段，就会有许多达到维修周期的车辆，这时候车辆段有足够的空间在这批需要检修的车辆中挑选，通过人为来控制维修费用的开支，但这就导致破损车辆在不断超期使用。（2）为了满足货运的需求，运输部门在车辆短缺的状况下，加大同一列车的使用频率，且使其长时间处于重车运输的状态，对车辆段的扣修工作产生影响，另外，还有装卸货物频繁且在此过程中出现使用暴力作业、操作不当等情况，加剧了车辆的损耗程度。以上问题都突出了我国目前的维修机制与运输不配套的现状，从确保货运车辆的维修品质，保证运行秩序的稳定性以及提高整体运输的经济效益等方面，强烈要求车辆检修相关部门进行有效的优化改革。

第2章铁路货车转向架及故障类型概述2.1我国铁路货车转向架及故障种类概述1952年以来，我国设计制造了转3型、转4型和转5型铁路货车转向架；在1956年借鉴他国经验后设计制造出转6型转向架，也叫“老转6”，但它不能通过机械化驼峰，于是，我国在9年后重新设计制造了新的转6型转向架，即“新转6”；在三年后我国首次制造出转8型转向架；经过从1961年到1965年的四年时间里，转8转向架通过一系列改进，最后转变为新的转8型转向架，将其称作转8A型转向架，且在1966年经过专业鉴定其合格后进入大批量生产的阶段，直到1998年，通过借鉴交叉支撑技术的成功经验，我国自主研发出了转K2型转向架；在2001年，我国再一次引进了国外侧架摆动技术，成功研发了转K4型转向架网；2003年，我国设计制造了K5和K6转向架。如今，我国货车常用的转向架为转K2型、转K4型、转K6型和转8A型四种。2.2铁路货车转向架故障类型概述随着我国铁路货运向高速重载方向的快速发展，货车转向架各类故障频繁发生，危及铁路货车行车安全、制约货车高速重载的发展。转向架是由多部件构成的，对各部件进行详细科学的故障分析，直接影响着铁路货车运行是否安全。为此，有必要对不同型号转向架的各类故障进行研究分析。我国目前拥有各型铁路货车约40多万辆，使用的转向架形式各异，其中四种常用形式为转K2型、转K4型、转K6型和转K8型。现以这四种转向架为例阐述实际中出现的各类典型故障。（一） 转K2型转向架的主要故障类型转K2型转向架使用初期，故障多为摇枕和侧架部分出现裂纹，近年来随着铁路检修质量的提高和制造工艺的完善，该故障已经得到很大改善。现阶段的主要故障多出现在其附属件上，其中侧架立柱磨耗板、摇枕斜楔磨耗板、承载鞍支撑面的磨耗。对于交叉支撑装置，故障多为交叉杆变弯曲、发生形变或开焊。其他较常见故障还有制动梁滑块装置的磨耗、各部件的螺丝松动、减振弹簧断裂、侧架弹簧承台圆弧边缘裂纹、轮对偏磨、摇枕发生裂纹等。（二） 转K4型转向架的主要故障类型近年来，各车辆厂对转K4型转向架进行分解前的尺寸检测，发现其存在的典型问题主要为侧架内倾、摆动零部件磨耗、弹簧托板横出现裂纹、摩擦板紧固螺钉断裂等g祯。（三） 转K6型转向架的主要故障类型转K6型转向架可能发生故障的主要原因如下所示：转向架的交叉杆可能会出现弯曲变形或开焊的现象，同时在运行的过程中会对交叉杆的杆体产生磨耗或是造成螺丝松动；由于在车辆运行中的磨耗，组合式的制动梁滑块有可能出现磨损套被熔化或出现裂痕等现象。（四） 转8A型转向架的主要故障类型转8A转向架是目前货车的主要转向架。它是安全运行的关键部件。自铁路提速以来，摇枕和侧架的故障显著增加。其中最严重的是裂纹的出现。当空车运行速度达到为60km/h可能产生蛇形运动，此时弹簧减振装置的减振性能会因为封闭弹簧静挠度较小的因素而变得不稳定。当斜楔和与其配合的磨耗板磨耗到接近段修限度时，减振装置丧失减振效果，车身和车身间的回转阻力矩小，不能有效地抑制车体的低速摇头运动，这样会降低车辆的动力学性能。

第3章铁路货车转向架维修专家系统3.1专家系统概述3.1.1专家系统概念专家系统是人工智能系统中最活跃以及应用最为普遍的领域之一。它运用系统内知识储备库中的相关推理规则，对问题进行判断并做出推导，最后得出相关结论和解决办法，该系统基本具备了专业人士的思维模式以及处理问题的执行能力。换而言之，专家系统就是把人工智能技术和专业知识作为其理论基础，就人工智能领域内出现的复杂的问题，利用系统内知识储备库中的相关数据和推理规则，模仿专业人士的思维和推理方法来解决相应问题，并提供具有专业性的解决方法，以减少或避免人类进行过多脑力、体力劳动5。种种迹象表明，在未来的工业、医疗、自动化、商业等众多行业中专家系统必将具有深远的影响。在发展过程中，专家系统依据知识库表现形式不同分为五类：基于规则的专家系统，基于框架的专家系统，基于案例的专家系统，基于模型的专家系统，基于Web知识表示的专家系统。以下是对这5个专家系统的详尽阐述：(1)基于规则的专家系统也被称为基于知识的专家系统，是运用最广泛的专家系统。它是通过将系统知识库中的数据与推理规则相结合的方式，就特定的信息与数据进行推理，最终得出一个优良的解决方法的专家系统。(2)基于框架的专家系统基于框架的专家系统可以看作是基于规则的专家系统的一种延伸，使用的是不同风格的编程语言。(3)基于案例的专家系统基于案例的专家系统，也叫做实例推理专家系统。该系统可以解决特定领域或知识完善领域的问题。一般以经验知识作为推导依据，合理选择和修正解决方法。(4)基于模型的专家系统基于模型的专家系统，可以认为该专家系统是由原理与各种定性的模型综合构成的。(5)基于Web的专家系统基于Web的专家系统，即专家系统技术发展的信息化和网络化。用户访问专家系统，并通过浏览器提交、传递信息给服务器。服务器在后端进一步将本地或远程的数据库调用，再推出结论给用户。3.1.2专家系统应用近年来，互联网技术发展迅速，使得数据和信息变得越来越复杂。因此专家系统慢慢代替传统的数据处理器，成为了处理信息数据的主力军。同时，专家系统也被普遍渗透到其他各个生活领域中，例如在智能化农业管理、协同设计、军事化指挥、远程医疗、故障诊断等方面都有专家系统的运用［79'801o在近几年，随着计算机技术，尤其是人工智能、本体论、语义网络以及分布式系统的迅速发展，专家系统不再只是简单的数据推理，而是更多地尝试与新技术相结合。因此，专家系统已经成为获取知识的有效途径，其中知识的表示形式多样，推理高效、准确，能够与其他系统很好地集成。3.2知识库的建立3.2.1知识分类及表示根据知识描述的内容，可将知识分为陈述性知识、过程性知识、启发性知识、元知识、结构知识等。将抽象的事物具体化、显像化以及形式化的过程被称之为知识的表示。知识信息化的编码方式对专家系统获取信息的方式和处理信息的方法直接产生影响。目前在专家系统中以产生式表示法应用最为广泛，下面将重点介绍本论文中系统选用的产生式知识表示法。产生式知识表示法是一种类人思维的解决方法，其同时包含经验总结和结果联想，具备逻辑、抽象、演变推理等。通过将人类解决问题的思维方式与之结合起来,使计算机能够更加严谨并结合人类的发散思维模式来更好的处理问题。产生式知识表示法通常的表述方式是以与人类语言相似的结构来进行表述，比如〃因一