高速鐵路車輪全壽命周期智能化管理系統(tǒng)

近年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路實(shí)現(xiàn)了飛躍式發(fā)展，“綠色、智能、安全、人文”的新理念引領(lǐng)著高速鐵路未來(lái)的創(chuàng)新發(fā)展。鐵路是國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈和大眾化交通工具，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展和國(guó)防起著不可替代的全局性支撐作用。大規(guī)模發(fā)展具有運(yùn)能大、安全舒適、全天候運(yùn)輸、環(huán)境友好和可持續(xù)性等優(yōu)勢(shì)的高速鐵路，是帶動(dòng)形成一大批高新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)及制造業(yè)提升與發(fā)展的必由之路和必然選擇。

截止2020年底，中國(guó)高速鐵路總里程超過(guò)3.8萬(wàn)公里，占世界2/3以上。到2035年，預(yù)計(jì)高鐵總里程達(dá)到7萬(wàn)公里，“四縱四橫”升級(jí)成“八縱八橫”高鐵主通道。到2050年，將全面建成現(xiàn)代化鐵路強(qiáng)國(guó)。我國(guó)將發(fā)展成為高速鐵路發(fā)展速度最快，總里程數(shù)最多的國(guó)家之一。

在影響鐵路安全的諸多因素中，輪軌關(guān)系的研究是最重要的因素之一，它影響車輛運(yùn)行安全，也影響整車壽命。今天就請(qǐng)跟隨小編的腳步一起了解下清華大學(xué)天津高端裝備研究院輪軌關(guān)系與維護(hù)研究中心（以下簡(jiǎn)稱“輪軌中心”）多年來(lái)的研發(fā)創(chuàng)新成果：高速鐵路車輪全壽命周期智能化管理系統(tǒng)。

中國(guó)科學(xué)院院士、輪軌中心首席科學(xué)家翟婉明在2015年就提出了中國(guó)高鐵亟待建立運(yùn)營(yíng)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系，其中提到，與日、德、法等高鐵發(fā)源國(guó)相比，我國(guó)的高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間很短，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還很缺乏，基礎(chǔ)研究也很薄弱。因此，要進(jìn)一步針對(duì)中國(guó)高鐵的特點(diǎn)，從基礎(chǔ)源頭、關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐3個(gè)方面入手，找到最適合我國(guó)國(guó)情的運(yùn)營(yíng)維護(hù)模式。

基于輪軌中心這些年來(lái)與多家兄弟單位一起致力于開發(fā)一套高速鐵路車輪全壽命周期智能化管理系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)生產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)管理及維護(hù)保養(yǎng)等多個(gè)階段系統(tǒng)管理車輪狀態(tài)。

現(xiàn)有車輪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相對(duì)單一，且不夠完善，無(wú)法有效全面地監(jiān)測(cè)車輪狀態(tài)并診斷車輪損傷類型。除此之外，缺乏全面管理車輪全壽命周期的能力，無(wú)法與車輪制造和鏇修建立起有效聯(lián)系。

基于對(duì)現(xiàn)有車輪監(jiān)測(cè)，維護(hù)等現(xiàn)狀調(diào)研，輪軌中心與國(guó)內(nèi)多家高校、科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)一套高速鐵路車輪全壽命周期智能化管理系統(tǒng)。通過(guò)集成車輪的制造、加工組裝、運(yùn)用維修等全壽命周期信息、構(gòu)建高速鐵路車輪全壽命周期智能化管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)全路高鐵車輪健康狀態(tài)的及時(shí)監(jiān)測(cè)、缺陷趨勢(shì)研判、故障預(yù)測(cè)預(yù)警等功能。

創(chuàng)新點(diǎn)

■ 國(guó)內(nèi)外首次提出高速列車車輪的故障預(yù)測(cè)及健康管理技術(shù)研究，項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)面向全路高速列車車輪覆蓋全壽命周期的信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、健康狀態(tài)綜合評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)和預(yù)防性鏇修方案。

■ 創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)高速列車車輪健康管理模型，綜合車輪的使用狀態(tài)和服役歷程信息，定量給出車輪健康狀態(tài)。

■ 車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算、輪-軌磨耗模型、車輪磨耗歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)做為專家?guī)?，踏面鏇修參?shù)計(jì)算方法做為判斷規(guī)則，對(duì)全路車輪的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，制定預(yù)防性鏇修方案。

研究概況

01 基礎(chǔ)理論：車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)

作為此次研究的基礎(chǔ)，翟院士所創(chuàng)立的車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，開創(chuàng)了鐵路大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)學(xué)科新領(lǐng)域，并得到了國(guó)際上的廣泛認(rèn)可。

02信息采集系統(tǒng)及輪軌力實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

采集車輪信息：相當(dāng)于為每個(gè)車輪建立自己的“身份證”。系統(tǒng)管理車輪從“出生到死亡”相關(guān)信息。

輪軌力動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)：通過(guò)輪-軌之間的作用力與反作用力，實(shí)時(shí)掌握車輪狀態(tài)。

03大數(shù)據(jù)平臺(tái)：車輪健康關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)中心

將輪軌力作為重要參數(shù)輸入，結(jié)合軌道信息、鏇修信息等參數(shù)，并應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)訓(xùn)練，最終建立車輪健康因數(shù)。

04專家系統(tǒng)：車輪全壽命周期健康管理系統(tǒng)

通過(guò)車輪健康因數(shù)，判斷車輪存在故障以及故障類型，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化車輪鏇修里程并預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)。

高速鐵路車輪全壽命周期健康管理系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1.車輪信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輪電子標(biāo)簽：通過(guò)車輪的出生信息，車輪裝配信息，車輪狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，運(yùn)營(yíng)線路軌道設(shè)計(jì)、檢修信息，車輪檢修信息實(shí)現(xiàn)車輪的電子標(biāo)簽化，做到實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。

2.大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握每片車輪的質(zhì)量和運(yùn)行狀態(tài)：車輪全生命周期信息庫(kù)實(shí)現(xiàn)車輪履歷管理、質(zhì)量追蹤、壽命管理。監(jiān)控車輪壽命其內(nèi)的運(yùn)用過(guò)程。

3.保障車輛運(yùn)用安全：通過(guò)缺陷產(chǎn)生與發(fā)展速率分析和車輪蹤跡追溯，課保障車輛運(yùn)用安全。

4.降低運(yùn)維成本、延長(zhǎng)使用壽命：通過(guò)車輪剩余壽命預(yù)測(cè)和提供經(jīng)濟(jì)性鏇修方案降低運(yùn)維成本。

科研價(jià)值

■ 梳理車輪全壽命周期內(nèi)影響因素及相互作用關(guān)系；

■ 對(duì)比各線路、各車輛的車輪狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)和磨耗趨勢(shì)，為車輛和軌道設(shè)計(jì)及檢修工作的優(yōu)化提供依據(jù)；

■ 積累大量車輪磨耗數(shù)據(jù)，為預(yù)防性維護(hù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

經(jīng)濟(jì)價(jià)值

■ 實(shí)現(xiàn)高速列車車輪全壽命過(guò)程數(shù)據(jù)信息化管理；

■ 提高車輪使用壽命,降低維護(hù)成本；

■ 實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪狀態(tài)的動(dòng)態(tài)管理及有效調(diào)配，提高整個(gè)高速鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步提升；

■ 異常失效車輪的可追溯性高，提高車輛安全性。