动车组系统故障原因及改进方法资料

第一篇：动车组系统故障原因及改进方法资料

目 录

第1章 绪 论...............................................................................................................................2 研究背景及意义.......................................................................................................................2 1.2国内外研究现状................................................................................................................3 1.2.1国内外动车组可靠性研究现状............................................................................3 1.2.2国内外动车组预防维修周期研究现状................................................................6 1.3文章结构............................................................................................................................7 第2章动车组故障等级的划分.......................................................................................................9 2.1动车组故障定义的建议....................................................................................................9 2.2层次分析法划分动车组故障等级..................................................................................12 2.2.1层次分析法简述..................................................................................................14 2.2.2故障等级划分的基础..........................................................................................15 2.2.3分析过程及分析结果..........................................................................................17 致谢................................................................................................................................................24 参考文献.........................................................................................................................................25

摘 要

动车组子系统的可靠性分析以及维修策略的优化研究已成为保障动车组安全、高效运营的关键课题。根据调研得到的动车组故障、维修数据，在总结和分析现有可靠性理论和模型的基础上，主要对动车组故障等级的划分、动车组子系统故障模式危害度分析、动车组子系统寿命分布的拟合、预防维修对动车组子系统可靠性的影响以及预防维修周期决策模型的优化方面进行了研究，得到如下结果:(1)对现有故障数据进行统计分析，利用层次分析法，基于故障的影响等级、影响时间以及发生概率三个维度将动车组的故障分为四个等级。由于评价指标都是针对故障本身，所以得出的结论对于分析故障、优化维修策略等都有一定的指导意义。对某型动车组高压牵引系统的故障模式进行了统计分析，提出了一种结合故障等级的故障模式危害度计算方法，计算得到此系统各种常见故障模式的危害度，并针对高危害度故障模式提出了相应的处理措施，以提高易发高故障模式的部件的可靠性。

(2)推导出了基于维修条件下动车组的可靠度函数和平均失效前工作时间表达式;采用统计学与可靠性理论，拟合出某型动车组高压牵引系统的基本寿命分布函数，并验证了其分布服从威布尔分布;将得到的寿命分布函数代入新建立的预防性维修条件下的可靠度函数模型进行定性、定量的对比分析，得到了预防维修可以明显增加此系统的运用寿命并且可以减慢其可靠度下降速度的结论，同时，也验证了此系统现行的预防维修周期较为合理。

(3)建立了一种适用于以可用度最大为目标的蒙特卡洛法制定预防维修周期的模型。在此基础上，采用多目标规划方法对提出的模型进行了优化，设置综合评价指标，综合考虑动车组在一个维修周期内的可用度、经济性和可靠度，此模型以通过调节权重系数来改变计算过程中可用度、经济性和可靠度的优先级，应用范围较广。两个模型以某型动车组高压牵引系统作为算例分别进行分析，得到了该子系统在相应目标下的预防维修周期。

关键词:动车组;状态监测;故障数据挖掘;知识库

第1章 绪 论

研究背景及意义

为了满足人们口益增长的运输需求，铁路列车的运行速度逐步提高，密度也在不断加大，铁路运输生产对列车运行的可靠性要求越来越高。动车组列车是完成铁路高速运输任务最重要的移动设备，其可靠性研究和维修策略的优化是高速铁路系统综合保障工程中的重要组成部分，也是动车组安全、高效运行的重要保障。

高速铁路技术已经成为衡量一个国家铁路技术发展水平的重要标志。截至到2014年底，中国高速铁路总运营里程已超过一万六千公里，全路动车组保有量已超过一千余列，分成5大系列14种子车型fl-Zl。为了满足社会和国民经济对交通运输需求的口益增长，根据我国铁路发展战略确立了铁路近期的发展规划:在2020年以前，构建以北京、上海、广州和武汉为中心，部分省会城市为节点，辐射全国主要城市，逾几万公里的铁路客运专线网。届时，将会有更多的cRH系列高速动车组投入使用。国产C动车组结构复杂，其运用、维修方式与传统机车车辆有所不同，并且动车组开行密度大、运营里程长、运用环境复杂、检修质量要求高，所以动车组能否保证以高可靠度，安全、高效的运行，成了铁路部门科研工作者和技术人员所关注的最重要问题。

动车组运行速度快、运行图编排密集，过长的停车时间会大大降低运输效率。动车组的故障可能会直接影响高速铁路的运行安全，造成运输中断、线路阻塞，给国民经济造成较大损失。为此，提高动车组的可靠性是今后保障铁路安全的一项重要工作。

本论文是在中国铁道科学研究院行业服务技术创新项目《高速动车组故障规律分析及可靠性试验方案研究》的支持下开展研究的。通过对我国动车组的可靠性评估及维修技术的深入调研发现:基于动车组实际运行故障数据来探索动车组系统故障规律及评估可靠性的研究较少，而我国动车组维修策略也主要是借鉴国外的一些维修制度。我国动车组维修的技术政策是“在计划预防修的前提下，逐步实施状态修、换件修和主要零部件的专业化集中修”。计划预防修符合先进维 2 修理论思想，属于预防性维修，也适用于我国铁路维修现状。但是，我国动车组可靠性研究刚刚起步，动车组子系统的可靠性分析与维修决策优化方面的理论基础和指导方法比较少，对于动车组故障的定义以及故障等级的划分尚无明确、统一的标准，所以仍需要在这方面进行一些基础研究，为动车组运用部门优化维修策略提供了理论依据，具有一定的实际意义和参考价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外动车组可靠性研究现状

发达国家轨道交通行业的可靠性工程已发展到比较先进的水平，建立了系统的可靠性行业标准，具备先进的可靠性设计分析技术和有效的验证方法。国外已经尝试将可靠性技术运用于机车车辆并逐步渗透到动车组列车，以可靠性为中心的维修体制将其设计、制造、评估和维修有机的结合成一体，为动车组安全可靠运行提供了保障，已引起国内相关研究者的高度重视。德国联邦铁路非常重视机车车辆的可靠性工程研究，率先建立了可靠性数据库，收集全路各机务段和修理工厂的数据，并进行数据处理、分析。

德国联邦铁路特别重视对机车车辆故障的分析研究，包括运用中的故障以及机务段、车辆段和修理工厂在机车车辆检修中发现的故障。联邦铁路认为，采用近代可靠性工程方法，可以最大限度地利用故障数据资料，得出具有参考价值的结论，对机车车辆的近期以及中长期的发展均有一定的指导作用。联邦铁路还应用可靠性工程方法对机车车辆主要零部件的磨损情况进行了研究，取得了一定的成果。近年来，德国ICE列车在设计和评价方面充分融入了可靠性理论，采用了模块化设计和等寿命设计原则，在保证可靠性的前提下降低养护维修费用。在列车系统和部件设计制造完成以后，有关部门将对其进行大量的可靠性试验考核，包括单一零部件的可靠性考核和装车后整车的可靠性考核，并对其可靠性做出评价，直到确认所有零部件和整个系统是完全安全可靠的，才允许批量生产和投运营使用

英国铁路对机车车辆的可靠性十分重视，在上个世纪60年代就规定了机车车辆的可靠性指标:发生故障前行驶里程不足24000 km的机车为不良机车，超过 3 24000 km的机车为合格机车，大于48000 km的机车为良好机车。英国铁路经对17个系列2500台内燃机车的故障进行了统计，计算得出它们的可靠性指标，经过对比分析找出主要故障部位以及故障原因，进而采取改进措施，提高了机车的可靠性

日本原国铁于上世纪70年代对新干线高速铁路及机车车辆大力开展了可靠性工程方面的研究工作，以保证高速动车组运行的可靠性和安全性。口本原国铁利用电力机车及动车组列车在干线上发生的故障数据进行了威布尔解析分析，并推测出电力机车的可靠度，所得结论证明了当时电力机车和动车组的故障皆处于初期故障和偶发故障阶段，为延长检修周期找出了依据。与此同时，他们根据可靠性工程理论和现场实际损坏的数据来确定机车车辆主要零部件的寿命，从口本机车车辆最佳全寿命周期费用的角度来检验维修工作的正确性。口本原国铁利用机车车辆监测系统和信息系统对发生的各种故障形式随运行公里或运行时间的变化进行分析，分析结果可供可靠性设计参考;用故障树(FTA)和故障模式及影响分析(FMEA)对机车车辆故障及其影响进行了分析，找出系统的薄弱环节，从而改进设计来提高机车车辆及其主要零件的可靠性和安全性

美国各大铁路公司广泛开展了可靠性工程的研究。例如美国联合太平洋铁路公司建立了完善的可靠性信息系统，利用可靠性工程理论对数据进行处理分析，从而使机车及其零部件的可靠性评价由定性分析提高到定量分析，并制定了可靠性定量指标。美国机车车辆制造公司也应用可靠性技术来提高机车车辆的可靠性，例如在提高内燃机车的可靠性的问题上，不只是通过对薄弱零件的改进来解决，而且要将可靠性技术贯穿于内燃机车设计、制造、试验、使用、维修和管理等各个环节，形成一个系统工程，只有这样才能使复杂先进的内燃机车系统达到真正的高可靠性的目的

我国铁道部门近年来在提高机车车辆可靠性方面做了很多工作，并取得一定的成效。设计制造部门针对机车车辆运用中暴露出来的问题和故障进行了分析研究;在机车车辆企业中推行了全面质量管理，提高了质量意识，促进产品质量的提升;运用单位在车辆运用中积累了大量的可靠性数据与经验，运用维修效率不断提高;一些高校和科研单位也开始开设有关可靠性工程的课程和培训班，并招收了相关专业的学生，为可靠性工程的研究提供人员保障。中国铁道科学研究院 4 对机车车辆可靠性工程的研究始于机车车辆研究所在1992年开始的“可靠性工程理论在机车车辆中的应用”课题研究，经过科研人员的多年努力，现已取得了一些成果。中国铁道科学研究院开发了动车组运用检修管理信息系统，该系统采集了目前国内运用的全部动车组的全寿命周期各个阶段的故障信息和维修数据，动车组在运用检修过程中产生的故障维修数据，是动车组在真实运行环境条件下产生的第一手资料，是动车组可靠性的真实反映，为今后的可靠性研究积累了重要的数据。

Bocchi W 机械产品的可靠性进行了研究，初步得出其可靠性分布模型服从指数分布的结论;但经后续研究表明Bocchi W J.的评价结果相对保守，有学者通过论证分析，认为机械产品的可靠性分布模型大多服从威布尔分布，这种分布成为现今对有耗损的动车组子系统进行可靠性分析时常用的分布，Rafal Dorociak建立了贝叶斯网络算法，即通过建立故障传播模型来给出机电整合系统的主要解决方案，适用于复杂的机电系统的可靠性分析，贝叶斯网络算法的优点在于有效识别关键弱点并定义各自的对策，其优越性在动车组可靠性研究领域得以体现;Hanmin Lee等建立了产品资料管理的方法(PDM)，处理动车组的部件管理维护和历史故障数据，以确保系统运行的可靠性和安全性，研究表明此法有助于减少动车组的故障率，使其可靠性增加了30%;王华胜基于我国动车组实际运用状况，依据可靠性理论和现场数据统计分析，验证了动车组整车可靠性服从指数分布的规律，依据可靠性抽样检验理论，计算不同置信度、不同故障率等级要求下的动车组允许故障发生的次数和最小累计运行里程，据此给出动车组整车可靠性的验证方法、CRH2型动车组结构功能特征和运用维修特点，分析了各系统、分系统间逻辑功能关系，初步建立其可靠性模型，并根据其对可靠性的不同要求划分评价等级，采用综合评分法对动车组整车可靠性指标进行分配;胡川建立了动车组系统及其子系统故障树模型，运用蒙特卡洛法和MATLAB软件，对动车组可靠性进行仿真试验和分析，并依据假设检验理论对动车组故障数据进行分析，基于可靠性抽样检验理论，给出动车组可靠性抽样检验的方案;刘建强等分析了CRH3型动车组高压电器系统组成结构及逻辑功能关系，建立高压电器系统的可靠性框图模型，依据系统可靠性理论与故障统计数据，推导并证明CRH3型动车组高压电器系统各部件的可靠性规律，给出可靠性评估指标的计算方法，分 5 析计算高压电器系统各部件的故障率与可靠度。

我国动车组在可靠性工程领域的研究刚刚起步，尚缺乏全面、系统的可靠性工程方面的规划、研究和分析。随着我国经济的发展和科学技术的进步，动车组在安全可靠的前提下向着高速的方向前进，许多可靠性问题函待解决，进行相关可靠性工程的研究工作迫在眉睫。动车组可靠性工程是一个系统工程，需要有关各部门进行长期的工作和积累，投入大量的人力、物力，才能真正达到提高产品可靠性、扩大运输能力、增加运输效率以及降低运输成本的目的。1.2.2国内外动车组预防维修周期研究现状

动车组的维修是客运专线系统综合保障工程中的重要组成部分，国内、外动车组普遍采取以预防维修为主，与事后维修相结合的维修方式。预防维修思想要求装备及其零部件在即将磨损到限，或者即将发生故障之前要及时更换、修理，维修工作在故障发生之前进行。在预防维修思想的指导下，形成了以磨损理论为基础的预防维修制度，这种计划维修制度以机械装备的故障率曲线来确定维修的时机。计划预防维修制度的具体内容可以概括为“定期检查、按时保养、计划修理”，通过降低故障率来保证设备的高可靠性。这种维修制度最关键的一步是确定设备或者子系统的预防维修周期，进而合理划分维修等级和维修周期结构，制定相应的维修规程和规范。所以，预防维修周期的制定成了可靠性范畴内研究动车组维修策略关键的一步。国内一些学者和相关专业技术人员对此做了很多工作，研究最为广泛的模型是以最大可用度为原则确定最佳预防维修周期和以最大经济性为原则制定最佳预防维修周期，随着这方面研究的深入和对动车组维修、运用的逐渐熟悉，也出现了一些其他方法来制定最佳预防维修周期。

Joung E J等指出只通过改善驱动电机来提高动车组的可靠性是难以实现的需要对动车组的零部件和各个子系统分别预测可靠性目标，基于可靠性目标对零部件进行设计和运行检测，对不同零部件和子系统制定不同的维修周期，以提高动车组子系统的可靠性、可用性和可维护性;Lee K M等提出通过统计动车组实际的检验任务周期的方法来确定其预防维修周期，该方法是基于以可靠性为中心的维修、将不必要的检查次数降到最低并尽可能减少维护成本;宋永增等提出利用可靠性的理论，对客车零部件的故障记录进行了数理统计，根据最大有效度原 6 则，得出旅客列车零部件最佳预防维修周期取决于平均预防性维修时间和平均事后维修时间之比;郭乃文对比了货车转向架零部件维修周期的可用度模型和经济性模型，得出在定量分析中最大可用度模型更加方便的结论，并结合实例从理论上计算出转向架零部件的最佳预防维修周期;王彩霞以可靠性工程为基础，通过危害度评估方法确定了动车组不同零部件的维修方式，并建立了分析动车组维修周期常用的任务可靠度模型、经济费用最小模型和最大有效度模型;王灵芝在以可靠性为中心的维修思想指导下，确定了高速列车设备维修决策过程，着重研究了设备重要度分析、设备寿命模型、预防维修周期及维修优化等。

目前，国内针对动车组子系统预防维修周期的研究较少，一方面是由于动车组子系统包含的部件较多，故障模式也比其他机械设备复杂，所以并不能完全套用之前对其他机械设备或系统的预防维修周期决策模型;另外，动车组的维修数据的统计涉及到多个部门，由于没有统一的故障数据管理体系和标准，导致可靠性数据的缺失或者数据统计难度增大。所以动车组运用、维修部门应该在以后的研究过程中，逐渐建立规范的可靠性数据收集、管理体制，为今后进一步的研究提供强大的数据支撑，为动车组可靠性理论研究打下基础。

1.3文章结构

本文分为五个章节，第一章为绪论，第二章为动车组故障等级的划分，第三章为动车组子系统在预防维修条件下的可靠性分析，第四章为动车组子系统预防维修周期决策模型的研究，第五章为结论和展望，具体结构如图1.1所示。

第2章动车组故障等级的划分

可靠性工程是从宏观的角度分析发生故障的可能性、故障分布规律以及发生的故障对整个系统的可靠性带来的影响，是从总体上以系统工程的观点来分析和研究故障的，所以故障数据是可靠性工程研究的基础。想要研究故障，首先要明确故障的定义、对故障的等级进行合理的划分，然后才能科学地筛选、整理、分析数据，从而在庞大的数据库中获取有价值的资料。

采用结合故障等级的危害度计算方法，对某型动车组高压牵引系统常见故障 模式的危害度进行计算，并针对易发生高危害度故障模式的系统或部件提出了提 高其可靠性的建议。

2.1动车组故障定义的建议

根据国家标准GB3187，失效(故障)的定义为:“产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称为故障。”由此可以看出，失效与故障在含义上大致相同，又有所区别，他们都是指“产品丧失规定的功能”，但传统意义上的“故障”一词，用于可修复产品，而“失效”一词多指不可修复产品。动车组属于可修复产品，在机车车辆专业中“故障”一词已经被相关专业人员普遍使用，所以本文在下面讨论中使用“故障”来表示动车组丧失规定的功能。另外，定义中所指的“丧失规定的功能”包括以下情况:产品发生破坏性故障，使其无法工作，因而丧失其功能;产品尚能工作，但有一个或几个性能参数达不到规定的要求;因操作失误而造成产品功能丧失;由于环境应力变化，导致功能丧失。

以前的机车车辆的可靠性分析中，各国铁路对故障定义不尽相同，例如美国、德国规定，列车在线路上由于破损而停止运行，则算作故障;而英、法和口本铁路都以列车破损造成的时间延误而算作故障。并且不同国家对延误时间值有不同的规定。因此，在利用可靠性指标对动车组进行评价时，首先要明确动车组故障的定义。

下面是国外机车车辆对故障的规定，如表2.1所示。

我国目前还没有对机车车辆的故障做出规定，有文献[25]曾经针对其提出了建议，即:在可靠性工程分析中，凡是由于机车车辆破损造成的机破事故就算作故障。也就是说，由于机车车辆破损而造成行车事故的，即列车在区间非正常停车或在车站内非正常停车时间超过3 Omin以上，或由于车钩破损而造成列车分离的均为故障。

对于动车组的运用故障尚没有明确的定义，有专门的动车组书籍[}a6]中提出了，影响运行的故障定义为出现下列情况之一: ①动车组在经过维修后仍能正常运行，但维修导致超过15 min的延误。②动车组经过维修后部分功能受到影响但仍然可以运行，维修导致的延误超过15 minx ③动车组需要被救援或回送。在动车组的实际运用中，故障可能在运用过程中或者预防性维修过程中发现。在预防性维修过程中发现的故障其实是出现在上一个运用周期中，只是没有对行车造成明显的影响，而在运用过程中出现的故障，对行车造成了非正常停车等影响，即影响运行的故障。我国动车组的运用是处在预防维修条件之下的，所以讨论在运行过程中发生的造成晚点或运输中断的故障(运行故障)更有意义。随着动车组技术的进步和动车组维修保障技术的完善，动车组的可靠性已经达到了一个相当高的水平，发生严重故障的几率大大降低。所以，传统的故障定义已经不能完全满足当今动车组可靠性分析的需要。

根据CRHIA,CRHIB,CRHIE,CRH2A,CRH2B,CRH2C,CRH2E,CRH380A,CRH380AL, CRH380B, CRH380BL, CRH380CL, CRH3C, CRHSA共计14个车型980列动车组8557条晚点记录，对晚点时间进行了统计分析，结果如图 2.1所示:

由图2.1可知，超过15 min晚点的情况只占所有晚点情况的7.14%，超过3 0 min晚点情况只占所有晚点情况的2.59%，由此可见，目前动车组非正常停车造成的晚点绝大部分在15 min以内，所以文献中建议的故障定义已经不能完全满足可靠性逐渐提高的动车组的故障定义需求。

动车组的运用范围越来越广，运用条件也越来越苛刻，我国新形势下的运输需求对动车组的可靠性提出了更高的期望，所以结合国内外对机车车辆故障的定义，以及对故障引起的晚点时间的统计分析，本文对动车组故障定义的建议为: ①动车组在经过线上或站内处理、维修后仍能正常运行，但维修导致临时 停车或晚点。

②动车组经过线上或站内处理、维修后部分功能受到影响但仍然可以运行，但维修导致临时停车或晚点。

③动车组经过线上处理、维修后可以限速运行到附近车站，但无法担当后 续交路，需要乘客换乘热备车。

④动车组在线路上非正常停车，无法继续运行，需要被救援与回送。即动车组只要发生非正常停车或因其他原因造成晚点，这种情况就算作一次故障。对故障进行定义是对故障分析的基础，对故障的分析又是开展可靠性工作的基础。故障数据是可靠性分析中最重要的开展可靠性研究的数据，建立故障数据存储和处理系统对推进可靠性技术的发展起着重要作用。故障问题贯穿于产的整个寿命周期，在产品投入使用后，对故障产品进行故障数据分析也是可靠性工程中极其重要的一环，所以故障问题是可靠性工程的核心问题之一。故障数据分析可以对可靠性工程的整个过程做出有效、实际的检验和评定，而且，最重要的 是故障数据是对使用现场的真实反馈，通过运用、检修数据的积累和分析，指导设计、制造运用部门逐步规范业务流程，持续改进检修工艺、优化修程修制、控制维修成本，完善和优化动车组运用检修生产力布局，为动车组高效运营提供了强有力的支撑，作为可靠性设计和可靠性试验以及评审的依据。

目前，国内对动车组运用维修的故障数据统计记录最及时、最准确、最完整以及连续性最好的系统是中国铁道科学研究院开发的动车组运用检修管理信息系统，它是客运专线信息化的重要组成部分，是支撑客运专线运营的必要技术手段。该系统是实现全路动车组运用、维修信息化管理，及时掌握动车组检修运用状态，提高动车组专业化管理水平的重要技术平台，也是已上线运行的重要铁路生产系统之一。它采集了国内几乎所有动车组全寿命周期各个阶段的故障信息、维修数据。动车组在运用过程中产生的故障维修数据，是动车组在真实运行环境条件下产生的第一手资料，是动车组可靠性的真实反映。对其统计的故障数据进行归纳分析和等级划分具有如下的意义: 分析动车组故障，可以从中提取出表征动车组可靠性的特征属性，为掌握动车组的故障规律提供理论基础;动车组的可靠性分析就是根据动车组故障模式、故障机理、故障的影响及其后果的严重程度，分析动车组各个关键零部件的失效规律，预测关键零部件的寿命分布模型和可靠性指标，从而采取有效措施，提高高速列车的可靠度;划分故障等级，并通过危害度分析，可以确定动车组关键零部件的维修方式，同时，动车组各子系统的可靠性评估及其薄弱环节的辨识可为可靠性改进设计及维修策略的制定提供参考依据。

2.2层次分析法划分动车组故障等级

故障等级的划分是为了便于掌握零部件的故障对系统的影响和造成后果的严重程度，以便进行可靠性评价和故障模式及影响分析，也是对于决策发生此故障模式的子系统或部件维修方式的一个依据。

之前的故障等级的划分依据是:按故障造成人员伤亡的情况;按故障造成设备和环境的损失情况;按故障造成的直接和间接损失的情况。根据《铁路行车事故处理规则》中的行车事故等级，有文献[28]建议将我国机车车辆故障等级划分为五级，如表2.2所示:

在故障模式的描述中，通常采用发生频度的高低、严酷度的大小等模糊语言，判断标准由于人员各异而产生不同，这给系统的可靠性分析带来了较大的困难。模糊数学能够通过定量的方法来处理定性问题，使得其评价更为科学和准确 传统的故障等级的划分，参照的主要是故障产生的事故造成的损失，伤亡人数和经济损失，是通过对事故的损失情况来衡量故障的严重程度的，并没有针对故障本身，对于动车组后续的故障研究以及可靠性研究并没有指导意义。并且，随着动车组技术的进步和预防性维修体制的不断完善，动车组的运用可靠性已经达到了一个相当高的水平，即使发生故障也极少会出现表2.2中工、且、且I.IV以及V中A类所描述的危害情况。故障并不等同于事故，表2.2更加适用于故障造成的事故等级的评定。并且，在实际运用过程中，列车由于故障晚点情况比较复杂，发生的概率也有所不同，用表2.3中将故障概念和事故概念混在一起，无法客观地对故障的严重程度进行等级的评定，不适用于可靠性工程中对于故障的分析，所以有必要针对故障本身对动车组故障等级进行划分。2.2.1层次分析法简述

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简记AHP)是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法。它是将半定性、半定量问题转化为定量问题的行之有效的一种方法，使人们的思维过程层次化，将决策问题的有关元素分解成目标、准则、方案等层次。构建层次结构模型后，利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，进而求解多目标、多准则结构特性的复杂决策问题。具体地说它是用一定标度对人的主观判断进行客观量化，在此基础上进行定性或定量分析的一种决策方法。

层次分析法把人的思维过程层次化、数量化，并运用数学分析、决策、预报或控制提供定量的依据。应用层次分析法分析问题时，首先把问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同组成因素，并按照因素间的相互影响关系以及隶属关系将因素按不同层次组合，形成一个多层次的分析结构模型。并最终将系统分析归结为最底层相对于最高层的重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。综合评价问题就是排序问题。在排序计算中，引入1}9标度法，并写成判断矩阵形式，可以通过计算判断矩阵的最大特征值及相应的特征向量，计算出某一层相对于上一层某一个元素的相对重要性权值。在计算出某一层相对于上一层各个因素的单排序权值后，用上一层因素本身的权值加权综合，即可计算出层次总排序权值，总之，由上而下即可计算出最底层因素相对于最高层 14 的相对重要性权值或相对优劣次序的排序值。

层次分析法是一种模拟人的思维过程的工具。如果说比较、分解和综合是大脑分析解决问题的一种基本思考过程，则层次分析法对这种思考过程提供了一种数学表达及数学处理的方法。因此，层次分析法十分适用于具有定性的，或定性、定量兼有的决策分析，是一种十分有效的系统分析和科学决策方法。由于层次分析法有着严密的数学逻辑，所以可以借助计算机程序进行辅助计算，大大简化了分析过程。

2.2.2故障等级划分的基础

根据调研得到的5000余条运行故障记录，考虑故障影响程度、故障影响时间和故障发生概率三个方面来对动车组故障等级进行划分。

根据运行过程中发生的故障对于动车组后续运行、整条线路产生的影响以及社会影响等，综合考虑对故障的处理方式、处理难度以及处理时间，将故障影响程度分为4个等级，如表2.4所示。

动车组发生不影响继续运行的故障，可以运行到站后由随车机械师或者站内工作人员进行快速的检修，一般操作为隔离、复位等，对旅客的出行和线上其他车次动车组影响极小，故将其划为轻微影响;线上临时停车或限速，将会影响故障动车组所在的整条线路其他车次动车组的正常运行，根据临停时间或限速造成的晚点时间的不同，将其划分为一般影响对旅客的出行造成的影响也会随之不同但是影响不大闭临线围较大将会影响上在出现线上临时停车后机械师下车检查的情况时，需要封下行两条线路上的其他车次的动车组的正常运行，影响范且机械师将承担一定的风险，故将其划分为较大影响;当动车组产生故障不能继续运行时，需要救援车来救援或者需要旅客全部换乘到热备车上以进行后续的旅程，这种情况无论对车上乘客的正常旅行，还是整条线上其他车次动车组的正常运行都会产生很大的影响，车上乘客的不满情绪如果通过网络迅速传播会对铁路运用部门造成负面的社会影响，故将其划分为严重影响，铁路部门应尽量避免此类故障的发生。

每种等级的影响下，都会造成不同的晚点时间，参照表2.3“京津城际铁路高速动车组故障等级的划分”以及对实际故障数据的统计与归类，将晚点时间分为5个等级，如表2.5所示。

不同的故障发生的概率也不一样，小概率故障也可能引起严重的危害，所以在划分动车组故障等级的时候也应该考虑到故障发生概率的因素。参考《故障模式、影响及危害性分析指南》[33]，对不同的故障模式发生概率的等级进行划分，如表2.6所示。

对于影响程度等级高的却并没有对动车组、线路的正常运行产生影响的故障(即未临时停车、限速或晚点)，并不能与影响等级低却造成了长时间晚点的故障直接进行严重程度的对比，而不同故障发生的概率也不尽相同，甚至还有一些小概率事件，所以，用某单一的标准来评定故障的等级并不科学。本文同时考虑影响程度等级、影响时间等级和发生概率等级三个维度，利用层次分析法进行系统的分析得出一个综合评价的排序，使得我们对于动车组发生故障的严重程度可 以进行更加客观的评价。2.2.3分析过程及分析结果

构建递阶层次结构 应用层次分析法分析实际的问题，首先要把问题条理化、层次化。构造一好的层次结构对于问题的解决极为重要，它决定了分析结果的有效程度。通过对指标体系分析，建立一个由目标层，指标层和方案层组成的递阶层次模型，如图2.2所示。

建立问题的层次结构模型是AHP法中最重要的一步，把复杂的问题分解成称之为元素的各个部分，并按元素的相互关系及隶属关系形成不同的层次，统一层次的元素作为准则对下一层次的元素起支配作用，同时它又受上一层次元素支配。对于评价故障影响这个问题来说，层次分析模型主要分成三层。最高目标层只有一个元素，为对故障影响的评价，中间层则为准则、子准则，在这一问题中准则有影响等级、影响时间、发生概率三个维度，最下面的一层为方案层，即可能出现的各种故障情形。参考专家的意见，将指标层中的三个指标的重要度进行排序:故障影响程度>故障影响时间>故障发生概率。构建两两比较判断矩阵。

建立层次分析模型之后，我们就可以在各层元素中进行两两比较，构造出比较判断矩阵。层次分析法主要是人们对每一层次中各因素相对重要性给出的判断，这些判断通过引入合适的标度用数值表示出来，写成判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层次因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较。判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是进行相对重要度计算的重要依据。

假定上一层次的元素从作为准则，对下一层元素代，C1..C2……Cn………有支配关系，我们的目的是要在准则层乓下按它们的相对重要性赋予代C1..C2……Cn………相应的权重。在这一步中要回答下面的问题:针对准则Bk，两个元素C= 25 C….哪个更重要，重要性的大小。需要对重要性赋予一定的数值。赋值的根据或来源，可以是由决策者直接提供，或是通过决策者与分析者的 对话来确定，或是由分析者通过某种技术咨询而获得，或是通过其他合适的途径来酌定。

对于个元素来说，得到两两比较判断矩阵C一Ct72 X 72。其中C=J表示因素Z和因素J相对于目标的重要值。

一般来说，构造的判断矩阵取如下形式:

对于这类矩阵称为正反矩阵。对于正反矩阵，若对于任意i……., j, k有C.C二C，此时称该矩阵为一致矩阵。在实际问题求解时，构造的判断矩阵并不一定具有一致性，常常需要进行一致性检验。

本文采用萨蒂提出的19标度法构建两两判断矩阵。各级标度的含义如表 2.7所示。经过相关领域专家依据其工作及实践经验的判断决策，得到指标层相 对于目标层的判断矩阵如表2.8所示。

构造出比较判断矩阵后，即可对判断矩阵进行单排序计算，在各层次单排序 计算的基础上还需要进行各层次总排序计算，在这个过程中存在一个判断矩阵的一致性检验问题。

(3)计算权重

计算权重是计算判断矩阵的特征值最大值，及其所对应的特征向量，得出层次单排序，通过获得准则层对于目标层的重要性数据序列，从而获得最优决策。由于故障情形较多，计算比较复杂，故借助Matlab编制了计算权重和一致性检验的计算程序，输入判断矩阵即可输出权重系数以及一致性检验结果。计算过程具体如下所示:

1、利用判断矩阵计算权重系数，由公式:

因为CR<0.1，因此该判断矩阵与一致性检验符合要求。所以得到，指标层相对于目标层的权重为:、二(0.5278, 0.3325, 0.1396)o(4)综合评价

根据以上论述，故障影响的等级分为四个等级(工级、且级、III级、IU级)，故障影响时间分为五个级别(A, B, C, D, E)，故障发生概率的等级分为五个等级(1, 2, 3, 4, 5)，因此，故障情形可以分成100种情况。首先对各个指标的不同级别进行量化表示，以便能够对这100种情况进行比较分析。

为了使所有指标具有可比性，对三个评价指标均采用百分制原则进行量化评分处理，从而消除了量纲的影响。量化处理方法如表2.10所示。

利用计算得到的各指标的权重向量、_(0.5278, 0.3325, 0.1396)，对100种情况进行综合评价，得到结果如表2.11所示。

根据以上分析得出了各个情形的故障等级由高到低的排序，表2.12可以作 为一个库，将对应的故障对号入座。

致谢

我历时将近两个星期的时间终于把这篇论文写完了，在这段充满奋斗的历程中，带给我是涯无限的激情和收获。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师何老师何曹老师，没有他们对我进行了不厌其烦的指导和帮助，无私的为我进行论文的修改和改进，就没有我这篇论文的最终完成。在此，我向指导和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢！同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成本篇论文的最终写作。至此，我也要感谢我的朋友和同学，他们在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！金无足赤，人无完人。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正！

参考文献

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第二篇：动车组转向架故障原因及改进方法

摘要

安全是铁路运输的永恒主题，客车安全又是铁路安全的重中之重。旅客列车作为复杂系统集成，任何细小的故障隐患，都将可能造成无法估量的损失。本论文以 25K 型客车 CW-2 型转向架的故障统计数据作为分析依据，统计梳理了客车走行部的多种故障模式，综合乌鲁木齐车辆段的运营线路、季节气候、运行里程以及维修水平等多方面因素，运用数据统计以及相关性分析，确定出影响客车走行部故障主要的相关因素以及故障模式。合现场作业实际，本论文选取了客车走行部维修班组作为基于风管理维修策略的实施对象。根据“管理规范化”的要求，融合岗位安全职责、基本作业过程、规章管理制度以及安全质量控制措施等方面，修订出符合现场风险管理实际的《检车员岗位风险控制说明书》；根据“作业标准化”的要求，客车走行部故障模式、事故基本事件、安全风险点、基本作业过程以及质量标准，修订完善出具有操作性的《25K 型客车转向架流程风险辨析指导书》。通过对基于 25K 型客车 CW-2 型转向架故障统计以及因素相关性分析，运用故障模式故障树分析，基本事件的风险辨析、评估和层级防控，完善了分级管理、预警预控的客车维修策略，确保了现场安全作业管理的全面、准确、有效，进一步提高了客车维修水平。

关键词:CRHIn型动车组;转向架构架;车轴齿轮箱;转向架轴承

I

目 录

摘要.............................................................................................................................I 第1章.绪论..................................................................................................................1

1.1转向架的总体概括.........................................................................................1 1.2故障案例分析.................................................................................................1 1.3故障原因分析.................................................................................................2 第2章转向架的结构....................................................................................................3

2.1转向架由那些组成.........................................................................................3 2.2转向架的结构图.............................................................................................3 2.3轮对踏面压到异物后的异响.........................................................................3 2.4管路泄露故障引发的异响.............................................................................3 2.5油压减振器引发的异响.................................................................................3 2.6 自动车钩偏移引发的异响............................................................................4 第3章.转向架的作用..................................................................................................6

3.1转向架的历史.................................................................................................6

3.1.1准高速客车型.....................................................................................6 3.1.2高速型.................................................................................................7 3.2转向架的主要作用.........................................................................................7 第4章 转向架的故障分析..........................................................................................9

4.1动车转向架故障类型分析.............................................................................9 4.2动车组转向架故障原因分析.......................................................................12 4.2.1部件设备漏油分析...........................................................................12 4.3制动装置故障分析.......................................................................................12 4.4其他零部件的故障分析...............................................................................12 4.5动车组转向架的故障模式、致命性分析(FMECA).....................................13 第5章.动车组转向架轴承的检测技术与处理........................................................14 5.1动车组转向架轴承故障诊断的基本内容...................................................14 5.2动车组转向架轴承故障监测常用技术.......................................................14 5.3机车车辆轴承故障机理分析.......................................................................16 5.3.1轴承故障的振动原因.......................................................................16 5.3.2动车组转向架轴承缺陷产生的特征频率........................................16 结束语..........................................................................................................................18 参考文献：..................................................................................................................19

第1章.绪论

1.1转向架的总体概括

转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，其主要作用如下： 1）转向架是车辆的一个独立部件，在转向架于车体之间尽可能减少联接件。2）支撑车体，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配。

3）转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性。

4）充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。

5）车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、长度与容积、提高列车运行速度，以满足铁路运输发展的需要；

1.2故障案例分析

动车组在检修时发现有部分构架组成制动吊座表面有损伤现象，损伤状态主要呈现麻点状损伤(片状麻点，深度小于1 mm)、线性损伤1(长度贯穿吊座安装面，宽度小于0.5 mm，深度约0.1 mm)、线性损伤2(长度小于10 mm，宽度约2 mm，深度小于0． 5mm)、面状损伤(长度约10 mm，宽度约5 mm，深度小于0.5mm)四种现象，具体如图1 ～ 4 所示。

图1 麻点状损伤 图2 线性损伤1

图3 线性损伤2 图4 面状损伤

2012年6月2日D6242次CRH1092A运行途中随车机械师发现05车A架异响，出动热备车组替换CRH1092A回动车所后对05车A端转向架进行落轮检查，落轮后手动旋转05车2轴4位轴箱轴承时，可以听到轴承内部有异音。随后对轴承进行分解，内圈和滚子组件油脂状况：后挡侧（A）保持架上有金属。

图5 后挡侧（A）保持架

外圈滚道状况 :A侧外圈滚道面承载区有约90°范围的剥离区（见图 5）。外圈滚道状态 ：A侧外圈滚道承载区下方约90°范围剥离剥离区内可见与滚子接触形状和间距对应的原始剥离区域，非剥离有其它点状异物压痕，且非承载区较轻。由此可见该转向架异响是由轴承外圈滚道剥离造成的。

1.3故障原因分析

通过汇总动车组转向架在运行中出现的异响故障，分析主要原因如下：（1）轴承内部故障引发的异响中巡视发现（故障表现为动车组运行达到一定速度后发出固定频率的异响，通过随车机械师途因福州动车段发现的轴承故障造成的异响均在故障初发阶段，轴温升高尚未达到报警界限，所以在监控动车组状态的 IDU 上未能发现该（故障），此故障较难发现，要在一定速度才会发出异响，需随车机械师认真甄别。其产生的主要原因为：[1]轴承材质问题；[2]热处理不良；[3]局部外伤、锈蚀、偏载或过载；[4]材质正常疲劳破坏。

（2）轮对踏面擦伤、剥离或局部凹入引发的异响故障表现为运行过程中走行部发出固定频率的响声，并引起车辆振动。运行速度越快，响声频率越高；擦伤、剥离长度越长，响声越大。这类故障较易发现。踏面擦伤是动车运行中制动力过大、抱闸过紧，车轮在钢轨上滑行，踏面局部被磨成平面。

第2章转向架的结构

2.1转向架由那些组成

转向架的附属装置，轮对电机组装，构架，一系弹簧悬挂装置，二系弹簧悬挂置牵引装置，电机悬挂装置基础制动装置，手制动装置和砂箱等组成。

2.2转向架的结构图

图2 2.3轮对踏面压到异物后的异响

故障表现为某一转向架轮对踏面压到钢上的异物后发出一声巨响，因坚硬异物造成轮对踏面局部凹入而发出固定频率的异响。

2.4管路泄露故障引发的异响

故障表现为车辆下部发出尖啸声，漏泄量大可通过 IDU 所报故障信息进行判断，漏量小可通过随车机械师途中巡视或地勤机械师入库检查作业发现。其主要原因为车组经长时间运行震动或运行途中管路遭异物击打，使管路连接处出现松动、变形，导致管路中的压力空气漏泄发出异响。

2.5油压减振器引发的异响

其主要原因为车组在转弯时车体两边出现高度差情况下（特别是左右空气弹簧压力差超过 20kpa 以上时），造成油压减振器的偏磨（主要为二系横向）而发出异响，此为正常现象。如油压减振器发生严重偏磨或漏油则属于故障。

2.6 自动车钩偏移引发的异响

在动车组运行中，通过曲线时自动车钩支架左右弹簧位置发生偏移，导致晃动产生共所发出间断的敲击声，此为正常现象。（1）车钩的结构特点

车钩的连挂间隙小；车钩具有联锁和防脱功能；钩舌销不受力；耐磨性；良好的防跳性能；结构强度高；自动对中功能。(2)车钩的结构图见图3

图3 4

（3）原送料皮带存在的问题

在用户使用过程中，发现送料机构问题不少。由于每边采用(根3带，两边共有6根，换带时间长6虽然皮带的型号是一样的，但张紧后，还是有紧有松，影响正常送料。如果下面或中间的一根带断了，更换起来特别费劲6而且换了一根新的，松紧程度又不同了；特别是由于采用A型带,6带露在带轮外面的高度最多只能有5mm（如露在外面的部分多，带轮的轴线是在竖直方向，即带是在垂直方向工作，这样带很容易从带轮上滑落），皮带用不了10天就得更换6造成生产线停顿，经济损失大，用户的意见非常大。（4）新型送料皮带的优点

为了改变这种状况，对送料机构进行了改造。去掉原来的3带，重新设计了一种新式带。因为这种带的内面带有凸起的糟形，使得带在垂直位置工作时，靠凸起的槽形定位，不会改变位置，而向下掉，相应的带轮也改成中间有一槽。配合情况这种带实际上是由平带和 3 带组合而成。采用这种皮带后，调整带的张紧力非常方便，也不会出现松紧的现象。送料过程中也不会出现停顿，更换也非常方便。更为重要的是，这种带的厚度增加（相对平皮带来说），带的寿命大大增加。5

第3章.转向架的作用

3.1转向架的历史

20世纪50年这个时期，我国首次自行设计了转向架，主要型号有101、102、103型，是21型客车使用的导框式转向架，构造速度是100km/h，其结构复杂，笨重，运行性能差，现已淘汰!70年代，四方厂研制了U型结构的206型转向架，浦镇厂研制了H型构架的209转向架。206型转向架采用侧部中梁下凹的U型构架，干摩擦导柱式轴箱定位装置，带横向拉杆的小摇动台式摇枕弹簧悬挂装置，双片吊环式单节长摇枕吊杆外侧悬挂以及吊挂式闸瓦基础制动装置等，结构可靠，运行平稳，磨损少，检修方便，1993年开始在中央悬挂部分加装横向油压减振器，加装两端具有弹性节点的纵向牵引拉杆，形成206G型转向架，后加装盘型制动装置，形成206P型转向架。

209转向架是浦镇厂在205转向架的基础上研制的，于1975年开始批量生产。它采用H型构架，导柱式轴箱定位装置，摇动台式摇枕弹簧悬挂装置，长吊杆，构架外侧悬挂，两高圆弹簧，摇枕弹簧带油压减振器，吊挂式闸瓦基础制动装置等。1980年后，又生产了具有弹性定位套的轴箱定位结构和牵引拉杆装置的209T转向架。在此基础上，还生产了采用盘型制动的209P转向架。

在209T转向架的基础上，浦镇厂又开发了供双层客车使用的209PK转向架，其构造速度为160km/h。主要有以下方面的改进：采用盘型制动和单元制动缸，取消踏面制动；设空重调整阀；采用空气弹簧和高度调整阀；安装抗侧滚扭杆；保留了摇动台结构。209PK 转向架（P 代表盘型制动，K 代表空气弹簧）在这段时期内，我国还制造了少量用于公务车的三轴转向架，在原德意志民主共和国进口的软座，软卧车上采用了 211 等型号的转向架。

3.1.1准高速客车型

1994 年，四方厂、长客厂、浦镇厂相继研制出了 206WP、206KP、CW-2、209HS 转向架，在广深线动力学试验中最高时速达到了 174km/h，这些转向架的研制成功，标志着我国客车转向架技术上了一个新台阶。

206KP、206WP 转向架是四方厂为广深线准高速客车和发电车设计的转向架，二者除中央悬挂部分和构架侧梁全旁承支重；中央悬挂为有摇动台结构；设带橡

胶套的中心销轴牵引拉杆横向挡，横向拉杆，横向油压减振器，抗侧滚扭杆；轴箱悬挂系统设垂直油压减振器；基础制动装置为单元盘型制动，设电子防滑器；广泛采用橡胶元件，改善隔振、隔音性能，减小磨耗。

3.1.2高速型

1998 年起，各工厂相继推出了自己的高速转向架，例如浦镇厂的PW-200转向架，长客厂的CW-200转向架，四方厂的SW-200、SW-220K转向架等。PW-200转向架（PW代表PuzhenWork）是在209HS转向架的基础上重新研制的，它优化了一系和二系悬挂参数；采用了无磨耗的橡胶堆轴箱弹性定位装置；采用高速轻型轮对；轴颈中心距改为2000mm ；更换轴箱减振器安装位置；装用带可调阻尼和弹性支承的空气弹簧，采用两端为球铰的纵向拉杆；装用新型盘轴式基础制动装置；优化了结构设计。

SW-200 转向架结构与 SW-160 转向架基本相同，其改进如下：优化了一系、二系悬挂系数；采用轴盘式基础制动装置，适用于200km/h的高速列车。该转向架在1998年6月的郑武线动力学试验中最高时速达到了240km/h。在这一阶段，长客厂生产了我国第一台 CW-200 型无摇枕转向架。其构架采用4块钢板拼焊，横梁采用无缝钢管，与侧梁连通作为附加空气室，中央悬挂。

3.2转向架的主要作用

转向架是承载车体重量和传递走行动力的导向部件，是大型养路机械的重要组成部分，其主要作用如下：

1）承载车体重量转向架作为一个独立的走行装置，它直接支撑车体，承受和传递车架以上各部分（车体，车架，动力传递装置及作业装置等）的重量。2）传递走行动力把轮轨接触处产生的轮轴牵引力，以及通过曲线时轮轨之间的横向作用力传至转向架构架，经过减震环节再传向车体，同时，转向架引导车辆在线路上运行。

3）曲线通过转向架可相对车体回转，其固定轴距也较小，故能使车辆顺利通过半径较小的曲线，并大大减少车辆的运行阻力。

4）提高车辆的运行平稳性转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，使车体在各振动方向上的位移量减小，提高车辆运行平稳性和安全性。

5）保证必要的粘着力和制动力，充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和

制动力，放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。

6）便于检修，转向架是车辆的一个独立部件，在转向架于车体之间尽可能减少联接件。易于从车辆底架下推进，推出，便于检修，有利于劳动条件的改善和检修质量的提高。

7）转向架的主要技术要求，转向架是大型养路机械的主要组成部分之一，它用来传递车辆的各种载荷，并利用轮轨间的粘着作用保证牵引力的产生。转向架结构性能的好坏，直接影响大型路养机械的牵引能力、运行品质、轮轨磨耗和运行安全。

第4章 转向架的故障分析

4.1动车转向架故障类型分析

在分析产品故障时，一 般是从产品故障的现象入手，通过故障现象（故障模式）找出原因和故障机理。对机械产品而言，故障模式的识别是进行故障分析的基础之一。

由于故障分析的目的是采取措施、纠正故障，因此在进行故障分析时，需要在调查、了解产品发生故障现场所记录的系统或分系统故障模式的基础上，通过分析、试验逐步追查到组件、部件或零件级（如螺母）的故障模式，并找出故障产生的机理。

故障的表现形式，更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范描述。

故障模式一般按发生故障时的现象来描述。由于受现场条件的限制，观察到或测量到的故障现象可能是系统的，如制动系统不能制动；也可能是某一部件，如传动箱有异常响声；也可能就是某一具体的零件，如油管破裂等。因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系。

故障模式不仅是故障原因分析的依据，也是产品研制过程中进行可靠性设计的基础。如在产品设计中，要对组成系统的各部分、组件潜在的各种故障模式对系统功能的影响及产生后果的严重程度进行故障模式、影响及危害性分析，以确定各种故障模式的严酷度等级和危害度，提出可能采取的预防改进措施。因此将故障的现象用规范的词句进行描述是故障分析工作中不可缺少的基础工作。

依据某检修部门几年内积累的故障数据；故障数据中的列车号主要是从002A到190A；车辆编号是从1车厢到8车厢；二级系统包括车体系统、车外系统、电气系统、给水卫生系统、供风系统、内装系统、转向架系统7大系统；各系统的故障百分比如表1所示。

由表1可知转向架系统在整个动车组系统中故障频率所占有效百分比达20％以上。根据转向架系统的结构特点和功能，将转向架划分为悬挂装置、架构组成。轮对轴箱定位装置、排障装置、驱动装置、制动装置、转向架配管及配线等。

表1 二级系统频率分布的输出结果

制动夹钳安装槽底部的加工刀痕是新造时遗留的质量问题，在制动夹钳检修工艺文件中并未规定该部位细化的检修要求。据此完善制动夹钳检修工艺文件，增加了安装槽底部检查及打磨工艺要求，在检修过程中须检查制动夹钳安装槽底部是否存在异物及是否有明显的接刀痕迹的施工工序。对于安装槽底部有异物的，须打磨清除;对于安装槽底部存在明显加工刀痕的，使用细砂纸打磨消除刀痕，保证安装槽底部的平面度。同时要求将检修过程出现的问题在后续新造产品中须做好产品质量控制，即对于新造产品也增加了底部平面度检查工序，确保后续产品的质量，这样就可杜绝出现损伤现象。在完善制动夹钳检修工艺的前提下增加了制动夹钳底部安装面的防护工艺。要求制动夹钳在运输过程中需对底部安装槽进行合理防护，以防止安装槽底部受到磕碰或沾染异物而影响组装质量。

依据某机车车辆股份有限公司采集积累的大量使用维护数据，进行了分类处理，得到动车组转向架的故障部位和故障类型表，如表２所示。

0

表2 转向架系统故障模式统计表

从表２中明显看出，转向架系统总共有42个故障模式，制动装置包括轮对等故障达到30条，占26.78％，应重点加强与制动装置相关部件的管理维修和保养工作，及时发现故障隐患，杜绝事故。1 4.2动车组转向架故障原因分析 4.2.1部件设备漏油分析

通过表２分析可知零部件设备漏油在转向架故障中较为常见，可以占到总故障数的25％。通过对设备运行的观察发现可能故障原因是

（１）动车在运转时，在相对封闭的机械箱里，机器在运转时会产生大量的热量。动车组在全日制工作时，箱内温度逐渐升高，箱内压力也会逐渐增大．油液在箱内压力作用下从密封间隙处渗出。

（２）设计不合理；制造质量不良；使用维护不当，检查不及时。设备上的某些静、动配合面缺少密封装置，或采用的密封方案不合适；设备上的某些润滑系统只有给油路，而没有回油路，使油压越来越大，造成泄漏。

4.3制动装置故障分析

动车组制动装置故障在转向架系统故障中占到最大的比例，达到了26％以上。动车组转向架制动装置采用空液转换液压制动方式。制动装置故障不仅会造成动车组途中晚点，而且如处理不当会导致动车组发生事故，严重影响运输秩序，威胁乘客的生命财产安全。

制动系统的常见故障包括了制动控制装置传输不良、制动控制装置故障、制动控制装置速度发电机断线、制动力不足、制动不缓解、监控显示器显示抱死、列车紧急制动不能复位、监控器等控制设备无电等。制动控制装置传输不良时，制动时会检测制动力不足。传输不良主要是光连接器的连接插头松动、接触不良，终端装置接口卡板故障。当制动控制装置速度发电机断线时，车辆将无法进行滑行控制。制动力不足时，可能是UB－TRTD继电器故障、电路故障、制动管系泄漏、EP阀故障、检测传感器故障、BCU故障等。但出现制动抱死故障显示时，可能是由速度传感器断 线、PCIS防滑阀故障、CI与BCU信息传输故障导致再生制动与空气制动同时发生、BCU内部滑行、抱死检测控制错误显示制动系统故障等造成的。

4.4其他零部件的故障分析

轮对组成故障损伤，因其裸露车体外，且直接与地面钢轨接触，运行状况复杂，且轮对组成乃转向架的重要部件，如有故障易造成严重的事故。其次空气弹簧故障因其材质特殊为橡胶所制，较易被划伤，若运行时间长易造成空气弹簧的故障。其次还有横向减振器和抗蛇行减振器，这两者均为油压减振器，易造成漏 1 2 油故障，从而降低减振效果。制动夹钳的长时间使用及检修维护不当，使制动装置易出现故障。

4.5动车组转向架的故障模式、致命性分析(FMECA)

经过前面的分析，基本了解了动车组转向架的故障模式和发生原因，但是仍不清楚每种失效模式对转向架功能所造成的致命度的大小，所以需要对转向架进行FMECA分析[5-7]，以便掌握其可靠性薄弱环节，为可靠性评估与提高可靠度提供科学依据

部件ｉ以失效模式ｊ 发生失效时，该零部件的致命度为：

CRij ＝α

ijβijλ

i

ij是部件式中aij是部件i以失效模式ｊ而引起部件的失效模式概率；βi以失效模式j发生失效造成部件损伤的概率。国标草案中将此称为丧失功能的条件概率。其值为１，表示肯定发生损伤；0.5表示可能发生损伤；0.1表示很少可能发生损伤；０表示无影响。λi是部件i成为基本失效件的故障率采用平均故障率。

通过上面的分析，可以看到在转向架的各个主要部件中轮对部件的部位致命度最大，主要是因为轮对承受了车辆与线路间相互作用的全部载荷及冲击，且直接与地面钢轨接触。其次是制动卡钳（动车）、空气弹簧和轴箱体，它们将是影响转向架可靠性的关键部件。另外，横向减振器部件的致命度也不小，虽然抗蛇行减振器的故障致命度并不很大，但它是使动车组在行驶时具有良好的平稳性、舒适度和安全性的保证，列车在高速行驶中易发生转向架蛇行运动，所以也应该加以重视。具体到故障模式致命度来看轮缘擦伤、横向减振器漏油、制动夹钳漏油、空气弹簧破损、橡胶垫破损等，是重点针对的对象，对此可以采取以下措施：

（１）对于轮缘擦伤、横向减振器漏油、制动夹钳漏油、空气弹簧破损、橡胶垫破损、磨损、弹簧断裂、弹力不足等故障，要加强车辆行驶前、行驶后检查，必要时采取无损检测或磁力探伤，如发现部件有微小裂纹，应及时更换防止裂纹进一步扩展，磨损加剧等。同时建议使用抗拉压、抗剪切、抗扭转、耐磨损的材料来制造，合理改进制造工艺过程，提高部件的质量和使用寿命。

（2）动车组维修部门维护转向架时应严格按照维修手册规定进行，并对致命度大的部件和模式加以重视。

第5章.动车组转向架轴承的检测技术与处理

5.1动车组转向架轴承故障诊断的基本内容

动车组转向架轴承故障诊断与监测是通过轴承的劣化损伤以及性能状态参数,来判断和预测其可靠性和使用性,对异常情况的部位!原因和危险程度进行识别和诊断,及时的可靠的反映故障,防止事故的发生,保证整个动车组运行正常“总的来说,动车组转向架故障诊断的内容是:状态的监测,故障诊断和正确指导轴承的管理与维修三部分。

1.状态监测状态监测就是要采用各种方法掌握设备的运行状态,如检测!测量!分析和判别等”还需要结合系统的现状以及经验,考虑环境和突发因素,准确判断轴承状态,当其出现异常时,发出警报,提醒相关人员采取及时的措施“系统要具有显示和记录其状态的功能,为设备的故障分析和可靠性分析提供信息和基础数据”

2.故障诊断故障诊断技术的实质是:根据状态监测所获得的信息与数据,结合滚动轴承的运行历史!结构特性和参数条件,对滚动轴承的各种不同类型的故障进行预报和分析,并确定其性质!类型!原因!部位!严重程度!性能趋势和后果“

3.指导轴承的管理维修根据诊断结果,决定设备的维修方式和维修周期”避免/过剩维修0,防止因不必要的拆卸使设备精度降低,延长设备寿命;减少维修时间,提高生产效率和经济效益;减少和避免重大事故发生,故不仅能获得巨大经济效益,而且能获得很好的社会效益“ 5.2动车组转向架轴承故障监测常用技术

机械故障诊断技术发展几十年来,产生了巨大的经济效益,成为各国研究的热点，从诊断技术的各分支技术来看,美国占领先地位”美国的一些公司,如Bently,HP等,他们的监测产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平“发展至今,动车组转向架轴承故障监测的常用技术主要有:振动诊断技术,温度诊断技术,油样分析技术,油膜电阻诊断技术,声发射诊断技术等”下面简要介绍这些方法“1.振动诊断技术振动诊断技术是应用最早的!使用范围最广的故障监测诊断技术”运行的机械设备产生振动的原因是:表面的接触摩擦和旋转部件的不平衡等“进一步的研究表明:振动的强弱及其包含的主要频率成份和故障类型!部位和原因等有着密切的联系。本论文就是采用振动诊断技术是通过安装在轴承座和箱体上的压电式传感器采集轴承的振动信号,并采用有效的方法对其进行分析和处理，振动分析法具有: 4 1.对各种类型工况的轴承适用;对早期轻微故障诊断有效;信号采集方便，分析简单，直观;诊断结果可信度高,在实际中得到了极为广泛的应用，在实际诊断中,传感器采集振动信号中不仅反映轴承本身的工作情况,还包含了动车组中其他运动部件和结构的干扰噪声，在动车运行中,有轻微的局部故障的滚动轴承的振动信号成分往往会被干扰信号淹没,很难被分离与识别,对轴承的工况和故障的诊断会有一定的影响，因此,轴承振动诊断技术的关键是采用先进合理的振动诊断分析处理技术来抑制干扰信号，提取故障特征信息，有效地及时地发现轴承故障。

2.温度监测技术温度监测是通过测量运行中滚动轴承的温度来监测其工作状态是否正常的方法，温度监测法是一种常规!操作简单的故障诊断技术,轴承的温度对轴承的磨损程度和烧伤较为敏感,其应用在一定程度上能较好的反映轴承运行故障,提高了故障检测效率和增加了行车可靠性，但这种方法的缺点是:只有当轴承故障累积到相当严重的程度后,也就是轴承故障的晚期症状,温度才有明显的变化，而轴承出现早期故障如点蚀!剥落和轻微磨损时,温度监测无法发现”由于摩擦产生的热量与相对速度的平方成正比,车辆速度与切轴时间成反比,因此,温度监测逐渐成为滚动轴承的辅助监测技术,降低风险。

3.油样分析技术磨损断裂腐蚀和润滑不当是动车组转向架轴承失效的方式,其中润滑不当占主要部分，由于轴承在运行过程中是用油润滑或油冷却,零部件磨损等原因产生微小颗粒必然会带入到循环油液中，对轴承所使用的润滑油进行常规理化分析,或对其中的金属颗粒进行铁谱分析!颗粒计数等分析以及根据其形状和尺寸来判断轴承故障,就是油样分析技术，它能发现轴承的早期疲劳失效,可作磨损机理研究等特点,但是,这种方法易受其它外界因素的影响,一般用于离线监测,这样会导致信息可能不全面,还得依靠人力来管理,所以,这种方法具有很大的局限性

4.油膜电阻诊断技术动车组转向架轴承在旋转过程中,如果润滑良好,滚道和滚动体之间会有一层良好的油膜,由于油膜的作用,内圈与外圈之间有很大的电阻,达到兆欧姆以上;当油膜遭到破坏时,其电阻的值就会降低,甚至接近0欧姆，故电阻越大,油膜就越厚,摩擦就小,属于正常运行状态;若电阻很小时,油膜就比较薄,轴承摩擦大,属异常运行状态，我们可以通过测量轴承内外圈的电阻, 1 5 对滚动轴承磨损腐蚀等异常进行判断,但对表面剥落压痕裂纹等异常诊断效果差,其特点是适用于旋转轴外露的场合,对不同的工况条件可使用同一评判标准。

5.声发射诊断技术声发射(AcousticEmiSSion简称AE)是指物体在受到形变或外界作用时,因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象发射检测是一种动态无损检测方法,即:使构件或材料的内部结构,缺陷或潜在缺陷处在运动变化的过程中进行无损检测发射信号来自缺陷本身,对被检件的接近要求也不高,可以利用发射诊断技术长期监测轴承的运行状态与安全性发射检测到的是一些电信号,根据这些电信号来解释结构内部的缺陷变化往往比较复杂,需要丰富的知识和其他试验手段的配合，另一方面,声发射检测环境常常有强的噪声干涉,虽然声发射技术中己有多种排除噪声的方法,但在某些情况下还会使声发射技术的应用受到限制。

5.3机车车辆轴承故障机理分析 5.3.1轴承故障的振动原因

动车组转向架一般是内圈与动车的传动轴的轴顶过盈配合连接,工作时随轴一起转动;而外圈安装在轴承座或箱体上,工作时是固定或相对固定“由于内圈与传动轴连接,外圈又安装在轴承座或轴箱上,这样在动车组的运行过程中,对轴承和轴承座或箱体组成的振动系统产生激励,使该系统振动”引起轴承振动的原因除了外部激励因素(传动轴上其它零部件的运动和力的作用等)之外,如图 3-1所示。

5.3.2动车组转向架轴承缺陷产生的特征频率

当滚动体和滚道接触处遇到一个局部缺陷时,就有一个冲击信号产生缺陷在不同元件上,接触点经过缺陷的频率是不相同的,这个频率就称为特征频率,特征 6 频率可以根据轴承的转速!轴承零件的形状和尺寸由轴承的简单运动关系分析得到如图3一2所示，在外圈固定,内圈与轴一起旋转的情况下,假如内圈滚道!外圈滚道或滚动体上有一处局部缺陷,则两种金属在缺陷处相接触时的冲击振动间隔频率。1 7

结束语

踉踉跄跄的忙碌了半个月，我们的实习论文课题也终将告一段落，也基本达到预期的效果，心里也有一丝丝的成就感。但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽如人意的地方，本设计在何剑和曹楚君老师的悉心指导和严格要求下已经完成。从课题选择、方案设计到具体的设计和定稿，每一次改进都是我学习的收获。在实训的这段时间，也始终感受着导师们的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅，在此向何剑和曹楚君老师表示深深的感谢。

转向架是动车组的走行部，而构架组成作为转向架的重要组成部分，其重要性尤为突出。一个小的产品缺陷也有可能引发大的产品质量问题。车辆检修过程不仅是产品功能恢复的过程，而且是车辆故障隐患排除的过程。所以对待修车要从问题的根源进行分析并彻底解决，完全消除影响列车安全运行的因素，为列车的安全运行保驾护航。1 8 参考文献：

[1].袁清武.车辆构造与检修[M].北京：中国铁道出版社，2006.[2].陈世和.车辆修造工艺与装备[M].北京：中国铁道出版社，2004.[3].宋永增.动车组制造工艺[M].北京：中国铁道出版社，2007.[4].中国铁道部.CRH1型动车组途中故障应急处理手册[M].北京：中国铁道出 [5].曾全君.地铁车辆车轮寿命分析[J].铁道技术监督，2008,36 [6].国莹，马贤海，杨存法.转K2型转向架轮对偏磨故障分析[J].铁道机车车辆，2007,27(4).[7].李春艳，霍秀峰.转K2型转向架故障分析及改进建议[J].铁道车辆，2001,39(6).[8].萨师煊,王珊数.数据库系统概论[M].北京:高等教育出版社.2000.[9].施敏芳.滚动轴承在线监测与故障诊断系统[J].轴承,2001,(8):4一7.1 9

第三篇：动车组制动控制系统故障分析及改进

摘要

随着高速铁路在我国的普及，动车组的运行安全问题受到越来越多的关注。如何保障列车安全可靠的运行，成为近期的研究热点和难点问题。

制动控制系统作为动车组制动系统的关键组成部分，能否正常稳定工作，直接影响动车组的安全可靠运行，因此对制动控制系统的状态监测和故障诊断显得尤为重要和关键。由于动车组制动控制系统的复杂性及引进消化吸收的时间不长，制动控制系统故障仍较为多发，严重影响着动车组的正常稳定可靠运行。因此本课题对动车组制动控制系统中关键设备和部件的故障及潜在故障隐患开展深入研究，提出和改进了己有的故障特征提取技术和故障诊断方法，用于动车组制动控制系统关键设备和部件的故障诊断，以提高制动控制系统的可靠性、稳定性和主动安全防护能力。设计开发了制动控制单元自动化测试与故障诊断系统，并运用在CRH2型动车组制动控制系统的监测与故障诊断中，取得了很好的效果。

关键词:制动控制系统故障;诊断;集成经验模态分解;最小二乘支持向量机;粒子群算法

目录

摘要.....................................................................................................................1 第1章制动控制系统故障诊断研究现状及存在的问题...................................5

1.1故障特征提取技术.................................................................................5 1.2故障诊断方法.........................................................................................6

(1)基于专家系统的故障诊断方法......................................................6(2)基于人工神经网络的故障诊断方法..............................................7(3)基于案例推理的故障诊断方法......................................................8(4)基于多智能体的故障诊断方法......................................................8(6)基于主成分分析的故障诊断方法..................................................9(7)基于支持向量机的故障诊断方法..................................................9 1.3智能故障诊断系统...............................................................................10 1.4存在的问题...........................................................................................12 第2章故障特征提取技术与故障诊断方法.....................................................14 2.1主成分分析法.......................................................................................14 2.2集成经验模态分解方法.......................................................................15 2.2.1经验模态分解...........................................................................15 2.2.2集成经验模态分解...................................................................16 2.3最小二乘支持向量机的原理及结构参数优化方法...........................17 2.3.1最小二乘支持向量机的原理...................................................17 2.3.2最小二乘支持向量机结构参数优化方法...............................18 2.3.3遗传算法...................................................................................18 2.3.4模拟退火算法...........................................................................19 2.3.5粒子群算法...............................................................................19 2.4最小二乘支持向量机的多分类方法...................................................19 2.4.1一对多的多分类法...................................................................20 2.4.2一对一的多分类法...................................................................20 2.4.3有向无环图的多分类法...........................................................21 2.4.4二叉树结构的多分类法...........................................................22

2.4.5基于改进最优二叉树的多分类法...........................................23 本章小结......................................................................................................24 参考文献..............................................................................................................25

绪论

随着高速动车组在我国的飞速发展，动车组运行的可靠性和安全性受到越来越多的关注。作为动车组九大关键技术之一，制动系统能否稳定可靠工作直接关系到动车组的安全稳定运行。而制动控制系统作为制动系统的大脑和控制核心，负责制动系统的操作和具体执行，其工作安全可靠性显得尤为重要。

故障诊断技术是一门了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是正常还是异常，早期发现故障及其原因，并预报故障发展趋势的技术。随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，乘坐动车组出行变得越来越普遍。如果动车组上的某台设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，还可能造成列车非正常停车或发生事故，甚至发生车毁人亡的严重后果，造成巨大的经济及人员损失。因此，对动车组组成的各个设备和零部件进行故障诊断具有极为重要的意义。

制动控制系统是一个复杂的系统，产生故障的环节较多，如制动控制系统制动控制单元通讯故障可能涉及到内部所有控制板的工作状态;制动控制系统中的传感器故障可能导致列车制动性能的下降或紊乱。由于列车在运用过程中，工作环境和列车操作状态等会实时发生改变，从而导致制动控制系统的某一故障可能只有在特定的条件下才能够出现。因此有些故障需要结合车型和设备类型才能查找故障的根本原因。

当前大部分的动车组制动系统及其制动控制系统都已经具有一定的自行诊断功能，能够诊断出常见的系统故障，但是由于出现故障的不可预知性和系统运行现场环境的多变性等因素，工作人员无法完全知道整个系统可能出现的所有故障。另一方面，设备的自诊断功能也不能诊断出设备运行的所有故障和其自身内部的故障，有些故障需要通过电压、电流、温度、压力和速度等特征描述，需要应用信号处理、数据挖掘和信息融合等多种技术进行分析。由于这些技术的先进性、复杂性和智能化高等特点，往往需要专门的维修人员到现场维修，这就导致故障拖延时间长、故障原因查不清楚和维修费用高等问题。

第1章制动控制系统故障诊断研究现状及存在的问题

目前故障诊断的理论方法主要分为三类:基于知识的方法、基于数学模型的方法和基于人工智能的方法。其中基于人工智能的故障诊断方法由于其方法的智能性和多领域结合，取得很大的进展和成就。目前对故障诊断技术的研究主要分为两部分:故障特征提取技术的研究和智能故障诊断方法的研究，下面分别对二者作简要的概述。

1.1故障特征提取技术

在故障诊断技术的发展过程中，最重要最关键而且也是最困难的问题之一就是故障特征信息的提取。在某种意义上，特征提取也可以说是当前故障诊断研究中的瓶颈问题，它直接关系到故障诊断的准确性和故障早期预报的可靠性。

传统的频谱分析、傅里叶分析、包络分析、相关分析和最大墒谱分析等信号处理方法，在设备状态监测与故障诊断中发挥了巨大作用，仍是目前最常用的故障特征提取方法之一。设备的故障通常以各种各样的信号表征出来，可以通过信解决措施，防止类似故障的再次发生，在Entroncamento-Guarda货运机车上应用后取得很好的效果。号分析的方法获取某一故障的特征信息，进而对故障进行诊断。具体到动车组制动控制系统，故障特征提取与分析技术就是应用各种信号分析技术对动车组制动控制装置的监测信号进行各种分析，进而提取出对特定故障敏感的特征信息的技术。

早期的信号分析研究主要集中在经典信号分析方法，取得了大量的研究和应用成果。然而以傅里叶变换为基础的经典信号分析方法也存在明显的缺点，傅里叶变换反映的是一段信号的整体统计特性，适合平稳信号的分析。实际上设备发生故障后，故障信号是包含噪声等其他信号的非线性、非平稳随机信号，而傅里叶变化对信号的时频细节分解不够，在分析非线性、非平稳信号时存在重大缺陷。随着新技术的发展，针对非平稳信号、非线性信号的新分析方法如小波分析、希伯特一黄变换和主成分分析等信号分析方法不断出现，并且很快应用到列车的设备状态监测和故障诊断中，取得了很好的效果。Lin Lixin等在对SS7E电力机车变流器故障诊断中，采用小波分析的方法提取变流器输出电流波形，提取小波特征嫡组成特征向量，输入到神经网络中进行故障诊断，仿真试验证明了提出方法的有效性。Lei Yaguo等采用EEMD分解和小波神经网络对机车的滚动轴承进

行了故障诊断，可以识别轴承故障的严重故障以及识别多种复合故障，取得了很好的效果。Morgado等”针对葡萄牙铁路公司2600系列机车的齿轮箱外壳故障，采用PCA分析对引起外壳故障的振动和疲劳情况进行归纳分析，并提出了相应的解决措施，防止类似故障的再次发生，在Entroncamento-Guarda货运机车上应用后取得很好的效果。

1.2故障诊断方法

随着人工智能技术的发展，故障诊断方法由传统的故障树分析方法和逻辑推理法等系统诊断法发展到当前的专家系统、人工神经网络、粗糙集、支持向量机、信息融合理论和多智能体方法等基于模式识别等智能化诊断方法。智能诊断技术为人们提供了用智能技术解决复杂系统故障诊断问题的强有力的工具。

在本课题中，对动车组制动控制系统关键设备和部件的故障诊断是属于元器件级、电路板级和设备级的故障诊断，针对动车组制动控制系统组成设备和部件，国内外提出了很多的故障诊断方法，常见的故障诊断方法如图1所示。

(1)基于专家系统的故障诊断方法

专家系统主要由知识库、数据库、推理机、解释机构、机器学习、人机接口等组成，它是研究最多、应用最为广泛的一种故障诊断方法。

西南交通大学的张永春和刘晓卉等分别设计开发了基于故障树的机车制动系统状态监测与故障诊断专家系统，通过对机车制动系统的组成和原理进行深入分析后，在Visual C++6.0开发环境下设计开发了制动系统专家故障诊断系统的软硬件，在模拟试验台上进行了模拟试验，取得了较好的效果。但该系统仅对电力机车的折角塞门误关和空气管路泄露故障进行了故障诊断分析，并没有对制动控制系统开展相应的研究。

中南大学的林立新设计开发了基于知识的SS7E电力机车电气故障诊断系统，运用逻辑识别法和模糊识别法通过对SS7E电力机车的电气故障进行认真全面的梳理和分析，构建了电气系统故障知识库，并运用正反向推理和故障树分析法，对电气系统故障进行诊断。但是只对电力机车电气故障进行诊断，且主要工作为设备开关量故障的检测与诊断。

汪子皓等采用二叉树的分析方法设计开发了二叉树模式的知识库和推理机，用于内燃机车的故障诊断，取得了整车故障诊断的高效率。

由于专家系统存在知识获取较难，学习能力较弱、容错能力差以及大容量知识情况下的知识爆炸现象，限制了其性能和推广应用。(2)基于人工神经网络的故障诊断方法

人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)模仿人脑神经细胞结构和功能，具有自学习能力、并行计算能力和联想能力，从而使人工神经网络理论在机车车辆设备的智能故障诊断中得到广泛的应用。中南大学的聂哗提出了基于改进遗传算法优化的BP(Back Propagation)神经网络故障诊断方法，用来诊断动车组转向架轴承的故障，取得了不错的效果。杨建伟等};]提出了基于小波包变换和BP神经网络的轴承故障诊断方法，对轴承的振动信号利用小波降噪，并提取故障特征向量，输入到BP神经网络进行训练，实现智能化的故障诊断。

图1 常见的智能故障诊断方法

大连交通大学的严书荣也提出了基于神经网络的高速列车制动故障诊断专家系统，把神经网络和专家系统相结合，发挥各自的优点，对高速列车制动故障 7

进行故障诊断。

但是人工神经网络在故障诊断中还存在以下问题:需要大容量的样本进行训练学习，且学习算法收敛的速度慢;网络的泛化能力和自适应能力较弱，网络学习率不稳定，易陷入局部最优。

(3)基于案例推理的故障诊断方法

案例推理是一种基于经验知识的类比推理方法，适用于没有完整、精确的数学模型，而有丰富经验和大量详细历史一记录的领域，对于复杂系统的故障诊断具有很大优势，相比于基于规则推理的专家系统，其知识获取容易，具有记忆功能，更容易开发和实现等优点，被广泛的应用在铁路机车车辆的故障诊断领域中。美国的Anil等提出了基于案例推理的机车故障诊断系，通过对机车故障案例的整理分析，运用案例推理的优势，开发了机车故障诊断系统。

中南大学的赵明也提出了基于案例推理的机车故障诊断专家系统，通过分析和研究机车故障诊断领域知识特点和大量的故障维修日志，构建了基于案例推理方法的专家系统，并对案例推理的知识工程和案例检索技术进行深入的分析，最后设计和建立了系统的概念模型、物理模型和软件原型系统，并进行了仿真测试，证明了方法的有效性。

目前，案例推理中故障案例的检索、重用以及故障案例库的维护成为案例推理推广的瓶颈，案例推理需要大量的故障案例，不适合小样本情况下的故障诊断。

(4)基于多智能体的故障诊断方法

多智能体理论和方法是分布式人工智能领域的重要成果，自20世纪70年代以来得到迅速发展，具有集体智能、可扩展性高鲁棒性和高可行性的优点，适合于解决大规模的复杂问题。

针对电力机车电气系统结构的复杂性和故障的并发性，中南大学的赵治平和、ang Yingze等分别将多智能体技术(Multi-Agent System,MAS)引入到机车故障诊断系统中，建立了基于多智能体技术的的8G型电力机车故障诊断系统结构模型，采用多智能体组合技术进行电力机车电气系统故障的协同故障诊断，并采用智能决策方法进行最终诊断结果确定。Yang Yingze等还搭建了20000吨重载列车同步制动系统在线状态监测和故障诊断系统，并应用到重载机车上。

目前关于多智能体理论还不完善，如智能体的知识表达、推理机制和智能体 8

学习等;系统构建复杂，各个子智能体间的协同及冲突解决问题还有待深入研究。

（5）基于贝叶斯网络的故障诊断方法

贝叶斯网络是一种能够对复杂系统建模、推理和学习的重要工具，为了提高制动系统故障诊断的有效性，北京交通大学的胡玲玲在详细阐述了贝叶斯基本原理基础上，建立适合空气制动系统故障诊断的贝叶斯网络的具体模型。诊断结果表明应用该方法进行空气制动系统故障诊断的有效性，而且可以有效的解决不确定故障的诊断。

(6)基于主成分分析的故障诊断方法

针对机车制动系统多工况的特性，中南大学的侯文明提出了一种基于多工况多主元模型的在线诊断方法，并通过仿真试验验证了主成分分析方法在制动系统故障诊断系统的有效性和可行性。

(7)基于支持向量机的故障诊断方法

支持向量机((Support Vector Machine,SVM)是在统计学习理论基础上发展起来的一种新的学习算法，它基于结构风险最小化原理，很好地解决小样本、非线性及高维情况下的分类问题。支持向量机一开始用于模式识别，近年来在故障诊断领域得到广泛应用。与人工神经网络相比，支持向量机样本需求少，训练时间少，抗噪能力强，并能很好解决局部收敛、过学习与欠学习等问题。

中南大学的耿永强等提出了利用经验模态分解和支持向量机诊断机车轴承故障方法，运用经验模态分解方法对轴承振动信号进行分解，将得到的若干个内察模态函数((Intrinsic Mode Functions,IMF)形成初始特征向量矩阵，然后对该矩阵进行奇异值分解，提取其奇异值作为故障特征向量，并进一步根据支持向量机分类器的输出结果来判断机车轴承的工作状态和故障类型，仿真实验结果表明该方法的有效性和小样本情况下良好的泛化能力。

Luo Jianhui等利用基于模型和支持向量机的智能故障诊断方法，结合系统方程和非线性观测器获得系统残差，以消除噪声的干扰，然后利用非线性观测器获取特征信息，输入到支持向量机中进行训练和辨识，应用于制动系统四种传感器参数的故障诊断中。

支持向量机中不敏感损失参数、核函数参数和规则化参数等的选择对诊断效果有着很大的影响，需要选择合适的优化算法对其参数进行优化处理，以获得更 9

好的诊断效果。

1.3智能故障诊断系统

铁路机车车辆故障诊断技术，国外发展比较快，目前国外的高速列车上都安装有相应的列车监测诊断系统，美国GE公司开发了内燃机车故障诊断系统DELTA和电力机车的LOCOCOMM系统，德国西门子公司开发了SIBAS32系统，加拿大的庞巴迪公司开发了MICAS系统、法国阿尔斯通公司开发了AGATE系统，德国的ICE2.2高速列车安装的DAVID诊断系统;日本新干线高速列车的监测与诊断系统主要是列车控制信息管理系统，如日本新干线200系动车组的MON 1监控系统，400系动车组的MON4监控系统、800系动车组的智能化故障监测装置等;俄罗斯国铁250km/h高速电动车组安装有“雄鹰250”安全检测与诊断系统。这都是20世纪90年代中后期发展起来的新兴高速列车监控和智能诊断技术。美国和加拿大致力发展的智能化铁路系统，将整个铁路构成一个实时网络系统进行考虑，确保铁路安全、高效地运行。在车载方面，分别在列车和货车上安装有完备的传感器组，以保障列车的安全运行。

我国铁路机车车辆故障诊断技术起步较晚，但是经过多年的不断摸索，从早期的仿制到后来的引进消化再吸收，逐步对铁路机车车辆的制造和运用形成了一系列行之有效的方法，对机车车辆控制和故障诊断技术有了比较明确的认识。国内从事诊断方法及实现技术的研究较多，但对诊断设备的研究较少，虽然有的试制了样机，并在铁路现场实验考核运用过，但由于种种原因，最终没有形成一种产品真正的大批量在机车车辆上普及应用。如中国铁道科学研究所机车车辆研究所在2004年开发的“KAX 1型行车安全监测诊断系统，在列车高速运行中可对基础制动装置的作用、转向架的性能、防滑器的工作状态等进行监测、诊断和报警。中南大学黄志武等研制的HXD2型机车法维莱制动机故障诊断系统，建立了制动机功率键合图模型和解析冗余方程，并应用到太原铁路局湖东机务段的HXD2型机车上。青岛四方机车车辆股份有限公司开发了“高速动车组制动测试系统”，利用测试系统模拟各种速度信号、车辆空簧载荷信号及再生制动模拟信号，并把模拟信号输入到动车组，通过车辆制动系统施加制动动作，输出制动信息，进而通过对制动信息数据的采集分析，判定制动系统的各项性能能否满足设计要求。北京交通大学的方科挺设计开发了CRH2动车组的应急故障模拟与维修

培训系统，以方便动车组司乘人员熟练掌握应急故障处理方法和措施。

在我国引进的动车组系列中，CRH 1, CRH2, CRH3和CRH5分别安装有国外相关公司的状态监测和故障诊断系统，如引进的CRH2动车组安装有日本东芝 的车载故障诊断系统，CRH3安装有西门子的SBIAS车载控制和故障诊断系统诊断系统总体框架结构如图2所示。CRH 1和CRH5也分别安装有各自研发的列车控制监控系统。高速动车组诊断系统是一个层次化的诊断系统，其层次化体现在高速动车组是由一系列控制子系统组成的，每个控制子系统具备检测自身故障的能力，且当故障发生时，能够对故障信息做出相应处理。

图2高速动车诊断系统总体框架

CRH2 型动车组具有比较系统全面的故障诊断系统，它的诊断以监测或设备测试的形式集成在动车组中。每个功能都可进行诊断，并报告可能的故障和各自的功能限制给动车组中央诊断系统，以便进行诊断。但是CRH2型动车组车辆诊断系统也存在一些不足，列车的诊断系统经常会发生故障误报情况，经常由于某个系统方面的单个原因产生一个故障信息，由于它们是相对独立的，所以它的故障描述及解决方案是片面的，往往无法准确描述出故障点，使得维护人员根据故障提示往往找不到故障原因。故障诊断系统是系统级的故障诊断，没有具体定位到具体设备或部件内部的故障现象，不能给出故障的深层次原因，也不具备潜在故障预警功能。

1.4存在的问题

目前国内对于动车组制动系统，特别是制动控制系统的故障诊断的工程应用和理论研究还很少，而在动车组运行中制动控制系统在制动系统中起着至关重要的作用，包括对制动系统的控制、传感器信号的采集处理和制动的性能等，都依赖于制动控制系统。制动控制系统是制动系统精确控制中重要的子系统，而长时间的线上运行，制动控制系统中的设备和部件容易产生故障或故障隐患。故障或故障隐患对于制动控制系统有的是突发的，故障特征明显的，而有些是因为长时间在恶劣环境下工作导致的漂移、电磁干扰等缓变型故障，这类故障虽然不会造成制动控制系统马上制动控制失灵等严重故障，但是制动控制系统的性能却己经受到影响或改变，给动车组的安全运行埋下隐患，而且缓变故障是长期发生的，无法用精确的数学模型刻画，传统的基于知识的专家系统无法对这些潜在的故障和隐患建立相应的规则数据库。随着时间的增加，缓变故障会产生从量变到质变的过程，一旦故障发生，就会对列车制动控制系统的闭环控制产生不可估量的影响和后果，甚至导致列车制动失灵或者颠覆等严重危及列车安全运行的事故。所以研究动车组制动控制系统故障的智能诊断对于动车组的安全运行具有十分重要的理论意义和工程价值。

随着现代科学技术的发展及自动化程度的提高，动车组制动控制系统故障诊断技术也在不断的成熟，但是由于动车组的制动控制系统是典型的机电、气、液一体化的大型复杂系统，结构庞大而复杂，很难建立起准确可靠的数学模型:另外由于制动控制系统组成的设备众多，结构存在差异，导致故障特征的共性较差;

而且在现场的应用中，制动控制系统有效状态信息的获取面临着极大的困难，传感器性能或者不能满足测试环境要求、或者价格昂贵。目前制动控制系统的故障诊断方法很多，比较凌乱，还不存在一种较为通用性的方法。这也是制约动车组制动控制系统故障诊断技术发展的主要因素。具体来说，目前存在的问题主要体现在以下几个方面:(1)制动控制系统故障诊断建模过程中过度依赖于系统运行维护中收集的故障信息和专家经验知识，诊断模型知识完备性差;(2)目前动车组已有的故障诊断系统属于系统级的故障诊断系统，诊断的层次较低，不能定位具体故障和给出故障深层次原因，无法及时的消除故障和故障隐患;(3)由于动车组引入时间较短，还处于消化吸收的阶段，对动车组制动控制系统的故障机理和故障信息的收集还比较匾乏，状态监测和故障诊断系统的开发也受到很大的制约;(4)对于动车组制动控制系统，一旦出现重大故障将会产生严重的政治影响和经济损失，事后诊断己经远远不能满足列车运行维护的要求，需要开展故障预警和预测研究，提高动车组的主动安全防护能力。

第2章故障特征提取技术与故障诊断方法

故障特征提取的准确与否直接关系到智能故障诊断的准确性和早期故障征兆预示的可靠性。由于不同信号处理方法能够从不同的角度提取故障特征信息，而且对于复杂关键设备的早期、微弱和复合故障，其故障特征往往不明显。因此，需要解决在故障早期就能把故障的原始特征准确的从高维映射到低维特征空间的问题，而多种不同的信号处理方法联合使用更可能获得准确的故障信息特征。基于人工智能的智能故障诊断方法是目前研究的热点，己经广泛应用在各个领域。本章分别对目前常用的故障特征提取方法和故障诊断方法深入分析。首先对目前常见的几种特征提取方法进行归纳分析，然后对LSSVM的基本原理及其多分类方法进行深入分析和讨论，并提出了改进最优二叉树结构的LSSVM。

2.1主成分分析法

基于主成分分析的特征提取方法(Principal Component Analysis, PCA)是传统的基于统计理论的特征提取方法中的最典型的方法，己经被广泛应用在模拟电路故障诊断、传感器故障诊断、机械设备故障诊断和工业过程监控及故障诊断等中作为主要的故障特征提取方法。PCA是从特征对分类是否有效的角度，在尽可能多地保持故障特征分类的相关信息的基础上，通过线性变换，从数据空间中接近数据方差的一组向量，从而实现数据的降维，这样既保留了数据的核心信息，而且各主分量之间相互独立，降低了数据处理的复杂性。

在本课题的研究中，PCA方法被用于模拟电路软故障的故障特征提取，基于PCA的模拟电路故障特征提取和故障诊断系统结构框图如图3所示。首先把激励信号输入到待诊断电路，同时采集输出的信号响应，经过归一化处理后建立故障特征的特征矩阵，然后计算故障特征矩阵的特征值和特征向量，最后根据故障特征值的方差贡献率选取PCA，经过PCA方法将故障特征向量降维后输入到故障诊断网络，进行故障识别和分类。PCA方法降低了诊断网络的规模、维数和计算复杂度，提高了故障诊断的速度。但是因为概率密度函数的分布问题使最优变换矩阵的计算陷入困境，而高分辨特征提取所需的映射常常是非线性的，因此基于PCA的线性变换方法在使用时受到了限制。

图3基于主成分分析的模拟电路故障诊断

2.2集成经验模态分解方法

2.2.1经验模态分解

1998年美国科学家Norde E.Huang等提出了利用经验模态分解方法来分析非线性非平稳信号的新方法。经验模态分解算法是一种自适应的信号分解方法，该方法不受不确定原理的限制，在时域和频域都具有很高的分辨率，克服了传统的Fourier变换和小波变换的缺点，可应用在非线性、非平稳信号的分析处理上。

在满足一定的条件下，瞬时频率即是IMF函数。IMF函数是一种简单的不带骑行波的信号，可以将信号分解成若干只包含这种信号之和，又由于IMF不仅局限于窄带信号，而且其振幅和频率也不是固定不变的，所以它能表示非平稳过程。EMD分解算法流程图如图4所示。但是EMD在分解过程中存在模态混叠现象，这是由于信号的突然中断引起的，为了有效的解决模态混叠，国内外提出了不少方

法，但是都性能都具有局限性。Wu Zhaohua等在对EMD分解白噪声研究的基础上，提出了集成经验模态分解的方法，有效的解决了EMD存在的模态混叠现象，下节对集成经验模态分解的原理进行详细的阐述和分析。2.2.2集成经验模态分解

EEMD方法基于信号的局部特征的时间尺度，克服了EMD方法的模态混叠现象，分解出的各个内察模态函数突出了数据的局部特征，对其进行分析可以更有效的掌握原始数据的特征信息，每一个IMF函数都是自适应的。其具体的分解步骤如下：

图4 EMD算法流程图

2.3最小二乘支持向量机的原理及结构参数优化方法

2.3.1最小二乘支持向量机的原理

近年来，在机器学习领域中备受瞩目的支持向量机在许多领域得到了成功的应用，显示出巨大的优越性。支持向量机克服了神经网络网络结构确定困难、收敛于局部极小和不适合小样本等缺点，有效解决了小样本、高维数和非线性等学习问题。但在应用中，采用逼近算法和多类分类不如两类分类效果显著等不足，训练速度慢，造成支持向量机泛化能力的下降。

最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LSSVM)是由Suykens和Vandewalle，提出的对SVM的一种改进算法，它用二次损失函数取代

SVM中的不敏感损失函数，通过构造损失函数将原SVM中算法的二次寻优变为求解线性方程，降低了计算的复杂性，具有更好的抗噪能力和更快的运算速度。LSSVM因其求解速度快、收敛速度快而在故障诊断、回归预测、模式识别和模型优化等领域得到了广泛的应用。

2.3.2最小二乘支持向量机结构参数优化方法

目前，国内外优化支持向量机结构参数的主要方法有传统的基于分析的方法和近年来成为研究热点的基于人工智能的启发式搜索优化算法。基于分析的方法是通过推广误差的梯度来确定最优的结构参数，如试凑法、交叉验证法、梯度下降法、网格搜索法]和三步搜索法等，但这些算法往往存在计算复杂，耗时长，易陷入局部最优，不一定能获得全局最优等缺点。第二类方法确定结构参数的采用启发式算法，如遗传算法、模拟退火算法、人工免疫算法、粒子群优化算法等，下面对各种启发式优化算法的优缺点做简要归纳总结。2.3.3遗传算法

遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是一种借鉴生物界自然选择自适应搜素的全局优化算法，通过对自然界遗传的交叉验证环节与人工智能的结合，适合处理复杂的非线性问题的求解，具有并行搜索、群体寻优的特点。重庆大学的李峰等提出了基于遗传算法优化的LSSVM结构参数求解算法，并用于风机传动系统的故障诊断，取得了很好的效果。遗传算法分层优化支持向量机的核函数参数和规则化参数，可以在小样本空间内对LSSVM的结构参数进行寻优，避免了传统的故障类型和规则知识的限制，提高了LSSVM的故障预测精度和自适应诊断能力，并可以推广应用于线性、径向基、Sigmoid等核函数条件下的LSSVM优化，深沟球轴承故障诊断实例说明该模型的有效性。

华北电力大学的王平等[ioy提出了基于GA优化的LSSVM的时间序列预测建模方法，并将该方法用于十维的Mackey-Glass混沌时间序列预测，实验结果证明了该优化方法具有自动获取最有参数、训练速度快、精度高和泛化能力强的优点。

但是基于遗传算法优化运算较复杂，存在交叉、变异等运算使群体中的染色体具有局部相似性，导致算法易陷入局部最优，不一定寻找到全局最优值。

2.3.4模拟退火算法

模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)是以Markov链的遍历理论为基础的基于物理中固体物质的退火过程与组合优化问题之间的相似性的启发式搜索算法。模拟退火算法采用Metropolis准则使得模拟退火算法能够保证局部寻优的精度，避免陷入局部最优，而逐渐获得全局的最优结果。

山东大学的隋文涛提出了基于模拟退火优化的LSSVM算法，利用模拟退火算法对LSSVM参数和特征进行寻优，并用于滚动轴承故障诊断中，与其他方法相比，故障的分类正确率更高。

虽然SA能解决优化组合问题，能克服优化过程中陷入局部最优和初值依赖性问题，但其计算时间长，全局收敛性能很差，存在结构复杂、时间复杂度高等问题。

2.3.5粒子群算法

粒子群优化算法((Particle Swarm伽timization,PSO)是一种启发式的搜索进化算法，具有较好的全局搜索和局部搜索能力，可以对LSSVM的结构参数进行优化。

石家庄铁道大学的耿立艳等]提出了基于灰色关联分析和粒子群优化的LSSVM算法，用于铁路货运量的预测，通过对我国1980-2009年铁路货运量实例分析表明:该方法具有较快的收敛速度和较高的预测精度。但是粒子群存在早熟现象易陷入局部最优，影响 LSSVM结构参数的最优化。

中南大学的龙文等提出了混合PSO优化的LSSVM模型用于锅炉延期含氧量的预测控制，通过采用以粒子群优化算法进行大范围的全局搜索，在局部使用拟牛顿法进行局部搜索方向的计算，以求避免粒子群易陷入局部最优的缺点，但是对于局部搜索存在盲目性，不能从本质上解决粒子群早熟和局部最优的问题。

综上可知粒子群优化算法的局限性是由于粒子群优化算法特有的粒子间单向信息流的影响，粒子群优化算法具有非常快的收敛速度，经过不太多次的迭代进化后，种群中的各粒子往往具有相同的特征。这样，导致种群缺乏多样性，难以跳出局部最优，往往很容易形成过早收敛。

2.4最小二乘支持向量机的多分类方法

由于标准的LSSVM只能解决二分类问题，但是现实中大部分诊断和分类都是

多分类问题的辨识和识别问题，为了有效解决LSSVM多分类问题的方法，国内外提出了很多多种分类方法，典型的有一对多多分类法、一对一多分类法、纠错编码多分类法、有向无环图多分类法和二叉树多分类法。2.4.1一对多的多分类法

对于k分类问题，一对多的多分类(One-Versus-Rest,O-V R)方法通过构造k个二值向量机分类器，每一个支持向量机分别将某一类的数据从其他类别中分离出来(图6)。虽然OVR方法可以通过取决策函数输出值最大的类别确定测试样本的类别，但由于在分类中存在大量的不可分区域，而使其推广性受到很大的影响。O-V R多分类方法简单有效，对于k类样本只需训练k个支持向量机，因所得的分类函数个数较少，在决策分类时具有较快的速度。但也存在以下缺点:(1)当类别数增多时，训练样本间的不平衡将影响分类结果的准确性;(2)存在不可分盲区，泛化能力较弱;(3)容错能力欠佳。

图6一对多分类方法

2.4.2一对一的多分类法

一对一多分类法((One-Versus-One,O-V O)是利用在不同分类类别之间建立二类分类器，把多分类问题分解为多个两分类问题，对k个类别共需要建立k(k-1)l2个支持向量机，然后分别训练相关的两分类样本(图7)，分类决策时采用“最大赢”算法，每一分类器对故障特征向量分别决策，分类结果是值最大的类。由于每个支持向量机只对二分类问题进行分类，因此训练速度比O-V R很快。但O-V O多分类法主要缺点有:(1)存在过学习问题;(2)存在推广误差无界的问题;(3)算法运行时间随着分类数目增大而快速增长，导致分类决策过慢;(4)存在拒分问题。

图7一对一多分类方法

2.4.3有向无环图的多分类法

有向无环图(Decision Directed Acyclic Graph LSSVM, DDAG)多分类方法是根据图论中的有向无环图的思想，通过构造k(k-1)/2个两分类器实现k分类的多分类问题。DDAG方法简单易行，分类决策时只需使用k一1个决策函数即可得出结果，其分类精度与O-V O法相当，但运算速度更快。不过因为有向无环图是层次结构，存在“误差积累”效应，王艳等在考虑到DDAG的特殊结构后提出了利用基于类分布的类间分离性测度区分各分类之间的距离，并对DDAG的节点顺序从新组合设计，构造了基于分离性测度的DDAG支持向量机，通过3个典型数据集的仿真测试，证实了提出的方法性能优于传统DDAG算法。图8是四分类问题的有向无环图结构框图。

图8有向无环图多分类法

2.4.4二叉树结构的多分类法

Hsu Chinwei等提出利用二叉树结构来构造支持向量机的多分类方法，可以在较少支持向量机的情况下提高训练和决策速度。基于二叉树结构的多分类方法是把所有分类先分为两个子分类，然后各个子分类再分为两个子分类，直到所有的节点只有一个分类为止(图9)。二叉树结构的支持向量机多分类方法具有子分类器少，不存在拒分区域、分类效率较高的优点。但是二叉树结构的支持向量机多分类方法也存在以下缺点:(1)多分类方法的性能取决于二叉树的生成方法;(2)存在“误差积累”现象。

近年来，有学者在二叉树结构的基础上提出了几种二叉树的改进算法，以修正SVM的分类正确率，Yang Chih-Cheng和杨琳等。Zsa26}提出和应用了Huffinan树构造二叉树的概念，通过构造Huffman树自下而上来生成二叉树的方法。分类测试表明最优二叉树的分类识别率比随机偏二叉树多分类方法要高很多，这说明二叉树的结构对其分类的正确率有很大影响。崔江等提出了聚类二叉树的SVM，通过引入SOFM神经网络对训练样本进行分层聚类，最后形成聚类二叉树，然后对样本训练和测试，仿真实验表明，聚类二叉树SVM与其他多分类方法(O-V O,O-V R)相比的测试时间最小，而获得的精度较高，且测试复杂度和诊断时间较小。

但是以上这些改进基本上对于二叉树的生成并未提出更好的解决方法，只随机地或者借助有限的方法人为主观的决定二叉树的结构，未从提高推广性能角度设计二叉树的生成算法，如何生成完全二叉树结构，尽可能减少误差积累现象等

是基于二叉树结构的多分类支持向量机需要解决的关键问题。

图9二叉树结构的多分类方法

2.4.5基于改进最优二叉树的多分类法

从二叉树结构的支持向量机多分类方法的基本原理可知，只有在顶层节点以最优的分类方法将不同类别分开刁‘可以获得最优的多分类性能。因此，需要在每一个二叉树子类分类时选择与其他类别差别最大的类别将其分开，在吸收王艳各自算法优点的基础上，对最优二叉树的测向距离引入基于类分布的类间分离性测度概念，用类间分离性测度来刻画类别之间的差异，然后通过构造改进的树来生成二叉树从而产生改进的最优二叉树多类法。

标准的Huffman树，又称最优二叉树，是一类带权路径长度最短的树，最优二叉树的基本构造原理如下:首先从二叉树所有的根节点中选取权值最小的两个根节点，从新构成一棵新的二叉树，则该新二叉树两个子树的权值之和就是根节点的权值，然后把新构造的根节点替代左右两个字数加入到根节点组合中，循环以上二叉树构造的流程，直到只剩下最后一个根节点。

在提出的改进算法中，也是采用自下而上构造二叉树的方法，即先寻找最难分割的两类作为二叉树的下层结点，然后再寻找次难分割的两类，直到剩下最后两个类为止。在对训练数据评估各类间的分离度时，通常采用欧氏距离衡量类间分离性测度，但是欧氏距离并不能全面客观的代表类间的分离度。图10为两类类间分离性比较，圆形范围代表某一类别样本的分布范围。可知，图10(b)的类间距离明显大于图10(a)的类间距离，但是图10(a)中的两类别显然要比图2-15（b）中的两类别要容易分离。这是因为类间的分离度不仅与类间间距有关，而 23

且和类别样本的方差有关。类间距越大，方差越小，分离性会越强。

图10类间分离性比较

本章小结

本章对常用的故障特征提取技术进行概述，重点对主成分分析、小波包分析技术、数学形态学滤波方法、经验模态分解和集成经验模态分解等故障特征提取方法进行了深入的研究，并利用仿真试验对比分析每种故障特征提取方法的优缺点及其适用范围。然后对LSSVM的原理进行了详细的论述，并对其结构参数的优化方法和多类分类方法进行了归纳分析，并提出了改进最优二叉树LSSVM的多分类方法，标准样本多分类测试证明了提出的多分类方法在保证实时性的情况下提高了分类的正确分类率。

参考文献：

[1]张曙光.CRH2型动车组.北京:中国铁道出版社，2008.[2]黄采伦，樊晓平，陈特放.列车故障在线诊断技术及应用.北京:国防工业出版社，2006.[3]黄栋杰.200公里级CRH2型动车组制动控制系统的研究.成都:西南交通大学，2010.25

第四篇：动车组车门故障分析及改进方法

摘要

车门故障一直是影响动车组正常运行的主要故障之一，本文通过介动车组车门的工作原理，针对动车组车门故障的几起典型故障案例，按机械类、电气类等故障引发的原因分类进行分析总结，并就零部件专业检修、动车组运用检修提出对策措施。2013年年底，全路动车组在运营过程中发生多起车门故障，严重影响了铁路运输正常秩序，成为影响动车组运行安全的极大隐忧，为降低动车组车门系统故障率，确保运输秩序，通过梳理车门故障记录，分析查找共性问题，并以典型案例为突破点进行分析研究，制定完善动车组检修检修整治方法。关键词;动车组车门故障分析处理措施。

I

目录

摘要..................................................................................................................................................I 第1章绪论.......................................................................................................................................1

1.2动车组的发展....................................................................................................................3 第2章塞拉门介绍...........................................................................................................................6

2.1塞拉门系统组成................................................................................................................6 2.2塞拉门主要功能简介........................................................................................................7 2.2.2塞拉门控制....................................................................................................................7

2.2.3拓展功能................................................................................................................9

2.3典型故障原因及分析...............................................................................................................10

2.3.1动车组运行中通过司机室监控屏显示的几种故障现象........................................12

2.4动车组车门常见故障分析.......................................................................................13

第3章动车组车门系统的日常管理和维护.................................................................................15

3.1减少动车组运行中车门故障的数量.......................................................................16 3.2加强对相关部件清洁和润滑...................................................................................16 3.3对策措施...................................................................................................................17

致谢................................................................................................................................................19 参考文献:.......................................................................................................................................20

II

第1章 绪论

随着世界经济的迅速发展，人们生活中的交通不仅变得越来越便利，同时还给社会发展带来了巨大的帮助。在这其中，动车因为自身具有安全和高效的工作特点，成为了社会各界共同关注的问题，其中单翼塞拉门与双翼对开门一直是动车中对应的自动门系统最为典型的两种结构。本文将目前新型动车中自动门系统自身工作原理以及结构性能进行了一次阐述，并且以此作为基础对塞拉门方面的电气控制系统进行了研究。

当今，社会的发展与人们周边的交通环境是分不开的，交通方面的问题一直是自古以来人们共同关注的问题。由于最近几年交通事故在国内引起的社会反映非常强烈，所以交通状况也逐渐成为了人们在生活中经常谈到的话题。在动车方面，因为其自身所具有的快速以及安全等特点，自从出现以来就一直被社会各界的人们所喜爱。本文对动车中塞拉门电气相关控制系统进行了一次分析，并将其中存在的相关问题进行了解决。

动车组最先是从德国与法国这两个国家开始进行研究的，在1903年，世界第一辆动车组在德国诞生。由于德国和法国自身国土面积相对较小，同时欧洲各国自身铁路路基所具有的承重能力相关标准有着巨大的差异，因此在德国以及整个西方国家之中，动车组的发展速度一直都比较缓慢。但是在日本，人们在1964年的时候首先进行了高速新干线的建设与开通，直至今日，日本高速机车方面都在不断地发展着，其传动方式也一直在不断地发生着变化，并且进行着持续地更新和进步，对应的动车组速度也从每小时210千米逐渐提升到了每小时300千米。而和日本情况不同的是，德国与法国两个国家在对动车进行研究的时候，其主要的研究内容是以动力牵引相关模式为主的，法国主要研究的为动力集中式，并且对应的当地第一条投入运行的铁路干线在1983年出现，在动力集中牵引这一作用下，动车组自身速度能够达到每小时270千米，而在1990年，其最高的运行速度已经达到每小时300千米。在德国，人们于1962年所研制出的客车能够达到每小时160公里，在1977年之后便提高到了每小时200公里。在1989年的时候，德国终于开始对高速列车进行制造，并且在1990年的时候这种列车被投入使用。至今，德国已经研制出第三代具有动力分散功能的高速列车，其车速最高 能够达到每小时300千米。在这之中，动车组自身车门都是电动车门，是通过系统进行统一控制的，人们在上下车以及乘车的过程中如果挤靠车门，那么可能会发生严重事故。现在在国内，大部分动车所使用的都是塞拉门式的电气控制相关系统。

1.1动车组简介

动车组，亦称多动力列车组合（Multiple Units,MU），电力动车组叫做EMU，内燃动车组叫DMU，把动力装置分散安装在每节车厢上。动车的动力来源分布在列车各个车厢上的发动机，而不是集中在铁路机车上。电力动车组又分为直流电力动车组和交流电力动车组两种。动车一般指自带动力的轨道车辆，区别于拖车。动车和拖车一起构成动车组。动车类似机车要牵引拖车，因此，某动车的时速肯定大大高于它所在动车组的时速。动车组有两种牵引动力的分布方式，一是动力分散，二是动力集中。但实际上，动力集中式的动车组严格上来说只能算是普通的机车+车辆模式的翻版再升级。动车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、安全，可靠、舒适为特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。

我们通常看到的电力机车和内燃机车，其动力装置都集中安装在机车上，在机车后面挂着许多没有动力装置的客车车厢。如果把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组，就是动车组。带动力的车辆叫动车，不带动力的车辆叫拖车。

动车组有两种牵引动力的分布方式，一种叫动力分散，一种叫动力集中。动力分散电动车组的优点是，动力装置分布在列车不同的位置上，能够实现较大的牵引力，编组灵活。由于采用动力制动的轮对多，制动效率高，且调速性能好，制动减速度大，适合用于限速区段较多的线路。另外，列车中一节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响不大。动力分散的电动车组的缺点是：牵引力设备的数量多，总重量大。动力集中的电动车组也有其优点，动力装置集中安装在2～3节车上，检查维修比较方便，电气设备的总重量小于动力分散的电动车组。中国的动车组列车分为三大级别：高速动车组（时速250及其以上，标号G，主要对应高速铁路），目前还没有上限时速；一般动车组或中速的（标号D，时速160和200公里，主要对应快速铁路）、低速动车组（南车青岛公司把技术能力下延而研究时速140公里的，以适应城市轻轨）。

2007年，动车组开进了北京站、兴城站。

图1 动车组展示

中国的动车技术时速上升很快，株洲南车集团动车组技术仅用了不到4年就从时速160公里起步到2008年实现时速300公里的大飞跃，后来的试验时速接连突破一个个台阶。另外，2015年8月它中国出口马来西亚的米轨铁路动车组创下了时速176公里的米轨铁路世界速度之最。另外，种类发展多，如研制高寒型、城际型如2013年中国首列时速160公里城际动车组下线并准备时速下延以覆盖更多

1.2动车组的发展

动车发明了，单节车厢会动了。由动车编成的动车列车和与无动力车厢混编的列车也有了。编组灵活，加速能力强，有些动车、动车列车或混编列车甚至两头都有司机室，不用专门的调车作业就能往返运行。

早期的动车各节自成体系，不能相互操作，列车中每节动车都要有人操作。然而通勤线路九曲十八弯，通勤列车又走走停停，即使是经验丰富的老司机之间的配合也难免会出差错，一旦前车猛然减速而后车刚好加速，又寸到弯道上。

频繁的脱轨事故使得动车列车编组只能很小，这大大扼杀了动车编组灵活的优势。好在车到山前自有路，一项来自新型电力机车的技术──重联──砸碎了动车发展的枷锁。重联，指用特定手段将兼容机车的联系在一起，由一个司机室操纵。最常见的手段是用一组重联电缆连接多台同系列机车的操控系统或动力系统。动车由电力机车发展而来，产生于电力机车的重联技术也很快用于动车列车。从此，动车列车与无动力车厢混编的列车可以由一个司机全面操控了。从此，动车组诞生了。动车组展示

二战结束，内燃机车也能重联了，内燃动车组出现。

70年代，法国试制了燃气轮机高速动车组──TGV-0。80年代，高速铁路网在欧洲延伸，风驰电掣的各系TGV以300km/h的速度成为法国人的骄傲。

90年代，TGV试验速度突破500km/h。

新世纪，TGV试验速度突破570km/h。中国CRT实验速度突破600公里每小时。

然而在大多数场合，动车组担负的都是市内、市郊、城际通勤任务。大多数轻轨、地铁以及国外大多数城际列车都是动车组。高速列车在动车组中只占很小比例。

引用一份来自网络的统计，世界各国/地区的铁路系统中，使用动车/动车组最大的为日本，占87%；荷兰、英国次之，分别占83%和61%；法国、德国又次之，分别占22%和12%。

我国400km/h以上速度动车组关键技术获得突破

（2015年）8月7日从科技部获悉，近日，科技部高新司在北京组织专家对“十二五”国家科技支撑计划“更高速度等级动车组转向架关键技术研 4 究及装备研制”（2011BAG10B00）项目进行了验收。

项目由青岛市科学技术局组织实施，在南车青岛四方机车车辆股份有限公司、北京交通大学、西南交通大学、同济大学等课题承担单位共同努力下，研制出适用于400km/h以上速度等级动车组转向架样机，并通过台架试验验证。这也标志着我国高速轨道交通技术在350km/h动车组技术平台的基础上得到了进一步的提升与完善

第2章塞拉门介绍

图3 动车

组司机登乘门

2.1塞拉门系统组成

塞拉门系统主要由门板、门上部运动机构、下导轨、门控单元、门开关按钮、紧急开门装置、门锁闭和隔离装置、活动脚蹬等组成。门板、手柄、门锁以及门机构可以满足承受6KPA的空气动力载荷和800N作用于门板中央集中力的强度要求。门机构，门板，门控器，门框组成采用模块化设计。采用整体单元式门框，安装方便，易于维护保养，并具有如下的设计创新：密封采用压紧方式而非充气方式，局部损坏时对密封性影响小，压紧密封对乘客无人身危险，防冻密封系统等。门板与门框之间采用双唇加压密封方式，能保证气密性。

图4 动车组自动塞拉门的基本技术

参数 2.2塞拉门主要功能简介 2.2.1原理设计

新型动车组每节车厢共有4扇门（除特殊车型外），每扇门由独立的门控器（DCU）控制，4个DCU中设置一个主门控器（MDCU），负责与列车控制与监测系统（TCMS）进行数据交换。新型动车组塞拉门电气控制系统由硬线控制、网络控制以及网络监测3部分组成。其中对安全性和可靠性要求较高的功能由硬线控制完成，特殊功能由网络控制完成，整列车塞拉门系统的状态反馈与故障显示由网络监测完成。每个DCU均根据硬线控制命令执行相关功能，同时也接收做为诊断备份使用的网络控制信号（数据流：TCMS-MDCU-DCU）。另外，MDCU将接收从TCMS发送的指令来完成特殊的功能模式。TCMS将从MDCU接收信息用于塞拉门的状态显示、故障维护等功能。每个DCU处理硬线控制命令和网络控制命令的原则如下：

① 硬线+一致时，DCU执行相关功能。

②当硬线信号存在，网络信号无时，DCU执行硬线指令相关功能，DCU产生并在内部储存一个“网络信号与硬线信号不一致”的故障记录。

③当硬线信号无，网络信号存在时，DCU不执行任何功能，DCU产生并在内部储存一个“网络信号与硬线信号不一致”的故障记录。

④当硬线信号存在，网络信号存在但二者不一致时，DCU执行硬线指令相关功能，DCU产生并在内部储存一个“网络信号与硬线信号不一致”的故障记录。

2.2.2塞拉门控制

集控模式门侧选择为了防止司机的误操作和增加塞拉门系统的可靠性和安全性，新型车增加了门侧选择开关。当列车即将进站时，由司机根据车站调度命令选择开门。

侧门缓解、开门、关门塞拉门系统共有4条贯穿全列的控制硬线：左侧门缓解控制线，左侧门开门控制线，右侧门缓解控制线，右门开门控制线。所有的门控器均并联在相应的控制线上。

①集控门缓解功能在列车停车时，司机启动门侧选择开关后，按下相应侧的门缓解按钮，相应侧门缓解指令激活，缓解控制线得电，全列相应侧DCU得到门缓解指令。

②集控开门功能在列车停车时，司机启动门侧选择开关，相应侧门缓解按钮激活后，按下开门按钮，相应侧门打开指令激活，打开控制线得电，全列相应侧DCU得到门打开指令。

③集控关门功能在列车速度V<5km/h，司机启动门侧选择开关同时门处于缓解或者打开状态时，激活关门按钮，全列两侧门缓解控制信号消失，则塞拉门由缓解状态或打开状态变成锁闭状态。

通过速度信号关门如果DCU通过硬线信号得知列车速度大于5km/h，所有的门立即关闭。由于列车是开门行驶，必须要逆着行驶方向进行关门动作，因此DCU会增加关门的力度。通过速度信号关门具有最高优先级，即如果速度信号不符合设计要求规定的值，车门将立即关闭。

门锁闭①当DCU执行门关闭后，会将门关闭的状态反馈给MDCU，MDCU将4个门的锁闭状态通过RS485总线反馈给TCMS。

②每节车均有一个硬线环路监测门的锁闭状态。当4个门均锁闭后，该硬线环路建立，TCMS收到DI输入信号。门的锁闭状态由硬线环路反馈信号和网络反馈信号共同决定：a.当硬线环路反馈信号与网络反馈信号一致时，门锁闭状态正常；b.当硬线环路反馈信号与网络反馈信号不一致时，TCMS发出诊断报警信息。

状态反馈MDCU将4个门的状态信息、故障诊断信息汇总后通过RS485总线发送给TCMS，TCMS将信息实时显示在司机室显示器上，并在维护界面显示相关故障信息，同时生成故障记录。在司机室显示器上，车体两侧的外面各有一条长的黄色直线表示门处于未缓解状态。

防挤压功能有的电动或电控气动塞拉门均需有防挤压功能，以防止门在动作过程中将乘客挤伤。在塞拉门关闭过程中，在车门达到关闭锁紧位置之前，以下情况都可以激活防挤压功能：

①通过防夹手感应胶条的防夹保护塞拉门门扇的前缘安装有2个互相独立的防夹手感应胶条。感应胶条内有一个密闭的空气腔。关门时,在限位开关(门关闭98%)未被激活前,如果遇到障碍,就会在空气腔内产生一个压力波动信号,这个信号通过门板内的空气压力感应开关转换成电信号输入DCU，激活相应的防夹 保护功能。一旦塞拉门到达关闭和锁闭位置后，即限位开关(门关闭98%)未被激活，防夹手感应胶条可以自动失效。

②电机电流监控DCU中存有一个标准电流限界曲线。这个限界曲线不是恒定不变的，而是依据门的位置以及电机在以前关闭过程中的工作电流（变化的限界曲线）生成的。这个工作电流由DCU测量,当车门运动时所测量的电机电流超过标准的限界值，门控单元就视为探测到一个障碍物，防挤压功能激活。

③位移/时间监控塞拉门的位移传感器将门位移划分成许多小段，当在一段确定的时间段内没有走完确定的路程，则启动相应的障碍物探测功能。DCU会测量每段关闭位移的关闭运行时间同时计算下一个关闭位移的关闭运行时间。

换端模式当列车进入换端模式后，在司机离开主控司机室前，塞拉门控制系统通过网络控制信号和硬线控制信号的自动转换，使两端司机室内的相关控制按钮无效，塞拉门保持换端前的状态。

2.2.3拓展功能

远程关门模式随着铁路速度等级和服务需求的不断增长，根据用户的需求，所有乘客登车后，乘务员可以在任何一个塞拉门通过四角钥匙开关发出实现此功能的“远程关门”指令。该功能可以使乘务员不通过司机而关闭全列车的塞拉门。在执行本功能前，乘务员所在位置的塞拉门必须是打开的。执行本功能后塞拉门将执行下列动作：

①如果塞拉门此时处于关闭且缓解状态,则缓解状态取消；

②如果塞拉门此时处于打开状态，则塞拉门关闭。以上动作不包括乘务员所在位置的门。[1]模式激活与结束乘务员顺时针旋转四角钥匙开关，此动作至少持续1s,该模式激活，乘务员所在门的DCU将远程关闭车门指令发送给本车MDCU（若所在门为MDCU则直接发送），由MDCU通过RS485总线发送给TCMS，TCMS接到该指令后，通过RS485总线将指令“远程关门”再发送给各车MDCU，由MDCU通知每个DCU执行远程关闭车门指令。当其他车所有车门均关闭后，TCMS向发出“远程关门模式”指令的MDCU发出“其他所有塞拉门已关闭”信号。该MDCU接到此信号后同时评估本车4个车门的状态。如果本车除发出“远程关门模式”指令的门外，其余3个门均处于锁闭状态，那么MDCU负责激活（或负责通知相应门的DCU激活）发出“远程关门模式”指令的门的蜂鸣器。当乘务员接收到蜂鸣器的通知后，关闭自己所在位置的车门，远程关门模式关闭，所有车门被关闭。9 [2]模式取消在乘务员所在位置的车门没有完全关闭之前,按下本地开门按钮，即取消该功能，乘务员所在那一侧的门重新被缓解。

通知司机出发在所有塞拉门被安全地关闭后，乘务员向司机发出发车命令。乘务员逆时针旋转四角钥匙开关，连续做两次，此时DCU通过RS485总线向TCMS发出信号“激活蜂鸣器”，TCMS激活司机室内的蜂鸣器。司机在听到蜂鸣器鸣响后且司机室显示器上显示所有门已锁闭后开车。

当列车临时停车时，为了使司机能够在运行线路上离开列车，司机可以激活此模式，打开司机室后部的左门和右门，而不需要缓解全列其他塞拉门。1）退出司机室司机将退出司机室模式按钮按下，模式被激活并发送给TCMS。司机将四角钥匙开关顺时针从“0”打到“1”位；按下本地开门按钮打开塞拉门。离开列车后，使用司机专用钥匙将塞拉门锁闭。2）进入司机室使用司机专用钥匙将塞拉门打开，操作本地关门按钮关闭塞拉门，司机将退出司机室模式按钮恢复，模式结束。

列车进入整备模式后，列车内部人员（如清洁人员）可以下车，但是未经允许的人员不能登车（两侧塞拉门都锁闭）。司机在显示器上触发该模式，TCMS向各车MDCU发出指令。仅当两侧的车门都锁闭时，塞拉门系统才接受TCMS发送的整备模式指令，整备模式才能被激活。在进入整备模式后，塞拉门就再不会从外面打开，但可通过按下本地开门按钮从车内打开，同时头车的门可通过司机专用钥匙打开。在整备模式下，塞拉门通过以下2种方式关闭： 1在车内：按下本地关门按钮； ○②在车外：按下本地开门按钮，在该模式下，车外的开门按钮被定义成“关门”，与普通模式相反。

2.3典型故障原因及分析

案例1 XX年XX月XX日，CRH2066C担当G7002次（上海-南京，00车为主控端）交路，列车运行长江至南京区间时，CRH2066C02车3位门报车门关闭故障（代码110）。司机随即停车并通知随车机械师，随车机师立即赶往02车3位门处，检查无异常后，随车机械师手动将车门隔离，维持动车组运行。故障排查：当晚动车组入库进行详细检查，发现02车3位门机构有漏油现象 10 且油位表内已显示无油。原因分析：

车门关闭故障原因该故障为机械类故障，由于密封件（该密封件的使用寿命为3年）磨损变形导致门机构漏油，致使门机构无法动作，引起车门故障。②密封件损坏原因一是因橡胶密封圈老化引起橡胶密封圈在使用中受到油质、温度、时间因素的影响，容易出现老化现象，使密封圈本体失去弹性、密封状态发生改变，此时泄漏发生；二是因机件间的磨损引起，导向活塞表面粗糙度过大降低了密封件的寿命；三是因受力变形引起，油压缸盖与油缸、导向部与间隔筒等处。

处理措施：更换门机构，试验正常。

案例2 XX年XX月XX日RH2075C担当G7002次（上海-南京，00车为主控端）交路，列车运行至苏州至无锡区间，CRH2075C03车报2位车门关闭故障（109），司机停车后随车机师立即赶往03车查看车门关闭情况，对2位车门进行检查未发现异常，隔离2位侧2、4位车门后，司机室关门灯亮，列车恢复正常，后续交路运行正常。

故障排查：当晚动车组入库进行详细检查，发现03车2位车门关门到位开关145+线在接线端子处断开，145C线状态良好。原因分析：

①车门关闭故障原因 车门关闭故障检测原理如下：

该故障为电气类故障，因145+线断开导致DIRR21继电器失电，MON终端装置无法接收车门关闭到位信号而报出车门关闭故障，进而导致牵引丢失故障。

②145+线断线原因

车门关闭到位开关（DS2）安装于门机构上，其伴随车门的压紧动作向车体外侧移动，由于145+线捆扎余量不足，在长期运动作用下导致接线端子尾部电缆疲劳断裂。

处理措施：对145+线重新压接端子并恢复接线，多次开关门试验正常。2.3.1动车组运行中通过司机室监控屏显示的几种故障现象

(1)司机室 BPS 屏显示车门未关闭,此类故障多为车门锁闭不到位。由于车内外空气压力差过大,运行前期车门承受压力限度 60 Pa,车门关闭时经常由于内压过大导致车门无法正常关闭。经过对车门软件升级将车门压力限度调为 80 Pa 后,此类故障基本消除.(2)司机室 BPS 屏报警, TD 屏显示车门故障,监控室 LT 屏显示故障,车门显示灯红灯亮。此类故障大多为车门机构锁闭不到位,重新开关门或复位后,此故障基本可以消除。

(3)司机室 BPS 屏报车门故障,TD 屏显示车门故障,监控室 LT 屏显示故障,车门指示灯显示正常。此类故障主要是车门主锁闭机构上 S12限位开关位置发生偏移,造成主锁在一级锁闭时 S12开关不能正常释放,车门关闭信号不能正常传输。经过对 S12 开关调整后故障消失。

(4)司机室 BPS 屏报车门故障,TD 屏显示车门故障,监控室 LT 屏显示正常,车门指示灯显示正常。此类故障判断为网络故障,主要是网络传输异常或受到干扰导致,一般进行复位后故障可以消除。

(5)司机室 BPS 屏瞬间性报车门(主要是机械门)故障。CRH5 型动车组开行前期,经常出现司机室 BPS 屏瞬间性报车门故障,停车检查时故障马上消失,后经检查发现,动车组在高速运行时,由于空气阻力使得机械车门晃动,导致机械锁锁闭机构出现瞬间性的活动, 造成限位开关信号时断时续,以至于检测系统误判断为车门未锁闭。后来经过对机械门门锁进行改造,此类故障消除。

2.3.2动车组运行中车门一般性故障产生原因分析

(1)操作不当而产生的故障：

①自动翻板上的机械隔离锁被打到隔离位未恢复, 导致门激活信号输出后,开门按钮灯不亮。②自动翻板电隔离开关(S22)被打到 on 位,导致门激活信号输出后,开门按钮灯不亮。

③车门内、外部紧急解锁装置在使用后未复位,导致报警器长响,集控信号无作用。

④自动翻板锁在翻板竖起或放下后未锁闭到位,导致门激活信号输出后,开门按钮灯不亮。当CRH5 型动车组发生以上4 类故障时,一般情况恢复车门或自动翻版隔离开关后故障均能消除。

(2)门控器(DCU)插线排松动及自身原因产生的故障

2.4动车组车门见故障分析

（1）操作不当。故障检查完毕后,假如故障仍未消除的、则考虑故障可能是因为门控器插头松动而产生,所以建议在排除其他故障时,首先考虑门控器的插头是否松动,如有松动应紧固处理。

（2）如果门控器插头紧固后故障未能消除,考虑是否门控器故障,此时可以查看车门控器状态指示灯,如果检测到门控器故障时,需更换处理。

(3)车门反复开关故障①下踏板关闭后行程开关不到位,此时应调节罩板调节杆的长短,使其在关闭后听到清脆“咔”的一声,表明车门正常关闭。②检查 98%行程开关位置是否正常,主要是位置是否发生偏移,否则需重新进行调整。③检查门关闭及锁闭限位开关(S12)位置是否正常,车门经过长时间动作,限位开关很容易产生松动或偏移,当位置不正确时要重新进行调整。④检查气动锁的位置是否准确,不准确重新进行调整;检查气动锁滚轮上是否有灰尘等赃物,要及时对车门机构进行清洁;检查车门气动锁压力是否大于 4.5×102Pa。⑤检查自动翻板的位置是否正确,门关闭到一定程度时门胶条是否会撞击到自动翻板的边缘,导致敏感胶条被激活。

13(4)车门集控时不开门和集控时不关门故障①先检查翻版是否锁闭到位,隔离是否恢复,气动锁滚轮上压力是否正常。②检查 5 km 信号、门释放信号、高低站台的选择是否正确。检查网络信号是否到位。③检查车门敏感胶条上是否有撞痕,胶条的电气接线是否脱落。④检查车门集控时网络信号是否正常,若不正常, 车门将无法接受集控指令,导致无法集控开启或关闭。

(5)车门正常关闭且指示灯正确,但 TD 显示屏上却显示离线或故障当发生此类故障时,应打开相应位置车门检查门, 将S5 由“1”位拨至“0”位,关闭此门控制系统的电源,并在再次送电时(将 S5 由“0”位拨至“1 位”)彻底重启门控器(具体操作为送电之前按住门控器上的 Reset 键, 当门控器上的标志灯只剩下最上面和最下面两个绿灯亮时,松手),如果按此操作仍显示错误,应为网络故障,此时以门状态为准,并检查网络。

(6)其他原因导致的车门故障①车内紧急解锁长时间被激活。此操作会导致车门K1继电器始终吸合,这是一种非常规的操作,长期发生将会导致K1继电器的触点接触不良。②保洁人员在车门打开或者踏板伸出的状态下清洗车体。在车门打开状态下清洗车体或高站台翻板时,有时会使水溅到供电设备上,导致电气设备烧毁,如黄色踏板电机、台阶踏板电机等的非正常烧损也是日常车门的典型故障之一,当水流入台阶内时,还可能会使车门下踏板的转动机构生锈,从而导致下踏板开启时机械卡滞(低站台模式开门时,如果台阶 3 s 内未打开,车门将不能正常开启)。③动车组运行途中,车门集控关闭时,突然受到障碍物挤压(如夹旅客行李等),导致车门故障。④日常缺少对车门机构的保养和维护,也是造成车门故障的主要原因之一。诸如车门运动机构的润滑、维护不到位时,也会造成车门工作停止卡滞。

图3为动车组车门故障总数统计分析第3章动车组车门系统的日常管理和维护

3.1减少动车组运行中车门故障的数量

(1)加强地面检修人员的业务技能培养。作为动车组运营部门,最重要的一个环节就是动车组检修,始终坚持检修保运用的原则,抓好动车组各项检修工作。首先就是要对地面检修人员进行基础的车门控制系统的培训和实地演练,做到每个人整体业务水平的提高。

(2)加强随车乘务人员的理论培训和实地演练,可以通过现车模拟动车组运行途中出现的故障,对车门故障进行系统演练。对每个可能发生故障的部位进行剖析,分析原因。

(3)加强各项工艺标准的落实,无论是地面检修人员或是随车乘务人员,学习动车组相关检修工艺标准。

(4)建立动车组车门故障管理台帐,由专人负责收录日常发生的车门故障,并通过对故障进行分析归类,掌握车门故障的规律,采取技术措施,有效控制车门故障的发生。

3.2加强对相关部件清洁和润滑

(1)要通过对车门故障的统计分析,逐步摸索车门故障规律,适当调整有关部件检修周期,有效降低车门故障的发生。

(2)定期对车门相关部件进行集中普查,如限位开关,门控器插线排、台阶踏板行程开关等,由于动车组高速运行,势必会造成限位开关偏移、线排松动或行程开关移位等现象,可以采取定期普查的方式消除车门较易发生的故障。

(3)地勤人员根据机车交路情况,合理安排班中工作,主动了解机车运行中存在的问题,提前做好闸瓦备品、机车滑油的准备,做好小辅修作业人员地勤作业兼 16 岗培训,在机车进库较集中的时间段,抽调小辅修人员协助检查,均衡地勤作业,提高机车检查质量。

(4)按轮次确定地勤作业范围。按机车走行公里,分轮次确定机车进库检查范围,综合分析机车整备信息与碎修、临修、小辅修信息,将整备检查、走行部检测信息与动态检测信息反馈相结合,找出各轮次的检查重点,明确各轮次的作业流程。

(5)通过不断引进和运用机车检测的各种先进设备与手段,加强机车状态把控,逐步达到地勤人员按状态检查、检测,上班乘务员重点机能试验的整备作业方式。

3.3对策措施

1.完善运用检修工艺、提高检修标准 2.修订完善一、二级修车门作业指导书

针对车门部件故障发生的频次，成立攻关小组，修订完善CHR2C型动车组车门检修作业指导书，增加“客室车门专项整修”等作业指导书，完善2项作业项点<1>开门到位开关的碰头与开关碰臂配合状态；开门到位开关与周围的螺钉关系<2>有效的解决了开门到位开关动作卡滞的问题。3.加强运用检修动车组车门专业化检修质量卡控

一是动车组车门检修过程中着重注意开关门按钮、固定螺栓、门机构及继电器安装状态的检查，避免发生由于螺栓松动、继电器安装不到位等原因引起的车门故障；二是对车门润滑项目的润滑使用油量及擦拭标准进行严格卡控，切实提高车门检修作业水平；三是结合春秋两季整治，开展动车组车门的整修，对动车组车门进行一次全面的维护保养。4.加强车门常见故障的分析汇总

一是建立车门故障库，将发现的问题进行汇总分析，分析查找惯性故障点，联合主机厂和配件供应商细化作业指导书，逐项制定日常检查维护作业要点，明确相关部件间隙调整周期、项点、方法、标准等要求，从而形成常态化维护；二 17 是组建车门故障攻关组，专项负责车门故障的分析及技术攻关工作，对每一类车门故障，采取合理化措施及整修方案进行处理，有效降低车门系统故障率。5.完善高级修制造工艺、提高验收标准。5.1 完善高级修制造工艺、安装方式。

一是完善高级修部件安装方式，针对CRH2C型动车组继电器盘安装松动故障频发问题，可加强侧门继电器盘的检查，同时改进控制继电器盘各子板的固定方式，从源头质量上解决，降低车门故障发生率；二是完善高级修制造工艺针对案例1问题，对新造和分解修的压紧缸，将导向活塞表面粗糙度由1.6改为0.8，减少由于运动部件间的磨损对密封件寿命的影响，减少门机构漏油故障的发生率。

5.2提高高级修验收标准

加强出厂检验的标准，例如针对案例1问题，可在对增压缸调试过程中，延长其保压时间（由20min延长至30min），可有效防止车门漏油现象的发生。6.加强随车机师应急处理能力

定期对随车机械师开展车门故障应急处理培训，保证随车机械师在动车组运行途中能够做到快速、有效地处理好故障，维持动车组安全运行。

致谢

金工实训已经结束了,首先要感谢我的指导老师——何剑老师,谢谢他为我热心的指导和帮助,是他给我细致的解答疑问,为我提供众多的有关设计书籍资料,又为我提纲契领,梳理脉络,使我确立了本文的框架。论文设计过程中,他为我指导一些以前没有弄清楚的知识,最终圆满的完成了本次设计.通过本次金工实训论文设计使我在各方面都有了很大的提高,还要感谢各位代课老师的精心指导,使我对实际机械加工过程有了更深更全面的认识,对工艺设计公差配合等方面也有更多的了解,为我以后的工作鉴定了扎实的基础。参考文献:

[1].上海铁路局动车组典型故障案例汇编》，上海铁路局车辆处.[2].CRH2C动车组原理图》，南车青岛四方机车车辆股份有限公司.[3].大连机车车辆工厂.东4型内燃机车电力传动[M].大连:大连理工大学出版社,1994.[4].赵敬超,张金才.内燃机车电力传动[M].北京:中国铁道出版社,2002.[5].林聪云.内燃机车电力传动[M].北京:中国铁道出版社,1998.[6]中华人民共和国铁道部.CRH5型动车组途中应急故障处理手册[M].北京:中国铁道出版社,2009.[7]张曙光.CRH5型动车组[M].北京:中国铁道出版社,2008.

第五篇：车组转向架故障原因分析及改进方法

摘要

安全是铁路运输的永恒主题，客车安全又是铁路安全的重中之重。旅客列车作为复杂系统集成，任何细小的故障隐患，都将可能造成无法估量的损失。客车安全工作就是运用科学的维修策略，做到超前处置，预警预控，提前将各种故障源排查出，将风险点消除掉，加强安全控制力，降低事故损失，确保旅客列车安全秩序平稳。本论文以 25K 型客车 CW-2 型转向架的故障统计数据作为分析依据，统计梳理了客车走行部的多种故障模式，综合乌鲁木齐车辆段的运营线路、季节气候、运行里程以及维修水平等多方面因素，运用数据统计以及相关性分析，确定出影响客车走行部故障主要的相关因素以及故障模式。针对影响客车走行部的主要故障模式，运用故障树的模型分析，查找出影响故障模式中基本事件，以风险管理的理念，对故障模式中的基本事件进行风险要素分析评估，确定影响岗位质量安全的风险点，通过风险对策措施表，对影响质量安全的关键环节以及卡控流程进行完善，做到隐性故障的提前消除，预防客车安全事故的发生。合现场作业实际，本论文选取了客车走行部维修班组作为基于风管理维修策略的实施对象。根据“管理规范化”的要求，融合岗位安全职责、基本作业过程、规章管理制度以及安全质量控制措施等方面，修订出符合现场风险管理实际的《检车员岗位风险控制说明书》；根据“作业标准化”的要求，客车走行部故障模式、事故基本事件、安全风险点、基本作业过程以及质量标准，修订完善出具有操作性的《25K 型客车转向架流程风险辨析指导书》。通过对基于 25K 型客车 CW-2 型转向架故障统计以及因素相关性分析，运用故障模式故障树分析，基本事件的风险辨析、评估和层级防控，完善了分级管理、预警预控的客车维修策略，确保了现场安全作业管理的全面、准确、有效，进一步提高了客车维修水平。关键词：故障模式；相关性；维修策略 1

目 录

摘 要...............................................................1 第1章 绪论..........................................................4 1.1 研究背景及意义....................................................4 1.1.1我国机车车辆维修现状与发展.......................................4 1.1.2课题选择及意义...................................................5 1.2 文献综述..........................................................6 1.2.1国内外检修策略的发展.............................................6 1.2.2以可靠性为中心的维修（RCM）概述..................................7 1.3 文献分析及总结....................................................8 1.4 论文的研究内容及方法.............................................8 第2章..............................................................10 2.1动车转向架故障类型统计............................................10 2.2动车组转向架故障原因分析..........................................12 2.2.1部件设备漏油分析................................................13 2.3制动装置故障分析..................................................13 2.4其他零部件的故障分析..............................................13 第3章..............................................................14 3.1动车组转向架的故障模式、致命性分析（ＦＭＥＣＡ）..................14 第4章..............................................................17

4、结束语.............................................................17 参 考 文 献...........................................................18

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 我国机车车辆维修现状与进展

（1）我国机车车辆修制状况近年来随着我国高速铁路的开通运营，以及动车组的广泛开行，我国在机车车辆的维修模式上也逐渐发生着显著地变化[1]。一方面以高速动车组的维修模式已经脱离了原有的传统检修模式，运用先进的可靠性和安全性维修理念，以走行公里合理安排一、二、三、四、五级修程，实行白天运行，夜间停留检修的修制，充分利用库停时间，按不同修程完成各检修单元，体现灵活多样的维修特点。另一方面是传统的普速铁路，依然沿用比较成熟的计划性预防维修体制，并增加了关键零部件的寿命管理，虽然提高了计划标准化维修的高安全性，在统一的计划修体制下，维修的灵活性不足，直接造成维修成本居高不下。

（2）我国机车车辆维修存在的问题

1、我国机车车辆维修制度不均衡。随着近几年我国高速列车的投入使用，机车车辆维修工作将呈现以向“以可靠性为中心(RCM)”的维修制度发展的动车组检修制度

[1]，和以计划预防修为主的普速列车检修制度这两种维修模式共存的局面。一是在部分检修段两种维修制度同时存在必然会增加维修组织的难度。二是检修周期短、维修成本高、停车时间长的计划预防维修制度已经逐渐无法适应“大密度、高频次、高安全”的列车组织模式。

2、我国维修理论基础薄弱。多年来，我国客车车辆维修重视实践，轻理论现象比较突出，致使实践中经常出现基本概念混乱，导致“维修不足”和“过度维修”维修的现象。随着铁路运营体制的深入改革，客车维修部应进一步对可靠性、可维护性、可用性方面的研究和实践，加强对设备设施的风险研判，建立适应自身环境特色的维修理论体系。

3、客车车辆采购、设计中缺乏可靠性、维修性工程的应用。这种现象尤其凸显在普速列车的维修中，在我国铁路客车车辆在出厂设计方面只对客车车辆性能和结构进行设计，没有对可靠性、维修性指标提出要求，也没有对客车车辆交货后进行可维护性检验验证，这就造成客车车辆可靠性和维修性方面得不到很好的保证，给运营维修带来了不少的困难。

1.1.2 课题选择及意义

位于祖国大西北的某车辆检修段承担着日均检修到发列车18列300余辆，确保着日均发送20000余名旅客出行安全，并担负着2100余辆运用客车的维修、保养安全管理任务。主型车为构造时速140公里、转向架为CW-2型准高速25K型车底，主要担负乌鲁木齐至北京（T69／70）、上海（T53／54）、汉口（T193／194）的旅客运输，一次往返需连续运行4-5天，走行里程达8000公里以上。转向架是铁路客车运用安全的核心部件之一，它直接承载车体和旅客重量，保证车辆顺利通过曲线，它的各种参数直接决定了车辆的稳定性和乘坐舒适性，其运用的高安全性和高可靠性是确保旅客生命财产安全的关键中的关键。该客车车辆段主型客车是长春客车厂2000年制造的以CW-2型转向架为走行部的25K型客车，保有量为467辆，约占保有客车总数的40%。长春客车厂生产制造的准高速客车CW—2型客车转向架，是在充分吸收借鉴国外先进技术经验的基础上，并结合我国实际情况新设计的转向架，在通过安全性、平稳性实验后，已于1995年春投入运行。该段自2001年8月正式投入CW-2型转向架运用以来，在检修理念、维修体系、作业方式等方面产生了翻天覆地的变化。同时，为运用维护好该型客车，结合人员结构、配件供给模式、以及相关的工装设备改进等方面，在确保25K型客车安全、可靠方面历经9年做了大量的探索与尝试，并积累了内容丰富的故障和维修数据资料。论文选题将从主型25K型车的CW-2转向架结构、检修人员的素质、检修设备、检修标准和制度等方面来思考25型客车走行部安全性、可靠性的维修模式。同时根据西北地区客车运行的线路环境和检修情况，结合事故致因模型化进一步分析导致转向架事故的原理和机制，采用数理统计方法对转向架系统故障数据进行了分析,通过获得转向架系统故障模式生成规律，进一步运用以可靠性为中心的维修思想，改进完善客车转向架运用维修策略，降低维修费用，确保25型客车持续、安全平稳、可靠运行。

1.2 文献综述

1.2.1 国内外检修策略的发展

工业化从手工作坊对机械化、电气化、信息化时代，各个时期的设备管理与检 4 修方式有很大的变化[2]，一般来说可分为故障检修阶段、计划检修阶段和状态检修阶段。

（1）故障检修阶段

故障检修阶段也称为事后检修阶段[2]，是设备检修最早出现的方式。也是一种比较直观的维修方式，即设备设施出现故障不能确保安全有效运行的时候，对设备设施采取故障消除性维修，也属于一种应急性维修，由于对检修条件的安全性考虑的不是很充分，在维修过程中往往付出较高的维修成本。

（2）计划检修阶段

针对故障维修存在准备工作不足的弊端，计划性检维修根据设备故障功能失效与运行时间之间的关系，确定检修内容和检修周期，维修人员根据所确定的维修内容准备相应的维修配件、工装和场地，并在周期临界点实施维修，提前将故障预防在事故发生之前，确保了设备设施在运转中期内的可靠性和安全性，这种 维修模式对与时间有关的损耗性部件有较好的效果，但对非损耗性部件就难以确定出其周期性，为了确保安全，往往采取提前更换的方式，也造成了不必要的“过度维修”现象的出现。

（3）状态检修阶段

随着故障诊断水平的提高，以及故障诊断设备的广泛运用，设备的在线监测成为确保安全必不可少的辅助方式，对设备运行状态的实时监控，也为设备功能性的失效状态提供了比较直观发现手段，维修人员可根据监测结果在设备部件临近，失效的时候，进行实时维修，达到了设备按需维修的目的。但对于设备系统 性强、构造复杂的设备，由于监测点繁多，增加了检测的难度和维修计划的复杂程度，不利于维修效率的提高。

（4）以可靠性为中心的维修

在1960年代，美国联邦航空局对当时最先进的波音747飞机有着严格的维修要求[2]，导致产生非常繁重的维修任务计划，使这种技术先进的飞机给维修体制提出了严峻的考验。而繁杂的维修任务使得航线运营波音747飞机难以盈利。同时也暴露出，即便使用基于时间的更换或翻修之类的预防性维修，也没有有效地现住地 5 减少产品失效率。1980年通过对航空工业费用效益的观察得到广泛共识，军事工业和其他工业也都作为加强维修程序的要求，开始应用以可靠性为中心的维修方式，诸如核电站、化工、汽车、制造、石油和天然气、建筑等行业。

1.2.2 以可靠性为中心的维修（RCM）概述

RCM（以可靠性为中心的维修，Reliability Centered Maintenance）是当前维修领域比较通行的以设备预防维修理念为基础的体系性维修的工程过程[2]。

（1）RCM的基本观点

1、设备设施的固有可靠性和安全性是由最初设计和制造水平决定的，如果设备的固有可靠性与安全性水平不能满足使用要求，相通过提高维修的次数来提高设备的安全性是达不到预期效果的。因此，增加维修次数，不一定会使设备越可靠和越安全。

2、设备设施在运行过程中出现故障隐患是不可避免的，而且每种设备故障产生的原因也不尽相同，维修工作的重点就是预防有严重后果的故障发生。因此，在故障维修工作中，要根据设备故障所产生的不良影响及后果，有针对地制定不同的维修策略。

3、探查设备设施故障规律，合理安排维修时机。在对设备进行维修工作时，要尽量弄清设备的故障模式，对有耗损性的设备可很据故障统计规律安排较为合理的保养和维修（更换），来预防故障隐患造成设备功能性失效。对损耗较少的设备设施，如果按照故障统计规律，安排定期的维修或更换，可能对设备的维护效果不是很理想，对此类设备更适宜于通过检查、监控采取视情维修方式。

4、以最小经济费用保证设备设施的安全性和可靠性。维修工作中，对设备采用不同的维修策略，其所需要耗费的维修资源是不相同的，甚至是相差巨大。

1.3 文献分析及总结

从上述文献综述可以看出，无论是传统的事后维修还是现代发展起来的RCM/LCC模式，都把确保设备的安全可靠作为维修的第一出发点。由于行业、地域、装备、人员、环境的差异，对设备的维护往往是各种维修方式相互交叉、综合运用，在满 足可靠性、可用性的前提下，尽可能的减少维修费用和人力成本。

维修理论发展历史表明，任何一种维修方式、维修理论，都是通过总结前人的理论、方法以渐进的方式发展起来，不存在基于某一种设备检修理念和维修策略可以确保使用设备的绝对安全，再科学的检修理念和设备维护手段也只有和现场实际环境紧密结合，基于相似设备的维修经验和现场数据统计，分析清楚理论、方法与现场的实际差距，相互取长补短才能发挥其应有的效果。

随着现代设备的系统复杂性和运行环境的不确定性，只有在巩固和加强现有的维修基础上，充分吸收、借鉴当代最新的维修理论和方法，努力探索出新的维修模式，才有可能不断改善现有环境对维修的束缚，进而实现设备安全性、可靠性和可用性的新的突破。

1.4 论文的研究内容及方法.本论文以铁路交通运输系统某站 25K 型客车 CW-2 型转向架作为研究对象，以该对象故障统计数据作为分析依据，运用数据统工具计统计，分析了客车转向架的多种故障模式，综合该车辆段所处的地理位置、气候条件、运营线路、运行里程以及维修水平等多方面故障影响要素，分析确定出影响故障的主要因素，并结合因素相关性分析，寻找出影响客车走行部主要故障模式的关键风险因素。

运用故障树的模型分析，对影响客车走行部的主要故障模式，查找出影响故障模式中基本事件。运用风险管理的理念，对故障模式中的基本事件进行风险要素分析评估，辨析出影响维修质量的风险点，通过制定合适的风险对策措施表，对容易造成故障隐患安全的关键环节进行有效维修，做到隐性故障的提前消除，预防客车安全事故的发生。

本论文结合客车安全现场作业实际，根据“管理规范化”的要求，选取了影响客车走行部维修质量的库检班组和乘务组作为基于风险管理维修策略的实施对象。通过构建风险管理维修策略体系，从岗位安全职责、基本作业过程、规章管理制度以及安全质量控制措施等方面入手，重点是为了修订出符合现场风险管理 实际的控制流程。根据“作业标准化”的要求，认真分析客车走行部故障模式、事故基本事件、安全风险点、基本作业过程以及质量标准，修订完善出具有操作性的风险辨析措施。

通过对转向架故障统计以及因素相关性分析，运用故障模式事故树分析，基本 事件的风险辨析、评估和层级防控，目的是为了构建确保了现场安预警预控的客车维修策略，能够进一步提高客车维修水平。

第2章

2.1动车转向架故障类型统计

在分析产品故障时，一 般是 从 产 品 故 障 的 现 象 入手，通过故障现象（故障模式）找出原因和故障机理。对机械产品而言，故障模式的识别是进行故障分析的基础之一。

由于故障分析的目的是采取措施、纠正故障，因此在进行故障分析时，需要在调查、了解产品发生故障现场所记录的系统或分系统故障模式的基础上，通过分析、试验逐步追查到组件、部件或零件级（如螺母）的故障模式，并找出故障产生的机理。

故障的表现形式，更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范描述。

故障模式一般按发生故障时的现象来描述。由于受现场条件的限制，观察到或测量到的故障现象可能是系统的，如制动系统不能制动；也可能是某一部件，如传动箱有异常响声；也可能就是某一具体的零件，如油管破裂等。因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系。

故障模式不仅是故障原因分析的依据，也是产品研制过程中进行可靠性设计的基础。如在产品设计中，要对组成系统的各部分、组件潜在的各种故障模式对系统功能的影响及产生后果的严重程度进行故障模式、影响及危害性分析，以确定各种故障模式的严酷度等级和危害度，提出可能采取的预防改进措施。因此将故障的现象用规范的词句进行描述是故障分析工作中不可缺少的基础工作。

依据某检修部门几年内积累的故障数据；故障数据中的列车号主要是从００２Ａ 到１９０Ａ；车辆编号是从１车厢到８车厢；二级系统包括车体系统、车外系统、电气系统、给水卫生系统、供风系统、内装系统、转向架系统 ７大系统；各系统的故障百分比如表１所示。由表１可知转向架系统在整个动车组系统中故障频率所占有效百分比达２０％以上。根据转向架系统的结构特点和功能，将转向架划分为悬挂装置、架构组成。轮对轴箱定位装置、排障装置、驱动装置、制动装置、转向架配管及配线等。

表1 二级系统频率分布的输出结果

依据某机车车辆股份有限公司采集积累的大量使用维护数据，进行了分类处理，得到动车组转向架的故障部位和故障类型表，如表２所示。

表2 转向架系统故障模式统计表

从表２中明显看出，转向架系统总共有４２个故障模式，制动装置包括轮对等故障达到３０条，占２６．７８％，应重点加强与制动装置相关部件的管理维修和保养工作，及时发现故障隐患，杜绝事故。

2.2动车组转向架故障原因分析 2.2.1部件设备漏油分析

通过表２分析可知零部件设备漏油在转向架故障中较为常见，可以占到总故障数的２５％。通过对设备运行的观察发现可能故障原因是（１）动车在运转时，在相对封闭的机械箱里，机器在运转时会产生大量的热量。动车组在全日制工作时，箱内温度逐渐升高，箱内压力也会逐渐增大．油液在箱内压力作用下从密封间隙处渗出。（２）设计不合理；制造质量不良；使用维护不当，检查不及时。设备上的某些静、动配合面缺少密封装置，或采用的密封方案不合适；设备上的某些润滑系统只有给油路，而没有回油路，使油压越来越大，造成泄漏。

2.3制动装置故障分析

动车组制动装置故障在转向架系统故障中占到最大的比例，达到了２６％以上。动车组转向架制动装置采用空液转换液压制动方式。制动装置故障不仅会造成动车组途中晚点，而且如处理不当会导致动车组发生事故，严重影响运输秩序，威胁乘客的生命财产安全。

制动系统的常见故障包括了制动控制装置传输不良、制动控制装置故障、制动控制装置速度发电机断线、制动力不足、制动不缓解、监控显示器显示抱死、列车紧急制动不能复位、监控器等控制设备无电等。制动控制装置传输不良时，制动时会检测制动力不足。传输不良主要是光连接器的连接插头松动、接触不良，终端装置接口卡板故障。当制动控制装置速度发电机断线时，车辆将无法进行滑行控制。制动力不足时，可能是 ＵＢ－ＴＲＴＤ继电器故障、电路故障、制动管系泄漏、ＥＰ阀故障、检测传感器故障、ＢＣＵ 故障等。但出现制动抱死故障显示时，可 能 是 由 速 度 传 感 器 断 线、ＰＣＩＳ防滑阀故障、ＣＩ与 ＢＣＵ信息传输故障导致再生制动与空气制动同时发生、ＢＣＵ内部滑行、抱死检测控制错误显示制动系统故障等造成的。

2.4其他零部件的故障分析

轮对组成故障损伤，因其裸露车体外，且直接与地面钢轨接触，运行状况复杂，且轮对组成乃转向架的重要部件，如有故障易造成严重的事故。其次空气弹簧故障因其材质特殊为橡胶所制，较易被划伤，若运行时间长易造成空气弹簧的故障。其次还有横向减振器和抗蛇行减振器，这两者均为油压减振器，易造成漏油故障，从而降低减振效果。制动夹钳的长时间使用及检修维护不当，使制动装置易出现故障。

第3章

３.1动车组转向架的故障模式、致命性分析（ＦＭＥＣＡ）

经过前面的分析，基本了解了动车组转向架的故障模式和发生原因，但是仍不清楚每种失效模式对转向架功能所造成的致命度的大小，所以需要对转向架进行ＦＭＥＣＡ 分析，以便掌握其可靠性薄弱环节，为可靠性评估与提高可靠度提供科学依据部件i以失效模式j发生失效时，该零部件的致命度为：

式中αｉｊ是部件ｉ以失效模式ｊ而引起部件的失效模式概率；βｉｊ是部件ｉ以失效模式ｊ发生失效造成部件损伤的概率。国标草案中将此称为丧失功能的条件概率。其值为１，表示肯定发生损伤；０．５表示可能发生损伤；０．１表示很少可能发生损伤；０表示无影响。λｉ是部件ｉ成为基本失效件的故障率采用平均故障率，其计算公式为：

式中ｎｉ为部件ｉ 在规定时间内的故障总次数；Ｔｊ为部件ｉ在规定时间内故障间隔时间序列中的第ｊ个故障间隔时间；ｍ 为故障间隔时间的个数。

根据上面介绍的ＦＭＥＣＡ分析方法，结合笔者掌握的动车组转向架使用维护故障数据，经过处理，得到该车型转向架主要部件的ＦＭＥＣＡ分析结果如表３所示。

通过上面的分析，可以看到在转向架的各个主要部件中轮对部件的部位致命度最大，主要是因为轮对承受了车辆与线路间相互作用的全部载荷及冲击，且直接与地面钢轨接触。其次是制动卡钳（动车）、空气弹簧和轴箱体。

表3 动车组转向架主要部件FMECA分析表

续表3

它们将是影响转向架可靠性的关键部件。另外，横向减振器部件的致命度也不小，虽然抗蛇行减振器的故障致命度并不很大，但它是使动车组在行驶时具有良好的平稳性、舒适度和安全性的保证，列车在高速行驶中易发生转向架蛇行运动，所 15 以也应该加以重视。具体到故障模式致命度来看轮缘擦伤、横向减振器漏油、制动夹钳漏油、空气弹簧破损、橡胶垫破损等，是重点针对的对象，对此可以采取以下措施：（1）对于轮缘擦伤、横向减振器漏油、制动夹钳漏油、空气弹簧破损、橡胶垫破损、磨损、弹簧断裂、弹力不足等故障，要加强车辆行驶前、行驶后检查，必要时采取无损检测或磁力探伤，如发现部件有微小裂纹，应及时更换防止裂纹进一步扩展，磨损加剧等。同时建议使用抗拉压、抗剪切、抗扭转、耐磨损的材料来制造，合理改进制造工艺过程，提高部件的质量和使用寿命。（２）铁路管理部门，应加强铁路线路钢轨和沿线设施设备和运行环境的整理维护，以减少车辆运行除外的意外故障。（３）动车组维修部门维护转向架时应严格按照维修手册规定进行，并对致命度大的部件和模式加以 重视。

第4章

４、结束语

通过ＦＭＥＣＡ方法分析可以发现同一设备系统中不同功能的零部件因其重要程度不同以及结构上的差异，其危险优先数也会有所不同，因此在设计中就需要区别对待，将危险优先数特别高的部件优先考虑。本文通过现场使用维护数据，对动车组转向架故障车控制电器柜其他空气断路器故障导致的质量问题。

参 考 文 献

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