服役动车组相对损伤动态评估方法

Research on Relative Damage Assessment Method for EMU Products in Service

摘要

针对不同线路和环境下长期服役动车组绝对损伤程度难以精准确定的问题，提出基于广义服役载荷、历程及累积损伤量的服役动车组相对损伤评估原理，分别针对常规载荷和恶劣载荷定义累积损伤量、相对损伤系数及其计算式；在此基础上，进行动车组延寿评估的高效率和置信度分析；依据服役动车组相对损伤评估结果，按照服役动车组的相对损伤程度，合理安排运行线路和维修措施，优化服役动车组运维策略；通过轴箱振动加速度模拟算例，进行服役动车组相对损伤评估方法应用分析。结果表明：采用该方法，可解决服役动车组绝对损伤难以精准计算的问题，实现对相对损伤的定量评估；在根据置信度扩大验证样本数量的同时，可更快速地获得验证信息，实现基于相对损伤的动车组延寿高效评估，并使验证结果更加可信；按照服役动车组的相对损伤程度合理安排运行线路和维修措施，既能提升动车组运行安全性，又能充分发挥装备效能。

Abstract

In view of the difficulty in accurately determining the absolute damage degree of EMUs in long-term service under different lines and environments, this paper proposes a relative damage assessment principle for in-service EMUs based on generalized service load, load history and cumulative damage. The cumulative damage, relative damage coefficient and their calculation formulas are defined respectively for normal loads and severe loads. On this basis, the efficiency and confidence level analysis of EMU service life extension assessment is carried out. According to the relative damage assessment results of in-service EMUs, the operation lines and maintenance measures are reasonably arranged according to their relative damage degree, so as to optimize the operation and maintenance strategy of in-service EMUs. Finally, the application analysis of relative damage assessment method for in-service EMUs is verified through a simulation example of axle box vibration acceleration. The results show that this method can solve the issue of difficult accurate calculation of absolute damage of in-service EMUs and realize the quantitative assessment of relative damage. Meanwhile, expanding the number of verification samples according to the confidence level can help obtain verification information more quickly, realize efficient assessment of EMU service life extension based on relative damage, and make the verification results more credible. Reasonably arranging operation lines and maintenance measures according to the relative damage degree of in-service EMUs can not only improve the operation safety of EMUs, but also give full play to the equipment effectiveness.

关键词

服役动车组 / 相对损伤 / 损伤评估 / 服役载荷 / 服役历程 / 运维策略

Key words

In-service EMU / Relative damage / Damage assessment / Service load / Service history / Operation and maintenance strategy

机车车辆在长期服役过程中，轮对、轴承、减振器、变压器、牵引变流器、牵引电机、钩缓装置等产品在各类载荷作用下逐步出现不同程度的累积损伤，损伤累积到一定程度将导致产品出现功能性失效，进而造成严重故障甚至事故。国内外学者围绕机车车辆产品服役损伤开展了大量工作，取得很多有价值的研究成果，如文献［1-5］分别通过仿真计算、疲劳可靠性分析、累积损伤理论等技术、方法对车体铸铝横梁、转向架构架、轴箱轴承等动车组关键部件的服役寿命、疲劳损伤进行了预测分析。

我国地域广阔，不同地区线路条件如隧道、轨道不平顺、曲线、坡道、桥梁等差异显著，同时地理环境特点如高温、高湿、高寒、风沙、辐射等也各不相同。这些多样的线路条件和地理环境使动车组在不同条件下长期运行时受到的应力载荷和环境载荷有很大差异，导致动车组产品服役损伤程度有很大区别。理论计算和仿真试验只适合少量结构和载荷形式简单的产品，且受样本量和试验条件限制，评估结果的准确性和置信度尚待商榷，目前科学精准地计算动车组各类产品的绝对损伤程度还有一定难度。

本文针对我国动车组运维实际需求，提出一种动车组产品服役相对损伤评估方法，通过评估给出不同载荷条件下运营动车组的相对损伤评判结果，并据此合理制定运维策略和要求，以更好地保障动车组运行安全和效率、效益。

1 服役动车组相对损伤评估原理

服役动车组相对损伤评估的基本原理是，鉴于动车组在长期服役历程中持续遭受各类载荷因素作用不可避免会产生损伤，而精准计算产品的绝对损伤常常是非常困难的，通过对产品间相对损伤程度进行评估，从而识别服役损伤相对较大的产品作为重点分析研究对象，进而保障其他产品可以安全可靠的服役。

1.1　常规载荷下相对损伤评估

设动车组在载荷F_{\mathrm{L}}（t）持续作用下将出现累积损伤，服役至T时刻的累积损伤量D为

D={\int }_{\mathrm{0}}^T{F}_{\mathrm{L}}(t)\mathrm{d}t（1）

式中：t为服役历程。

式（1）中，载荷F_{\mathrm{L}}（t）为服役历程t的函数，这里的载荷是广义的，包括轮轨间振动冲击力、车体气动力、电流、电压、温湿度等各类应力和环境载荷；服役历程也是广义的，包括里程、时间、作用频次等。

为便于工程应用，式（1）可近似为

D\approx {\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^k}{F}_L(t_j)\mathrm{\Delta }{t}_j（2）

式中：j为离散区间序号；k为被离散区间［\mathrm{0},T］的个数；∆t_j为第j个区间服役历程；F_{\mathrm{L}}（t_j）为产品在第j个区间内的服役载荷平均值。

式（2）中，F_L(t_j)∆t_j为产品在第j个区间内服役历程的累积损伤量近似值，累加后得到式（1）的近似值。

设投入运营的某型动车组有n列，分别运营在不同线路和环境条件下承受不同的载荷作用，应用上述计算式可以得到各动车组服役至T₁时刻即区间［0，T₁］的累积损伤量D_{i\mathrm{1}}^{}(i=\mathrm{1,2},\cdots ,n)，其中D_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}}^{}为当前运营动车组中最大的累积损伤量，则第i列动车组的相对损伤系数C_{i\mathrm{1}}^{}为

C_{i\mathrm{1}}^{}=\frac{D_{i\mathrm{1}}^{}}{D_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}}^{}}（3）

按照式（3）可知，至T₁时刻累积损伤量最大动车组的相对损伤系数为1.0，其他动车组的相对损伤系数均小于1.0。若当前时刻累积损伤量最大动车组的服役状态良好、可继续运营，则由于其他动车组损伤程度相对较轻，在正常情况下服役状态也应该更好，更可以满足运营要求。

同样地，可计算至第2个时刻T₂，即运用区间［0，T₂］动车组的累积损伤量D_{i\mathrm{2}}^{}，进一步确定该阶段的最大累积损伤量D_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{2}}^{}，以及该阶段各动车组的相对损伤系数C_{i\mathrm{2}}^{}。

如此，可持续确定不同阶段各动车组的累积损伤量、相对损伤系数等指标，只要最大累计损伤量对应的动车组状态良好、运行可靠，则正常情况下其他动车组也是可以继续安全可靠运行的。

1.2　恶劣载荷下相对损伤评估

动车组等机车车辆装备在长期服役中有时将受到超常规的恶劣载荷作用，即便短时的恶劣载荷也将造成较常规载荷更加严重的累积损伤，如：车轮出现多边形、线路不平顺超限等将导致轮轨振动冲击力异常加剧，对轮对、轴承、减振器等产品的损伤是非常严重的^［6-9］；高温环境或持续高负荷运行，对变压器、牵引变流器、牵引电机、钩缓装置等产品的损伤也是非常严重的^［10-11］。

恶劣服役条件下相对损伤评估基本思路是：首先，根据实践经验或前述常规服役条件下的损伤评估结果，识别出受到恶劣载荷作用下的动车组（简称恶劣车组），如部分服役历程短但累积损伤大的车组、总累积损伤较大的车组；其次，基于理论计算结果或工程经验确定恶劣载荷阈值；然后，以恶劣载荷阈值为门槛值，计算恶劣服役条件下的累积损伤量（简称恶劣累积损伤量）；最后，确定最大恶劣累积损伤量并计算动车组的相对恶劣损伤系数。

恶劣累积损伤量\tilde{D}为

\tilde{D}\approx {\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^k}\widetilde{F_{\mathrm{L}}}(t_j)\mathrm{\Delta }{t}_j（4）

其中，

式中：\widetilde{F_{\mathrm{L}}}\mathrm{为恶}\mathrm{劣}\mathrm{载荷}\mathrm{阈值};F_{\mathrm{L}}（t_j）为产品在第j个区间内的恶劣载荷平均值。

式（4）中，\widetilde{F_{\mathrm{L}}}(t_j)∆t_j为产品在第j个区间内服役历程的恶劣累积损伤量近似值。

计算得到恶劣服役条件下各动车组的当前运用区间［0，T₁］恶劣累积损伤量\tilde{D}i\mathrm{1}(i=\mathrm{1}，\mathrm{2},\cdots，n)，其中\tilde{D}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}是其中最大的恶劣累积损伤量，则第i列某动车组的相对恶劣损伤系数为

\tilde{C}i\mathrm{1}=\frac{\tilde{D}i\mathrm{1}}{\tilde{D}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}}（5）

与常规载荷下相对损伤评估方法类似，可得到恶劣载荷下各动车组的累积损伤量、相对损伤系数等参数后，可据此对遭受恶劣载荷作用的动车组运维方式和策略进行更精准地优化。

2 基于相对损伤的动车组产品延寿评估

对于运用状态较好、累积损伤量较轻的动车组，在达到设计寿命时进行延寿（延长维修间隔期或寿命）评估，评估通过后可继续使用。航空、军工、轨道装备等国内外相关领域均做过较多研究和探索，取得了丰富经验。

在延寿评估技术中，领先使用法是较为简单实用的方法^［12-14］，其基本原理是：首先，根据经验或要求确定维修间隔期或寿命的初始值t₁；然后，抽取一定样本量的产品进行领先使用，且领先使用时间t₂>t₁；最后，若领先使用期间产品工作状况良好、拆检结果令人满意，再综合考虑经济性、安全性和管理等因素，可给出大于t₁且小于t₂的产品维修间隔期或寿命。采用该方法，可不断延长维修间隔期或寿命至一定水平，但若能将该方法与相对损伤评估技术相结合，则可使延寿评估结果更加高效、可信。

2.1　评估的高效率验证

传统的领先使用延寿评估是选取一定样本量的产品先行先试，如：复兴号动车组在验证165万km高级修间隔时^［15］，为尽快获得领先使用的验证结果，通常选取担当长大交路、运行较快的动车组进行领先使用，待获得所有样本动车组的验证信息后再进行延寿评估。该方法由于没有考虑不同线路间服役动车组累积损伤的差异性，只能等到所有样本动车组均完成165万km运行间隔才能进行延寿评估，验证时间较长、效率较低。

借助相对损伤评估原理，若某典型线路上动车组运行间隔达165万km，但其累积损伤量D₀小于其他动车组的累积损伤量D_I，即D₀<D_I，则可视同其他动车组已完成验证，获得累积损伤量也已达165万km的验证信息，而不必再等到其完成165万km的运行间隔。这样，借助相对损伤的延寿评估，可有效提高验证效率，尽快获得验证结果。

2.2　评估的置信度验证

动车组作为复杂的机电产品，不同产品的寿命或检修间隔期影响因素也不同，如：车体、转向架等部件主要受气动力、轮轨力影响；电气产品主要受电流、电压、温度、湿度影响；橡胶件主要受光照、温度、湿度影响等。因此，应根据不同产品延寿影响因素合理选取验证线路和环境，科学制定累积损伤评价指标和标准，依据相对损伤计算结果适时扩大验证样本和信息量，在高效验证的基础上提高验证置信度。

进行动车组延寿评估时，验证动车组越多，验证结果的置信度越高。依据可靠性理论，若验证结束时动车组均无异常，则验证结果的可靠度、置信度与验证产品数量间遵循的关系^［16］为

m=\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}{R}_{\mathrm{L}}}{\mathrm{l}\mathrm{n}\alpha }（6）

式中：m为验证所需样本量；R_L为可靠度置信下限；1-\alpha为置信度。

针对我国动车组产品的可靠性实际水平和验证需求，依据式（6）可分别计算出验证动车组无异常时置信度分别为50%，90%，95%，99%和可靠度置信下限分别为0.90~0.99时需要的样本量，结果见表1。表中：样本量计算结果进行了向上取整。由表1可以看出：如为评估某产品能否在95%置信度下以0.95的可靠度通过延寿验证，则需投入59个产品进行延寿试验验证，若验证期间各样本均无异常，则可认为其延寿评估结果可行。由此可见，借助相对损伤评估技术增加验证样本数量后，不仅可提高验证效率，而且可提升验证结果的置信度和可靠度。

为确保延寿动车组运行安全和延寿可行结论的可信性，在制定领先使用延寿验证方案时，可依据表1中可靠度和置信度要求，确定一定样本量的动车组通过领跑、领用等方式始终维持最大损伤程度梯队，同时加强各级维修和运行安全监控，确保验证车组的运行安全。其他动车组可以按照最大损伤水平的70%~80%控制其损伤程度、安排运维方案，以足够的裕度确保这些动车组的运行安全。这样验证动车组在严密监控和保障下不断突破极限、领先使用，其他动车组持续谨慎跟进，逐步达到延寿目标。

3 基于相对损伤的动车组运维策略优化

获得各动车组相对损伤系数后，可根据相对损伤优化运维策略，总的原则是：针对相对损伤较大的动车组适当强化维修保养措施，必要时安排在服役载荷较小的线路上运行；对于相对损伤较小的动车组只需维持常规维修保养措施，可适当安排在服役载荷较大的线路上运行。这样，既可提升动车组运行安全性，又可充分发挥装备效能。

3.1　相对损伤较大动车组运维策略

相对损伤较大的动车组常常是投入运用早、服役载荷高、运行里程长的车组，甚至部分车组已接近设计寿命。针对这类车组应在各级修程中适当采取强化措施，如：对于先期投入运用、服役期超过五级修间隔且相对损伤较大的动车组，可通过扩大拆检范围，全面确认产品未来服役性能和状态，也可通过对部分产品进行专项抽检、探伤、测试，识别判断其后续服役潜力。通过上述措施，一方面保障了相对损伤较大动车组的维修质量，另一方面依据相对损伤较大动车组评判的结果，进一步决策其他动车组仍采用常规维修还是全面采取强化措施。

在运用策略方面，相对损伤较大的动车组可考虑优先安排在线路条件好、服役载荷小的线路上运行，同时加强日常维护和运用安全的跟踪盯控。此外，随着快速货运对动车组装备的需求，可以考虑将服役时间长、相对损伤大的动车组改造为货运动车组，这样不仅可以规避载客风险，而且可根据其后续货运表现为该型其他动车组服役潜力预测提供参考。

3.2　相对损伤较小动车组运维策略

相对损伤较小的动车组常常是运用时间短、服役载荷轻或运行里程短的动车组，其质量状况通常较好，只需按照常规要求进行检修维护即可。

在运用方面，这些动车组由于相对损伤小、质量状况好，可以适当安排在条件恶劣线路上运行，以便替换相对损伤较大的老旧型动车组，保障该线路运营的安全性和可靠性。

根据当前掌握的动车组最大损伤量D_max、某动车组损伤量D_i，计算得到二者的差值∆D_i，该差值反映了该动车组的安全服役潜力，据此可更精准地安排运行交路。

某运行区段上动车组累积服役历程及其造成的累积损伤量差值分别为

\mathrm{\Delta }T={\displaystyle \sum _{p=\mathrm{1}}^q}\mathrm{\Delta }{t}_p（7）

\mathrm{\Delta }{D}_i={\displaystyle \sum _{p=\mathrm{1}}^q}{F}_{\mathrm{L}}(t_p)\mathrm{\Delta }{t}_p（8）

式中：∆T为某服役历程造成的动车组累积损伤量由D_i 达到D_max的累计服役历程，即该动车组按照∆D_i 损伤允许量安排的运行交路方案；p为离散区间序号；q为被离散区间［\mathrm{0}，∆T］的个数；∆t_p为第p个区间服役历程。

式（8）中，F_L(t_p)∆t_p为产品在第p个区间内服役历程的累积损伤量近似值。

4 算例模拟

轴箱振动加速度反映了轮轨载荷的大小，其有效值是衡量服役载荷的重要指标之一。轴箱振动加速度受车轮踏面廓形、钢轨型面、转向架悬挂参数等多方面因素影响，车轮一般运行20万km（4个月）左右镟修，钢轨根据列车通过数量的不同一般数年打磨1次轨面。为此，算例模拟时主要考虑车轮踏面变化对轴箱振动加速度的影响。设车轮平均镟修周期为20万km，将镟修周期划分为0~5万km（X1区间）、5万~10万km（X2区间）、10万~15万km（X3区间）和15万~20万km（X4区间）4个里程区间，且近似认为各区间内轴箱振动加速度稳定不变。鉴于动车组可借助轴箱轴承温度、振动复合传感器对轴箱振动加速度进行实时测量，根据加速度有效值和运行里程可实时计算损伤量。

某型动车组运行在A线、B线、C线3条线路上，长度均为1 000 km，其中A线条件较好且轮轨载荷作用较小，B线条件较差，C线条件适中。动车组车轮镟修后运行于不同线路、不同里程区间内轴箱振动加速度有效值的平均值见表2。表中：g为重力加速度。

根据本文方法，可以计算出车轮镟修后不同里程区间内动车组在各线路上单次运行（1 000 km）后的损伤量和车轮单次镟修周期（20万km）内的累计损伤量，具体见表3。

随机抽取3列该型动车组a，b和c，其车轮镟修后分别在A线、B线和C线3条线路上不同里程区间的累计运行频次见表4。

依据本文方法及表3和表4数据，可以计算得出上述动车组累计运行后的损伤量和相对损伤系数见表5。

由表5可以看出：各动车组在不同线路上运行频次不同，产生的累积损伤也有很大不同；a车累计运行里程最短，但累积损伤最大，b车累计运行里程最长，而累积损伤最小。

鉴于a车累积损伤最大，若以其当前的累积损伤作为服役到寿标准，即损伤达到100%，则b车和c车损伤仅为65%和86%，仍有一定的服役潜力，因此可以参照a车到寿损伤标准合理安排其他2车的运营方案。

以b车为例，其剩余累积损伤量为4 777.5—3 096.25=1 681.25（万g · km），依据表3中各线路单次镟修周期内累计损伤量，可以算得该车仍可分别在A线、B线和C线路上分别运行24，11和16个（尾数向下取整）镟轮周期，即4 800次、2 200次、3 200次运行频次，折合里程分别为480万、220万和320万km。

5 结论及建议

（1）针对常规载荷和恶劣载荷，提出服役动车组相对损伤评估原理，定义了累积损伤量、相对损伤系数等指标及其计算式，实现对服役动车组相对损伤的动态评估。

（2）通过综合分析验证动车组服役里程、服役历程和累积损伤状况，可更快获得验证信息、扩大验证样本数量，实现了基于服役动车组相对损伤的延寿高效评估，并使验证结果更加可信。

（3）给出基于相对损伤的动车组运维优化策略，提出依据相对损伤优化运维方案，按照服役动车组的相对损伤程度合理安排运行线路和维修措施，既能提升动车组运行安全性，又能充分发挥装备效能。

（4）提出广义的动车组产品服役相对损伤评估技术，其中服役载荷是包括轮轨力、气动力、电流、电压、温湿度等涉及各类应力和环境因素的广义载荷，服役历程是包括里程、时间、作用频次等涉及不同计量单位的广义历程。该技术只需根据产品寿命影响因素和运用特点，科学确定服役载荷和服役历程，就可实现对动车组各类产品服役相对损伤的评估。

（5）本文方法还需要结合实践不断验证和完善，特别是如何在产品错综复杂的寿命影响因素中科学确定与累积损伤量强相关的服役载荷等参数并高效定量获取，都需要不断深入探索研究。

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基金资助

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