国家能源集团铁路货车状态修与安全

技术应用国家能源集团铁路货车
状态修与安全
康凤伟，王文刚
（国能铁路装备有限责任公司，北京100011）
摘要：铁路货车的检修工作对保障铁路运输安全、畅通有重要影响。

通过系统调研分析国家
能源投资集团有限责任公司各铁路货车检修单位历史数据，论证铁路货车由计划修向状态修改
革的重要性；通过分析铁路货车“红线状态”与“红色状态”2种安全状态，提出铁路货车状
态修的安全理念与原则，分析开展状态修应具备的理论研究基础，提出国家能源投资集团有限
责任公司开展铁路货车状态修的具体施修决策以及基于大数据智能分析的持续改进理念。

铁路
货车状态修可在充分确保运输安全的原则下，有效解决当前计划修存在的过度修和不足修问题，
促进铁路运输高质量发展。

关键词：铁路货车；状态修；过度修；不足修；安全
中图分类号：U270文献标识码：B文章编号：1001-683X（2021）08-0109-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.08.109
安全是铁路运输的生命线，铁路货车作为重要的铁路移动装备，其检修工作对于保障铁路运输安全、畅通有至关重要的意义［1］。

我国铁路货车采用基于固定时间周期的计划修管理模式，自1965年起，修程设置主要分为厂修、段修、辅修、轴检4种定期检修修程和列车检查及临修［2］。

经过多年的修程改革与优化，目前包括国家能源投资集团有限责任公司（简称国家能源集团）铁路货车在内的绝大多数铁路货车只有厂、段修2级定期检修修程。

伴随铁路货车装备水平和安全
监控技术水平的不断提升，该检修模式逐渐暴露出普遍存在的过度修和不足修的情况，一方面造成检修成本居高不下，另一方面检修缺漏将带来安全隐患［3］。

当前我国铁路行业坚持供给侧结构性改革，全面落实“三去一降一补”五大任务，在“降成本”“补短板”上下功夫［4］，对于铁路货车检修工作提出了从“计划预防”向“精益化”持续发展的更高要求。

因此，以固定时间周期为标准的计划修模式已经不能适应铁路运输高质量发展的要求，基于铁路货车健康状态实时监测与大数据分析的状态修模式是未来铁路货车检修的发展趋势。

以国家能源集团开展铁路货车状态修修
第一作者：康凤伟（1968—），男，高级工程师。

E-mail：
程修制改革探索与实践为例，阐述国家能源集团铁路货车状态修的安全理念、理论基础和采取的具体施修决策，以期对我国铁路货车更大范围地开展状态修提供借鉴。

1
铁路货车检修现状
1.1
过度修调研现状
国家能源集团自营铁路里程达2155km ，拥有各型
号铁路货车5万余辆，其中70t 级以上车型占保有量总数的65%，技术水平总体较先进，但在铁路货车全寿命周期中定期检修频次过多。

以C 80型铝合金敞车为例，按现行检修规程计算，厂修期为8年，段修期为2年，则其全寿命周期25年内至少进行2次厂修、10次段修，全寿命周期整体运维成本几乎与新车价值相当［5］。

国家能源集团车型保有量统计见图1，车辆全寿
命周期中定期检修频次分布情况见图2。

为研究重载铁路货车在开展厂修、段修时是否存在过度修情况，对国家能源集团下属4家铁路货车检修分公司近年来定检时发现的车体、转向架、制动和钩缓部位主要零部件常见故障类型及故障率、关键零部件的裂损及磨耗数据进行系统调研，从6个方面具体识别过度修项点：
（1）检修本质：性能及质量属性能够满足下一个分解检修周期却仍分解检修的零部件；
（2）修复价值：维修的材料、人员、设备投入等综合成本大于新造却仍进行修复的零部件；
（3）尺寸检测：随着技术发展可靠度不断提高，运用中尺寸变化较小却仍重复检测的零部件；
（4）磨耗检测：磨耗较小却仍进行重复测量其磨耗深度、剩余厚度等指标的零部件；
（5）探伤检测：质量稳定、裂损故障率较低，检查周期相对较短、频率较高的零部件；
（6）试验检测：以整体检测或性能检测代替零部件检测，但仍分解检测的零部件。

依据上述标准识别出的主要过度修项点见表1。

根据调研可知，当前铁路货车定期检修中存在大量可以进一步优化的空间，严格按固定周期开展检修势必带来大量的过度修，推高成本投入。

1.2不足修数据分析
比过度修更值得引起关注的是不断发展的重载运输
带来的磨耗损伤加剧、故障维修不及时等问题，给铁路
运行安全带来隐患。

对国家能源集团2017—2019年临修故障进行全面统计，共计发生临修车9615辆、处置临修故障13
935件，具体故障部位分布统计见表2。

由于
图2
车辆全寿命周期中定期检修频次分布
图1国家能源集团主力车型保有量统计
表1
调研主要结论及过度修识别项点数量
国家能源集团铁路货车年均运行里程达18万～20万km，高于中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）货车年均里程，因此轮对磨耗强度、轴承使用强度等数值均高于国铁集团相应数值。

以轮轴类故障为例，如剔除外力破损车导致的车体故障后，轮轴故障占车辆故障比例高达37%，对安全的影响不容忽视。

实际工作中也发现目前车轮耐磨性达不到2年的段修定检周期要求，亟需开展针对性的精准检修。

1.3状态修研究方向
为解决铁路货车计划修中存在的过度修与不足修问题，铁路行业专家学者进行了研究和探讨。

陈雷［6］结合我国铁路货车技术演变历程提出了按运行里程有计划地实施状态修的发展方向，孙蕾等［7］提出了预防性状态修的检修框架体系，罗松柏［8］提出了由计划修过渡到状态修需要解决的基础性问题，为状态修研究提供了很好的思路。

以上研究对于我国铁路货车开展状态修研究做出了重要贡献，但由于国铁集团车型不统一、运输条件复杂等现实因素，短期内还难以脱离计划修的总体框架约束，还不是严格意义上的基于车辆实际健康水平制定针对性维修决策的“状态修”。

国家能源集团由于具备车型单一、固定编组、循环运行等优势，通过信息化、数字化、智能化等手段［9］，提出并建立了基于“车列-车辆-零部件”健康状态诊断评价与修程决策为基础的状态修技术体系框架。

2铁路货车状态修安全理念
国家能源集团开展铁路货车状态修研究，始终以保障铁路运行安全为前提条件和最高标准，不以牺牲
安全为代价，在对铁路货车实际状态进行科学监测和综合研判的基础上，精准施策，解决计划修安全冗余，从而达成安全运行与综合经济效益最优的发展目标。

铁路货车状态修应基于“红线状态”和“红色状态”2种安全状态，以期使状态监测和维修决策更具有针对性、科学性。

“红线状态”即安全底线状态，主要指铁路货车发生直接影响行车安全底线的故障，表现形式包括热轴、关键部件裂损、缺失移位、尺寸超限、转向架失稳等，多集中于铁路货车走行部，主要发现手段包括人工检查和“5T”等轨旁设备动态监测。

铁路货车出现“红线状态”须立即安排施修，消除故障隐患后方可上线运行，这是状态修的第1道防线，主要防守因外力作用、零部件造修质量问题等不可控因素导致的离散性、偶发性“点状故障”，不能随意降低对“红线状态”的严格要求。

“红色状态”主要指铁路货车未出现直接危及行车安全底线的故障，但由于零部件系统临近寿命或磨耗到限、转向架装配尺寸不良影响动力学性能、出现未达扣车级别的“5T”设备故障预警等因素，通过铁路货车综合健康分析诊断和故障状态判别，认定综合状态已达到“红色状态”的情形。

铁路货车出现“红色状态”时需要有序组织、集中检查修理，恢复车辆综合健康，这是状态修的第2道防线，也是主要区别于计划修的特点，主要防守综合车辆使用时间、里程、零部件使用强度、监测设备历史预警等因素导致的规律性“面状故障”，体现精准施修的理念。

红线状态“保命”，红色状态“延寿”。

开展铁路货车状态修要做到点面结合、离散性与规律性统一，在确保铁路货车运行安全的前提下，逐步达成精准施修的目标。

3铁路货车状态修理论基础
铁路货车状态修研究不是简单地在计划修基础上对检修周期和各级修程检修内容进行调整与优化，而是集模拟仿真、台架试验、数理统计、专家知识获取等多学科协同配合的科学体系，需要坚实的理论基础支撑。

选取状态修项目中具有代表性的课题，介绍理论研究基础与工作成果。

表2国家能源集团临修故障部位分布统计
件注：统计时间为2017年1月1日—2020年1月1日
3.1零部件寿命管理体系研究
铁路货车由大约1700个零部件构成，每种零部件的寿命管理方式、质量保证期限与检修管理措施都不相同。

根据零部件寿命管理特点对货车全部零部件重新开展分类管理，建立基于状态修的“全寿命零部件、使用寿命零部件、易损零部件”3类管理方式，每类零部件的基本定义如下：
（1）全寿命零部件：是指价值高、实行强制报废的关键零部件。

在状态修研究中，对有强制报废年限或里程的零部件，通过相应手段实现全寿命周期信息追踪，如车钩、钩尾框、摇枕、侧架、各部位橡胶体等，纳入全寿命零部件管理范畴，并把年限指标换算为里程指标，主要按运行里程执行报废规定。

检修过程中，装车零部件与车辆建立对应关系，进行详细记录、追踪、统计及分析。

（2）使用寿命零部件：是指有一定价值、可重复修复使用的重要零部件。

在使用过程中，零部件存在磨耗超限等各类失效形式与质量缺陷，通过检修恢复其功能，此类零部件可实现阶段性信息追踪，如车轮、制动梁、制动阀等，在状态修研究中将其纳入使用寿命零部件管理范畴。

把年限指标换算为里程指标，按运行里程执行寿命管理规定，并利用RFID电子标签、二维码标签等技术，在检修过程中，跟踪记录零部件的拆卸、检修、装车等信息，形成零部件使用寿命的历史记录。

（3）易损零部件：是指使用过程中容易损耗的、可简单修复或直接报废的一般零部件。

在使用过程中不进行个体信息追踪、仅针对使用状态进行简单修理或进行报废、更换，如紧固件、车门、闸瓦等，将其纳入易损零部件管理范畴，对该类零部件不进行详尽记录，仅以车列为单位，统计零部件损坏、修理、更换的数量，并对统计数据进行趋势分析。

通过现场调研、理论研究、室内试验和状态修运行试验检测等研究，对零部件进行分类整理，共梳理出123种零部件，并按照上述3类零部件划分原则进行系统分类，确定主要零部件全寿命周期使用里程及运用里程的建议检修周期。

3.2零部件磨耗与失效规律研究
准确预测铁路货车“红色状态”的重要基础理论
为全面掌握各类主要零部件磨耗与失效规律，预判“红色”节点。

在大量调研采集历史检修数据的基础上，打通数据链条，应用混合效应模型、删失数据处理方法、贝叶斯更新方法等，完成重点零部件失效规律数学建模，为铁路货车的状态评判、修程优化、工艺选取等提供科学依据。

以关键部件车轮为例，选取22列试验列车，对其跟踪采集9个月车轮磨耗测量数据，绘制了货车车轮总体退化规律曲线（见图3），初步得出如下结论：
（1）车轮的主要失效模式为磨耗，成线性退化形式，个体差异性明显；
（2）轮径差与重载时的行驶方向强相关，合理进行列车掉头可以有效减少轮对轮径差；
（3）基于混合效应模型的个体车轮退化预测，可以有效支持车辆健康状态综合评判模型。

除车轮外，还对闸瓦、钩舌等数十种磨耗类零部件的失效规律建立数学模型，用以支撑车辆系统的健康预测。

3.3关键零部件剩余寿命预测研究
除数据分析方式外，还综合应用台架试验结合模拟仿真的方式，对钩舌等多种关键零部件进行试验仿真，建立剩余寿命预测模型，并验证交叉杆等部件的安全运行里程。

根据《铁道货车交叉杆组成》中的疲劳载荷，同时考虑线路实测振动加速度数据、交叉杆振动模态与激励之间的耦合振动，对交叉杆进行疲劳仿真分析，可知在标准循环载荷350万次作用下，结构产生的损伤值较小，按照标准中350万次作用可以满足8年（160万km）的使用要求，交叉杆杆体结构可以满足
160万km的运用里程，这一分析结果为状态
图3货车车轮总体退化规律曲线
修重新优化转向架交叉杆的检修技术要求提供了理论依据。

3.4服役动力学性能研究
应用动力学仿真分析手段，对国家能源集团现役铁路货车建立动力学仿真模型，重点研究不同车轮左右轮径差条件下和转向架不同形式形位误差下的货车动力学性能演变，提出车轮左右轮径差安全限值及形位误差安全限值；针对转向架关键磨耗件，研究其参数变化对货车动力学性能指标的影响，确定各磨耗件的安全阈值。

3.5建立状态修诊断决策综合判别模型
上述基础研究工作的核心目标是建立状态修模式下的车列健康状态综合诊断模型。

一方面根据零部件
失效规律研究成果，建立零部件剩余寿命预测模型，实现车辆零部件的剩余寿命预测并对零部件健康状态进行评分；另一方面根据“5T”等轨旁监测设备采集的数据，建立铁路货车零部件技术状态监测模型，实现报警信息的综合研判与评分。

最终将以上2个模型的结果进行综合评判，建立车列健康状态综合诊断模型，形成车列修程决策诊断报告和车辆技术状态诊断报告，为状态修提供车列修程及车辆针对性修理依据。

车列健康状态综合诊断模型核心设计原则见图4。

4铁路货车状态修施修决策
以铁路货车状态修的安全理念指引，以大量的基础性理论研究工作为基础，提出开展铁路货车状态修的施修决策原则，即“综合判断、精准施策、离散归整、恢复健康”。

该决策原则以零部件、车辆、车列每一级的综合健康状态判断为基础，依据大数据信息系统对车列状态进行综合评判，制定基于实际健康状态的维修决策和具体方案，并最大程度上对不同零部件的离散型故障进行归整，减少过度分解、检测和修理，实现集约化检修，提高检修效率、降低综合维修成本。

基于上述施修原则，国家能源集团针对集团铁路网内循环运行的铁路货车，制定了状态修框架下的修程体系，将状态修修程根据整列车的不同技术状态，具体细分为状态一修（Z1修）、状态二修（Z2修）、状态三修（Z3修）和状态四修（Z4修）。

4个修理等级作业内容逐级覆盖。

各级修程主要特点见表3。

该修程体系是铁路货车离散状态的科学集约归整，不是在厂修、段修基础上的升级，其设计原理有本质不同，主要体现在以下方面：
（1）检修范围针对性更强。

每1级修程的检修重点均有所侧重，解决不同层面的批量性问题，其中
Z1修体现快速整备原则，重点解决闸瓦集中到限和零散故障车处置，将大幅减轻列检运用维修工作压力，便于图4车列健康状态综合诊断模型核心设计原则
表3
国家能源集团铁路货车状态修各级修程主要特点
列检布局的持续优化；Z2修重点解决车轮磨耗集中到
限和空气制动系统检修这一短板，对于运行状况良好
的钩缓系统、转向架系统不再进行分解，大幅减少
“拆、探、换”等过度修项点，同时可有效弥补轮轴等
存在的不足修现状；Z3修和Z4修在进行深入分解检修
时充分考虑零部件检修集约化的要求，全面恢复铁路
货车健康状态。

（2）零部件检修标准更合理。

基于大量调研和理
论分析结果，从具体零部件检修技术标准、检修周期
和检修限度要求方面进行优化设计，优化调整检修限
度30项，放宽检修标准10项、32种零部件延长检修
周期。

（3）整车与关键零部件实现了检修信息追踪。

在
国内首次运用北斗定位系统，结合轨旁地面设备报文
信息等手段实现状态修车辆的精确里程计算，在检修
时通过RFID标签、柔性标签等技术实现关键零部件检
修履历、里程等信息与整车检修信息的实时关联，确
保零部件全寿命周期内的信息连贯性，同时实现检修
全过程无纸化。

5铁路货车状态修持续改进
目前我国铁路货车检修行业已广泛应用货车检修
运用技术管理信息系统（简称HMIS系统），该系统是
一种侧重文档履历管理型的信息系统，虽然收集了海
量零件、事件信息，但这些多数是在静态下的孤立信
息，缺乏整车、运用性能信息，数据之间缺乏基于作
用机理进行的技术关联［10］。

为实现铁路货车状态修的
信息化、数字化、智能化、可视化，国家能源集团开发
建设了铁路货车状态监测维修系统（Huo Che Condition Based Maintenance，HCCBM），其主要由数据中心、诊断决策综合判别系统和生产指挥系统构成。

该系统实
现了铁路货车检修固定编组管理、检修故障精准施修、
全程跟踪优化等功能，对每个零部件产生唯一的编码
标识，探索逐步形成铁路货车状态修的数据资源池，
形成面向车辆监测、故障、维修、履历等信息的主题
数据库，通过云存储和大数据挖掘技术，反馈指导系
统核心健康诊断模型的自学习，实现“状态诊断－维
修－分析反馈”的铁路货车状态修模式，不断丰富数据资源和检修结果，形成良性的闭环正反馈机制，持续改进铁路货车检修，从资源驱动型转换为数据驱动型、提高健康决策诊断的精确程度，为最终实现检修数据智能分析奠定基础。

除了对健康决策诊断模型的不断改进外，海量数据资产还可以实现多维度的灵活使用，一方面可通过不断累积的车辆基础数据，分析研判国家能源集团铁路运输组织中存在的问题［11］，例如2万t列车编组是否合理、列检布局是否存在优化空间等，为国家能源集团运输组织决策提供支持；另一方面可有效用于指导铁路货车整车及零部件造修质量、质量保证寿命的提升，例如国家能源集团目前正与国内主要货车轴承设计制造企业合作开展“铁路货车轴承高可靠性技术研究与轴承全寿命周期管理”有关课题，希望通过该课题的研究，依托状态修HCCBM系统，搭建轴承制造端与应用端的信息共享平台，实现轴承“制造、压装、检修、运用”全寿命周期状态监测与故障分析预警等信息化管理功能，有效提升当前轴承质量保证能力不足、使用寿命短等问题，不断促进轴承造修质量。

6结束语
基于对国家能源集团铁路运输历年来的检修故障数据进行调研分析，认为在国家能源集团内率先开展铁路货车状态修修程修制改革完全符合国家和集团公司铁路运输高质量发展的趋势，而开展状态修研究遵循着“实时监测、综合分析、科学研判、精准施策、持续改进”的基本原则，不以牺牲安全为代价，可以充分保障车辆运行安全。

通过前期开展大量基础性理论研究工作的经验和取得的成果表明，铁路货车状态修可以更好地适用于不同技术状态下的铁路货车检修工作，使其在避免过度修的同时，最大限度避免不足修，并具有良好的经济效益。

据初步测算，国家能源集团开展状态修后预期单车全寿命周期检修成本至少降低20%以上，同时先进的车辆检测设备将进一步优化现有列检布局，对列检作业方式产生重大变革，撤销大量不必要的列检设置，大幅节约列检人工成本支出，预计年均节约列检人工成本可达1亿元左右。

此外研究工作还具有显著的社会效益和行业示范作用。

通过对国家能源集团铁路货车状态修成套技术的研究，将在国家能源集团铁路范围内全面推广实施铁路货车状态修，建立全新的铁路货车状态修检修制度与技术标准，积极推动国家能源集团乃至全国铁路行业科学技术水平创新发展。

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责任编辑翟立飒
收稿日期2020-06-05
Condition-based Maintenance and Safety of Railway Wagons of CHN Energy
KANG Fengwei,WANG Wengang
(CHN Energy Railway Equipment Co Ltd,Beijing100011,China)
Abstract:The maintenance of railway wagons is of great significance to the safety and efficiency of railway transport.The thorough investigation into the maintenance data of railway wagons of China Energy Investment Corporation subsidiaries shows the importance to reform to condition-based maintenance,while the analysis of the two safety states of railway wagon,namely“red line state”and“red state”helps identify the safety concept and principle for condition-based maintenance.The paper then looks into the theoretical basis for condition-based maintenance,proposes concrete measures for implementation,and puts forward concepts for continuous improvement using big data technologies.On the premise of safety,condition-based maintenance helps resolve the excessive or inadequate maintenance caused by planned maintenance,thus contributing to the high-quality development of railway transport.
Keywords:railway wagon;condition-based maintenance;excessive maintenance;inadequate maintenance;safety。