近年來，我國的高速鐵路實(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)著高速鐵路未來的創(chuàng)新發(fā)展。鐵路是國家重要基礎(chǔ)設(shè)施、國民經(jīng)濟(jì)大動脈和大眾化交通工具，對我國社會經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展和國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)勢的高速鐵路，是帶動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。

 

 

　　根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，截止2020年底，中國高速鐵路總里程超過3.8萬公里，占世界2/3以上。到2035年，預(yù)計(jì)高鐵總里程達(dá)到7萬公里，“四縱四橫”升級成“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。我國將發(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。今天就請跟隨小編的腳步一起了解下我院輪軌關(guān)系與維護(hù)研究中心（以下簡稱“輪軌中心”）多年來的研發(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)。 

 

科技研發(fā)

　　中國科學(xué)院院士、輪軌中心首席科學(xué)家翟婉明在2015年就提出了中國高鐵亟待建立運(yùn)營維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系，其中提到，與日、德、法等高鐵發(fā)源國相比，我國的高鐵運(yùn)營時間很短，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)一步針對中國高鐵的特點(diǎn)，從基礎(chǔ)源頭、關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)營實(shí)踐3個方面入手，找到最適合我國國情的運(yùn)營維護(hù)模式。
　　基于輪軌中心這些年來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)營管理及維護(hù)保養(yǎng)等多個階段系統(tǒng)管理車輪狀態(tài)。

 

 

　　現(xiàn)有車輪監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測手段相對單一，且不夠完善，無法有效全面地監(jiān)測車輪狀態(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，無法與車輪制造和鏇修建立起有效聯(lián)系。

車輪主要損傷類型

 

　　

                                                             車輪不圓順                                               踏面剝離                                                    踏面剝離

 

　　基于對現(xiàn)有車輪監(jiān)測，維護(hù)等現(xiàn)狀調(diào)研，輪軌中心與國內(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)對全路高鐵車輪健康狀態(tài)的及時監(jiān)測、缺陷趨勢研判、故障預(yù)測預(yù)警等功能。

 

 

科技創(chuàng)新

創(chuàng)新點(diǎn)
■　國內(nèi)外首次提出高速列車車輪的故障預(yù)測及健康管理技術(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)綜合評估、剩余壽命預(yù)測和預(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。

研究概述

 

技術(shù)路線圖

01基礎(chǔ)理論：車輛－軌道耦合動力學(xué)
　　作為此次研究的基礎(chǔ)，翟院士所創(chuàng)立的車輛－軌道耦合動力學(xué)理論，開創(chuàng)了鐵路大系統(tǒng)動力學(xué)學(xué)科新領(lǐng)域，并得到了國際上的廣泛認(rèn)可。

 

  

 

02信息采集系統(tǒng)及輪軌力實(shí)時動態(tài)測試系統(tǒng)

　　采集車輪信息：相當(dāng)于為每個車輪建立自己的“身份證”。系統(tǒng)管理車輪從“出生到死亡”相關(guān)信息。
　　輪軌力動態(tài)測量系統(tǒng)：通過輪-軌之間的作用力與反作用力，實(shí)時掌握車輪狀態(tài)。

 

 
 

 

03大數(shù)據(jù)平臺：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)測故障發(fā)展趨勢。

 

 

高速鐵路車輪全壽命周期健康管理系統(tǒng)優(yōu)勢

1.車輪信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輪電子標(biāo)簽：通過車輪的出生信息，車輪裝配信息，車輪狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測信息，運(yùn)營線路軌道設(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)時跟蹤監(jiān)測。
2.大數(shù)據(jù)平臺實(shí)時掌握每片車輪的質(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)用過程。
3.保障車輛運(yùn)用安全：通過缺陷產(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、延長使用壽命：通過車輪剩余壽命預(yù)測和提供經(jīng)濟(jì)性鏇修方案降低運(yùn)維成本。

 

應(yīng)用價值

科研價值
■　梳理車輪全壽命周期內(nèi)影響因素及相互作用關(guān)系；
■　對比各線路、各車輛的車輪狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)和磨耗趨勢，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)價值
■　實(shí)現(xiàn)高速列車車輪全壽命過程數(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)對車輪狀態(tài)的動態(tài)管理及有效調(diào)配，提高整個高速鐵路系統(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；
 

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

■　該智能化管理系統(tǒng)已建立系統(tǒng)框架；
■　制造了輪軌力實(shí)時動態(tài)測試系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)入試驗(yàn)階段，地鐵系統(tǒng)中進(jìn)行了測試，其準(zhǔn)確性與響應(yīng)時間均符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)；
■　建立大數(shù)據(jù)算法。

 

 

　　軌道交通由于多學(xué)科的跨專業(yè)性，驗(yàn)證流程的復(fù)雜性，故其產(chǎn)業(yè)化是一個漫長且復(fù)雜的過程。未來輪軌中心將秉承清華大學(xué)的“自強(qiáng)不息,厚德載物”的精神，繼續(xù)推動產(chǎn)業(yè)化快速落地，助力我國軌道交通產(chǎn)業(yè)再上新的臺階。

輪軌關(guān)系與維護(hù)研究中心
　　輪軌關(guān)系與維護(hù)研究中心由中國科學(xué)院院士翟婉明教授牽頭組建。翟婉明院士長期從事軌道交通工程動力學(xué)與振動研究，開拓了鐵路大系統(tǒng)動力學(xué)研究新領(lǐng)域。研究中心依靠團(tuán)隊(duì)在軌道交通方向的科研優(yōu)勢和多年來科研成果的積累，開展鐵路和城市軌道交通預(yù)防性維護(hù)理論與維護(hù)裝備的科研、成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品服務(wù)等工作。核心技術(shù)包括車輛-軌道耦合動力學(xué)理論；輪軌狀態(tài)感知技術(shù)：輪軌力地面感知系統(tǒng)、測力輪對、軌道狀態(tài)感知系統(tǒng)；重載列車安全、模式化操縱、評價和智能駕駛技術(shù)；重載列車動力學(xué)分析、轉(zhuǎn)向架技術(shù)及關(guān)鍵部件CAE分析等。

 

來源|輪軌關(guān)系與維護(hù)研究中心
編輯|王肖
以上相關(guān)技術(shù)最終解釋權(quán)歸輪軌關(guān)系與維護(hù)研究中心所有