新时代下铁路货车车辆轮轴检修智能化与实践分析

新时代下铁路货车车辆轮轴检修智能化与实践分析

董强

呼和浩特局集团有限公司包头车辆段  呼和浩特 010050

摘要：随着技术的不断发展和进步，铁路货车车辆轮轴的检修也逐渐走向智能化。本文首先介绍了铁路货车轮轴的基本知识，探讨了传统的检修方法，并详细分析了智能化检修的技术进展，如传感器、数据采集、大数据和机器学习等技术在检修中的应用。此外，还讨论了智能化检修的优势与挑战，包括提高检修效率、减少人工干预、技术更新和培训需求，以及数据安全与隐私问题。

关键字：铁路货车；轮轴检修；智能化；传感器；数据采集

铁路货车作为现代物流和交通的重要组成部分，其性能的稳定与否直接关系到整个运输系统的安全与效率。其中，轮轴的检修是铁路货车维护中的关键环节。传统的检修方法虽然历经数十年的实践，但仍存在效率低、准确性有限等问题。新时代的技术发展，特别是信息技术的飞速进展，为轮轴检修带来了前所未有的机会。从传感器的普及，到大数据和机器学习的应用，我们有理由相信，智能化的轮轴检修将会是未来的趋势。

1 铁路货车车辆轮轴的基本知识

铁路货车，作为现代物流和交通的核心力量，起到了至关重要的作用。2021年数据显示，随着中国铁路春运的需求持续上升，国铁集团在短时间内完成了货物发送5.17亿吨的壮丽业绩。这背后，铁路货车车辆轮轴的稳定性和可靠性显得尤为关键。铁路货车车辆轮轴是货车运行中的关键部件，它负责将动力传递到轨道，并承受车辆的全部重量。轮轴由轴和车轮组成，轴通常是由高强度的钢材制成，以确保在高速运行和大负荷下都能保持稳定。轮轴的主要功能是支撑车辆，提供稳定的行驶和转向，并通过车轮与轨道的摩擦传递动力。因此，它必须具有足够的强度和韧性，以抵抗来自各个方向的弯曲、扭曲和拉伸力。此外，为了确保安全和高效的运行，轮轴还需要定期进行检查和维护，以预防潜在的损伤和故障。

2 传统的轮轴检修方法

传统的轮轴检修方法主要依赖于人工视觉检查、手工测量和经验判断。维修工人通常使用各种手工工具，如尺子、卡尺和慧眼，来检查轮轴的磨损、裂纹和其他可能的损伤。这种方法虽然简单，但也存在一定的局限性。例如，人眼很难检测到深层的微小裂纹或内部的损伤。除了视觉检查，另一种常用的传统检修方法是超声波探伤。通过向轮轴发射超声波，并根据反射的波形来判断轮轴内部的状况。这种方法相对准确，但仍然需要专业的操作人员和设备。尽管传统的检修方法在过去的几十年中为铁路货车提供了可靠的服务，但随着技术的进步和安全标准的提高，这些方法逐渐显得不够精确和高效。

3 智能化轮轴检修的技术进展

3.1 传感器与数据采集技术

近年来，传感器技术和数据采集方法在铁路货车轮轴检修中得到了广泛应用。高精度的传感器能够实时监测轮轴的运行状态，包括其温度、振动、应力等关键参数。例如，通过在轮轴上部署温度传感器，可以预测和识别过热问题，从而避免因此导致的损伤。现代的数据采集系统也使得维修团队能够实时接收到大量的运行数据，这些数据不仅可以用于即时分析，还可以存储起来，用于长期的趋势分析和维护计划制定。

车轮传感器作为一种具有特定应用范围的传感器，在铁路部门中得到了广泛的使用。车轮传感器不仅可以统计通过铁轨的火车车轮（轴）数，而且当车轮以0-60km/h的速度经过时，能实时检测，进而实现计轴和判断火车的行驶方向。这些传感器特别适用于43kg/m和50kg/m标准轨，适应的轮径为(840-1750)mm、轮缘高度在(25-34)mm之间。车辆行驶速度范围为(0—60)km/h，轨道间距为1435(+6/-3)mm。为了确保其稳定性和准确性，车轮传感器的安装高度和位置都有明确的要求，如离铁轨上端不小于40mm，并安装在铁轨的内侧。这种传感器的工作环境适应范围也相当宽广，可以在温度范围为(-40~+80)℃和湿度为98%(20℃)以下的环境中正常工作，其平均使用寿命可达10年。通过无线通讯技术，这些数据还可以实时传输到远程的监控中心，进一步提高了检修的效率和准确性。

3.2 大数据与机器学习在检修中的应用

随着传感器技术的发展和高铁运行速度的提高，铁路货车产生的数据量呈几何级数增长，尤其是在我国全国铁路营业里程达到13.9万公里，完成客运量36.6亿人的背景下。高铁的运行速度快，运行里程长，承载的客流人数多，其安全运行尤为重要。铁路是一个复杂精密的集成系统，任何环节的瑕疵或漏洞都有可能导致安全事故的发生。铁路巡检正是列车安全运营背后的支撑，而巡检员被称为"铁路医生"，是上亿客运量背后的安全保障。

铁路巡检不仅关乎每位乘客的安全，同时也是每一位铁路巡检员的辛勤付出。人工智能应用于高铁巡检不仅有助于及时发现安全隐患，还可以减轻巡检工人的工作强度。智能高铁巡检主要是通过在巡检设备上安装的高清相机实时捕捉零部件的图像，再通过人工智能算法识别安全隐患。巡检设备每小时可产生约100,000张照片，需要开发相应的AI图像分类及检测模型来快速识别照片中的故障。

中国铁道科学研究院（以下简称"铁科院"）携手浪潮升级了AI巡检模型，采用浪潮自动机器学习算法平台AutoML Suite开发。新模型不仅准确度比人工设计模型高出约10%，其开发效率也提高了5倍。这主要得益于AutoML Suite平台能够实现企业级一站式模型自动构建，支持本地化和云端部署。为了解决高铁巡检模型开发中的困难问题，铁科院采取了一系列措施，如图片翻转、调亮等来扩大数据量，以及导入数据到AutoML Suite平台中进行模型搜索、模型训练和自动调参。

3.3 智能诊断与预测技术的演变

智能诊断技术基于先进的数据分析和机器学习方法，可以自动地识别轮轴的故障和损伤。这种技术不仅可以在故障发生后进行诊断，还可以在故障发生前进行预测，从而实现预防性的维护。随着技术的进步，智能诊断和预测技术也在不断演变。例如，深度学习算法可以处理更复杂的数据结构，提供更高的诊断准确性。此外，结合物联网和边缘计算技术，智能诊断系统可以实时地进行分析，进一步提高了铁路货车的运行安全和效率。

2020年10月28日，一个重要的里程碑被铁路行业注记：由54辆C80型车编组而成的8149次列车，驶出位于沧州黄骅港的国家能源集团智能运维Z1修整备线。这一事件标志我国重载铁路检修正式迈入了从“计划修”到“状态修”的智能运维新时代。在此之前，我国铁路货车一直实行“计划预防修”的检修模式，即按照固定的检修周期进行维护。这种方式可能造成检修成本浪费，并存在运行的安全隐患。为了解决这一问题，国家能源集团所属铁路装备公司经过多年的技术研发和创新，成功地改革了传统的“计划修”模式，向利用数据智能判定铁路货车健康状态，从而智能决策修程的检修新模式迈进。

此次修竣发车的54辆C80型车辆，是在铁路装备公司新近投产的智能运维Z1修整备线上完成的状态修。这是国内铁路行业首条智能运维整备线，它能够实现故障的精准定位、快速维修和零部件的批量更换。由于这条整备线高度智能化和自动化，它极大提高了铁路货车的检修效率和准确性，同时大幅增强了运输效率。与“计划修”模式相比，智能运维“状态修”Z1修整备线投产后，日均整备数量达到4列，且每列的整备时间都控制在4小时以内。这种改革使得铁路货车单车的全生命周期检修成本至少降低了20%。

4 智能化轮轴检修的优势与挑战

4.1 提高检修效率与准确性的优势

智能化轮轴检修的出现无疑为铁路货车维护带来了一场革命。在技术层面，传统的轮轴检修方法通常依赖于工人的经验和初级工具，而这在很多情况下都是不够准确的。例如，裂纹、疲劳和微小的磨损是难以通过肉眼检测的，这样的损伤如果长时间未被发现和处理，可能会导致更大的损坏，甚至可能危及运营安全。在这种背景下，现代的传感器技术赋予了检修工作以前所未有的精确性。它们能够深入到轮轴的内部，检测那些对人眼不可见的损伤。例如，超声波传感器可以探测内部的裂纹，而热成像技术则可以发现潜在的过热问题。这种级别的细致检查确保了更高的准确性，大大减少了误报和漏报的机率。机器学习的加入进一步强化了这一优势。随着时间的推移，系统可以从每次检修中学习，对特定的损伤特征或异常行为模式逐渐“敏感”。这意味着，每次检修都比上一次更加准确，检修过程也逐渐变得更为迅速。此外，智能化的数据处理能力显著提高了检修速度。在传统方法中，工人可能需要几天时间分析和解读数据，而现在，高效的算法可以在几分钟甚至几秒钟内完成这一工作。这不仅大大缩短了停机时间，还意味着铁路货车可以更快地回到正常运营，从而提高整体的经济效益。

4.2 减少人工干预，降低维修成本

近年来，智能化技术为铁路货车轮轴检修带来了质的飞跃。其中，最明显的变化是对于人工参与程度的显著减少。在以前，训练有素的技术人员对于轮轴的每一次检查都需要投入大量的时间和精力。这不仅涉及到具体的检测工作，还包括数据记录、分析以及随后的维修建议。这样的过程通常是低效且容易出错的，特别是在连续工作数小时后。智能化检修的引入改变了这一现状。自动化的传感器不仅可以24小时不间断地工作，还可以提供比人眼更为精确的检测结果。例如，通过高分辨率的摄像头和先进的图像识别技术，系统可以识别轮轴上微小的裂纹或瑕疵，这在以前很可能会被忽视。再如，一些特定的传感器可以针对特定的问题（如磨损或腐蚀）进行深入检查。更为重要的是，这些智能系统可以实时地分析检测到的数据，并与历史数据进行比较，从而迅速诊断出潜在的问题。这意味着，一旦发现问题，就可以立即进行修复，而不是等待定期检查。这样的及时性大大降低了因延迟维修造成的设备损失风险。从经济角度看，减少人工干预意味着直接的成本节省。智能化检修系统虽然在初期需要一定的投资，但考虑到其高效率和准确性，这些成本在长远看来是完全值得的。此外，更为及时的维修决策也避免了因设备损坏而产生的额外费用。

4.3 持续的技术更新和培训需求

尽管智能化技术为轮轴检修带来了众多优势，但它也带来了新的挑战。技术的快速发展意味着设备和软件需要持续地进行更新。这不仅增加了设备的投资成本，还需要为员工提供持续的技术培训。确保维修团队能够熟练地使用最新的检修工具和方法至关重要。否则，即使拥有最先进的设备，也无法发挥其最大的效益。

4.4 数据安全与隐私问题

随着数据采集和传输技术的广泛应用，数据安全和隐私问题日益受到关注。轮轴检修中采集的数据可能包括车辆的运行状态、位置、载荷信息等，这些数据如果被非法获取，可能会被用于恶意目的。因此，确保数据的安全存储和传输至关重要。这可能需要投资于高级的加密技术和安全协议，以及定期的安全审计和评估。同时，对于在检修过程中可能接触到的敏感数据，需要建立严格的访问和使用政策，确保数据的隐私和安全。

5 结论

智能化的轮轴检修为铁路货车的维护带来了革命性的改变。通过应用先进的传感器技术和数据分析工具，我们不仅可以提高检修的效率和准确性，还可以大大减少人工干预，从而降低维修成本。然而，这也带来了新的挑战，如技术的持续更新、培训需求的增加以及数据安全与隐私的问题。为了充分利用智能化技术的优势并克服其带来的挑战，我们需要不断地研究和探索，确保铁路货车的安全与高效运行。

参考文献：

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