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【科技成果推介】高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统

【科技成果推介】高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统

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  • Time of issue:2021-12-24
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【科技成果推介】高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统

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  近年来,我国的高速铁路实现了飞跃式发展,“绿色、智能、安全、人文”的新理念引领着高速铁路未来的创新发展。铁路是国家重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具,对我国社会经济又好又快发展和国防起着不可替代的全局性支撑作用。大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路,是带动形成一大批高新技术和相关产业及制造业提升与发展的必由之路和必然选择。

 

 

  根据有关数据,截止2020年底,中国高速铁路总里程超过3.8万公里,占世界2/3以上。到2035年,预计高铁总里程达到7万公里,“四纵四横”升级成“八纵八横”高铁主通道。到2050年,将全面建成现代化铁路强国。我国将发展成为高速铁路发展速度最快,总里程数最多的国家之一。
  在影响铁路安全的诸多因素中,轮轨关系的研究是最重要的因素之一,它影响车辆运行安全,也影响整车寿命。今天就请跟随小编的脚步一起了解下我院轮轨关系与维护研究中心(以下简称“轮轨中心”)多年来的研发创新成果:高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统。

科技研发

  中国科学院院士、轮轨中心首席科学家翟婉明在2015年就提出了中国高铁亟待建立运营维护标准体系,其中提到,与日、德、法等高铁发源国相比,我国的高铁运营时间很短,实践经验还很缺乏,基础研究也很薄弱。因此,要进一步针对中国高铁的特点,从基础源头、关键技术和运营实践3个方面入手,找到最适合我国国情的运营维护模式。
  基于轮轨中心这些年来与多家兄弟单位一起致力于开发一套高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统,从设计生产,运营管理及维护保养等多个阶段系统管理车轮状态。

 

 

  现有车轮监测系统监测手段相对单一,且不够完善,无法有效全面地监测车轮状态并诊断车轮损伤类型。除此之外,缺乏全面管理车轮全寿命周期的能力,无法与车轮制造和镟修建立起有效联系。

车轮主要损伤类型

 

  

                                                             车轮不圆顺                                               踏面剥离                                                    踏面剥离

 

  基于对现有车轮监测,维护等现状调研,轮轨中心与国内多家高校、科研机构联合开发一套高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统。通过集成车轮的制造、加工组装、运用维修等全寿命周期信息、构建高速铁路车轮全寿命周期智能化管理系统。实现对全路高铁车轮健康状态的及时监测、缺陷趋势研判、故障预测预警等功能。

 

 

科技创新

创新点
■ 国内外首次提出高速列车车轮的故障预测及健康管理技术研究,项目将实现面向全路高速列车车轮覆盖全寿命周期的信息查询、数据统计分析、健康状态综合评估、剩余寿命预测和预防性镟修方案。
■ 创新性地设计高速列车车轮健康管理模型,综合车轮的使用状态和服役历程信息,定量给出车轮健康状态。
■ 车辆-轨道耦合动力学计算、轮-轨磨耗模型、车轮磨耗历史数据等数据做为专家库,踏面镟修参数计算方法做为判断规则,对全路车轮的采集数据进行综合分析,制定预防性镟修方案。

研究概述

 

技术路线图

01基础理论:车辆-轨道耦合动力学
  作为此次研究的基础,翟院士所创立的车辆-轨道耦合动力学理论,开创了铁路大系统动力学学科新领域,并得到了国际上的广泛认可。

 

 

02信息采集系统及轮轨力实时动态测试系统

  采集车轮信息:相当于为每个车轮建立自己的“身份证”。系统管理车轮从“出生到死亡”相关信息。
  轮轨力动态测量系统:通过轮-轨之间的作用力与反作用力,实时掌握车轮状态。

 

 

03大数据平台:车轮健康关联数据中心
  将轮轨力作为重要参数输入,结合轨道信息、镟修信息等参数,并应用大数据技术进行数据筛选、数据训练,最终建立车轮健康因数。

 

 

04专家系统:车轮全寿命周期健康管理系统
  通过车轮健康因数,判断车轮存在故障以及故障类型,结合历史数据优化车轮镟修里程并预测故障发展趋势。

 

 

高速铁路车轮全寿命周期健康管理系统优势

1.车轮信息采集系统实现车轮电子标签:通过车轮的出生信息,车轮装配信息,车轮状态实时监测信息,运营线路轨道设计、检修信息,车轮检修信息实现车轮的电子标签化,做到实时跟踪监测。
2.大数据平台实时掌握每片车轮的质量和运行状态:车轮全生命周期信息库实现车轮履历管理、质量追踪、寿命管理。监控车轮寿命其内的运用过程。
3.保障车辆运用安全:通过缺陷产生与发展速率分析和车轮踪迹追溯,课保障车辆运用安全。
4.降低运维成本、延长使用寿命:通过车轮剩余寿命预测和提供经济性镟修方案降低运维成本。

应用价值

科研价值
■ 梳理车轮全寿命周期内影响因素及相互作用关系;
■ 对比各线路、各车辆的车轮状态历史数据和磨耗趋势,为车辆和轨道设计及检修工作的优化提供依据;
■ 积累大量车轮磨耗数据,为预防性维护研究提供数据基础;
经济价值
■ 实现高速列车车轮全寿命过程数据信息化管理;
■ 提高车轮使用寿命,降低维护成本;
■ 实现对车轮状态的动态管理及有效调配,提高整个高速铁路系统的运行效率,实现经济效益的进一步提升;
■ 异常失效车轮的可追溯性高,提高车辆安全性;

产业化进程

■ 该智能化管理系统已建立系统框架;
■ 制造了轮轨力实时动态测试系统样机进入试验阶段,地铁系统中进行了测试,其准确性与响应时间均符合预期标准;
■ 建立大数据算法。

 

 

  轨道交通由于多学科的跨专业性,验证流程的复杂性,故其产业化是一个漫长且复杂的过程。未来轮轨中心将秉承清华大学的“自强不息,厚德载物”的精神,继续推动产业化快速落地,助力我国轨道交通产业再上新的台阶。


轮轨关系与维护研究中心
  轮轨关系与维护研究中心由中国科学院院士翟婉明教授牵头组建。翟婉明院士长期从事轨道交通工程动力学与振动研究,开拓了铁路大系统动力学研究新领域。研究中心依靠团队在轨道交通方向的科研优势和多年来科研成果的积累,开展铁路和城市轨道交通预防性维护理论与维护装备的科研、成果转化、产品服务等工作。核心技术包括车辆-轨道耦合动力学理论;轮轨状态感知技术:轮轨力地面感知系统、测力轮对、轨道状态感知系统;重载列车安全、模式化操纵、评价和智能驾驶技术;重载列车动力学分析、转向架技术及关键部件CAE分析等。

 

来源|轮轨关系与维护研究中心
编辑|王肖
以上相关技术最终解释权归轮轨关系与维护研究中心所有

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