铁道货车横向动力学可靠性地面评估方法

摘要

本发明公开了一种铁道货车横向动力学可靠性地面评估方法，包括步骤：A.收集某类货车足够数量的横向动力学地面监测数据，所述监测数据包括货车的车号、时间和横向动力学性能地面监测数据；B.收集该类货车的定检信息；C.依据车号匹配该类货车的横向动力学地面监测数据和定检信息，得到每辆货车每次横向动力学地面监测数据及对应的定检后运用时间；D.对收集到的每辆货车的每个定检后运用时间依据上述横向动力学地面监测数据分别进行横向动力学性能失效评估，得到该类货车横向动力学性能可靠性样本；E.利用该类货车的横向动力学性能可靠性样本，对该类货车进行可靠性评估。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种铁道货车横向动力学可靠性地面评估方法。

背景技术

铁道货车是一个典型的机械系统，各部件之间的摩擦件较多。运用中，货 车横向动力学受诸多因素的影响，如零部件的磨合、车轮踏面形状改变、承载 鞍、斜锲、心盘等零部件的磨耗，使得货车的横向动力学性能在使用周期中变 化较大，须用可靠性的方法对货车横向动力学性能进行研究。

中国铁路就有该方面的深刻教训：型式试验表明能满足100km/h运行需要 的转8A型转向架，大量列装后，实际运用空车运行速度只能限制在70km/h以 下，其横向动力学性能的可靠性成为货车提速的瓶颈，阻碍货车提速进程。因 此，横向动力学性能的可靠性评估对货车运行安全、设计、制造、维修周期及 标准的制定具有重要意义。

传统货车横向动力学性能的评估手段是车载动力学试验，其难以进行横向 动力学性能可靠性研究，因为获得足够数量的横向动力学性能可靠性样本，采 用传统的车载动力学方法，需要大量的经费、人力和时间。如环行线提速货车 可靠性试验是中国首次也是唯一的一次货车可靠性试验，2003年至2007年， 在中国铁道科学研究院环形线，共进行了最大里程36万公里的可靠性试验，试 验耗费了大量的财力、人力，取得了重要成果，但单就横向动力学性能可靠性 评估来看，其结果有较大的局限性，主要体现在两方面，其一，可靠性样本太 少，各类货车总共只有84辆；其二，可靠性试验的运行条件与实际运行条件相 差悬殊，如可靠性试验中车辆装载状态保持不变，而实际运用过程中货车的空、 重状态是交替的；环形线的线况及不平顺与实际运用线路相比不具有广泛代表 性，因此环形道可靠性试验花费了巨大的人力、财力、时间，仅在与实际运行 条件相差较大的试验条件下，取得了少量的横向动力学可靠性样本，其可靠性 评估结果具有较大的局限性。

总之，采用传统的车载式动力学评判方法，难以开展横向动力学性能的可 靠性评估，其样本数量少、加载条件与实际条件不符、代价高，无法取得足够 多的横向动力学可靠性分析样本，因此，货车横向动力学可靠性评估在世界范 围内尚属空白。

发明内容

本发明的目的是，提供一种铁道货车横向动力学可靠性地面评估方法，以 实现大样本，低成本和符合实际运行条件的货车横向动力学可靠性评估。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现，一种铁道货车横向动力学 可靠性地面评估方法，其包括步骤：

A、从车辆运行状态地面监测中心服务器收集某类货车的横向动力学地面监 测数据，所述监测数据包括货车的车号、时间和横向动力学性能数据；

B、收集该类货车的定检信息；

C、依据车号匹配该类货车的横向动力学地面监测数据和定检信息，得到每 辆货车每次横向动力学地面监测数据及对应的定检后运用时间；

D、分别对每辆货车一个定检周期内上述序列的地面监测数据进行横向动力 学性能失效评估，得到货车横向动力学性能的可靠性样本，可靠性样本包括横 向动力学性能是否失效及相应的时间(横向动力学性能失效是指横向动力学性 能劣化、低于相应的标准；时间是指车辆定检后的运用时间)；

E、利用该类货车所有的横向动力学性能可靠性样本，对该类货车进行可靠 性评估。

在优选的实施方式中，上述步骤A中，是利用车辆动力学性能地面探测站， 测得通过货车的上述横向动力学地面监测数据，该类监测数据在车辆运行状态 监测中心服务器集中存储。

在优选的实施方式中，上述步骤A中，所述货车的横向动力学性能数据包 括脱轨系数、轴脱轨系数、横向力、轴横向力和速度。

在优选的实施方式中，上述步骤D中，所述可靠性样本的时间是通过步骤 C中车号匹配得到的定检后的运用时间。

在优选的实施方式中，上述步骤E中，所述可靠性评估根据数据特征采用 随机截尾数据或无失效数据方法进行处理而获得。

在优选的实施方式中，所述可靠性评估包括点估计和置信限估计。

本发明的优点是：

1、采用本发明得到的评估样本大；

2、采用本发明得到的评估样本符合货车实际运用条件；

3、采用本发明进行的货车横向动力学可靠性评估成本低。

因此，本发明实现货车横向动力学可靠性地面评估方法，为货车定型、安 全性评估、检修周期及标准的制定提供手段，具有很强的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施时的框图；

图2是本发明的P65型专用棚车横向动力学性能可靠度变化趋势图；

图3是本发明的P65型专用棚车故障率变化趋势图；

图4是本发明的P65型专用棚车置信限曲线变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中提到的“货车”是指“铁道货车”。

如图1所示，本发明提出的一种铁道货车横向动力学可靠性地面评估方法， 其包括步骤：

A、从车辆运行状态监测中心服务器收集某类货车的横向动力学地面监测数 据，所述监测数据包括货车的车号、时间和横向动力学性能数据。

在此处，是利用地面设备，例如车辆动力学性能地面探测站(以下称TPDS 探测站)，测得通过TPDS探测站的该类货车的上述监测数据，其中，TPDS探测 站是利用设在轨道上的监测平台，动态监测通过轨道车辆轮轨间的动力学参数， 其目前已基本覆盖所有主要铁道干线，其通过分散监测、联网评判的方式来评 定轨道车辆的动力学性能；

横向动力学性能数据主要包括脱轨系数、轴脱轨系数、横向力、轴横向力 和速度等。

B、收集该类货车的定检信息。

在此处，可从铁道货车技术信息管理系统HMIS中收集该类货车的定检信 息。

C、依据车号匹配该类货车的横向动力学地面监测数据和定检信息，得到每 辆货车每次横向动力学地面监测数据及对应的定检后运用时间。

D、分别对每辆货车一个定检周期内上述序列的地面监测数据进行横向动力 学性能失效评估，得到横向动力学性能是否失效及相应的时间(横向动力学性 能失效是指横向动力学性能劣化、低于相应的标准；时间是指车辆定检后的运 用时间)，即货车横向动力学性能的可靠性样本；

E、利用该类货车的所有横向动力学性能可靠性样本，对该类货车进行可靠 性估计；此处的可靠性估计包括点估计和置信限估计。

本发明利用地面设备探测货车的横向动力学性能数据、结合货车定检信息 得到某一车型横向动力学与时间的序列，通过横向动力学性能失效评估得当横 向动力学可靠性样本、评估该型货车横向动力学可靠性，解决了传统基于货车 动力学试验的可靠性评估方法样本少、加载条件与实际条件不符、代价高的问 题，可以有效运用于货车定型、安全性评估、检修周期及标准的制定等。

在较佳的实施方式中，上述步骤D中，所述货车的横向动力学性能失效评 估方法包括：

F1、获得某一类货车的基础数据，所述基础数据包括有效监测速度级下的 地面监测数据x，评估速度级下的标准横向动力学试验数据y，以及对应的横向 动力学特征参数θ；

其中，基础数据中的地面监测数据x和标准横向动力学试验数据y，可依 据标准通过标准横向动力学试验或数值仿真的方式获取；

F2、分别生成各个评估速度级下该类货车的标准横向动力学试验数据y关 于横向动力学特征参数θ的第一种条件概率密度函数p(y|θ)；

F3、分别生成各个有效监测速度级下上述类型车辆地面监测数据x关于横 向动力学特征参数θ的第二种条件概率密度函数p(X|θ)；

F4、依据上述第二种条件概率密度函数p(X|θ)及对应的地面监测数据，生 成该类货车的横向动力学特征参数θ的概率密度函数p(θ)；

F5、根据贝叶斯估计推论，对任一个属于该类货车的车辆，将其有效监测 速度级下地面监测数据序列Xc结合第二种条件概率密度函数p(X|θ)和概率密度 函数p(θ)，得到该车辆的横向动力学特征参数分布；

F6、通过该车辆横向动力学特征参数分布和第一种条件概率密度函数，得 到所述车辆在评估速度级下标准横向动力学参数分布，根据标准进行失效评估。

本发明实施例通过系统概率模型的建立，引入车辆横向动力学特征参数， 得到地面监测与标准动力学试验之间的数值关联，从而只需对车辆进行地面监 测，利用多次地面监测数据，推断出相应的横向动力学试验结果，进而引用“标 准”(例如GB/T5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》)进行 失效评估。

下面以P65型专用棚车为例对本发明的货车可靠性评估进行说明。

本发明实施例的具体任务是评估货车——P65型专用棚车一个段修期运营 中的在100km/h速度级空车横向动力学可靠性，P65型专用棚车的段修周期为 一年。其实施过程如下：

A1、由于铁道部车辆运行状态监测中心服务器内存储有各类货车的监测数 据，因此可从该中心服务器中收集2006～2007两年的P65型专用棚车以高于 100km/h速度通过TPDS探测站的监测数据，监测数据包括车号、时间和横向动 力学性能数据；

其中收集到1747辆P65型专用棚车，34925辆次通过TPDS探测站记录； 具体而言，涉及1745辆P65型专用棚车以重车状态通过TPDS探测站，共31969 辆次；933辆P65型专用棚车以空车状态通过TPDS探测站，共2969辆次；表1 显示速度高于100km/h的P65型专用棚车通过TPDS探测站样本统计，见表1：

表1

B1、通过铁道货车技术信息管理系统(HMIS)，获得与以高于100km/h速度 通过TPDS探测站的P65型专用棚车的货车定检信息；货车定检信息包括定检时 间。

C1、依据车号匹配通过步骤A1中所收集的P65型专用棚车的横向动力学性 能数据和步骤B1中获得的货车定检信息，得到每辆P65型专用棚车的每次横向 动力学监测数据，及对应的定检后运用时间(天数，从段修或厂修落成日期起)， 其中“定检后运用时间”是指(步骤A1中的“时间”)减去(小于且最接近于 步骤A1中的时间的“定检时间”)；表2显示了P65型专用棚车轴脱轨系数与运 用时间的关系，见表2：

表2

从表2中可以看出，P65型专用棚车空车通过TPDS探测站的轴脱轨系数均 值，随运用时间增加呈明显上升趋势，如此表明P65型专用棚车空车随运行时 间的增加，零部件磨耗加重，致使段修到期前的横向稳定性有明显恶化的趋势； 而P65型专用棚车重车横向稳定性变化趋势不明显。也就是说，P65型专用棚 车空车横向稳定性需要进行进一步的可靠性研究。

D1、利用上述1747辆的P65型专用棚车的横向动力学监测数据，对其每辆 P65型专用棚车，以一个段修期为单位，分别进行横向动力学性能失效评估， 得到P65型专用棚车的横向动力学性能可靠性样本，包括横向动力学性能是否 失效及对应的时间。具体做法是以每辆P65型专用棚车一定连续序列长度的监 测数据为输入，进行横向动力学的失效分析，得到横向动力学性能可靠性样本。

考虑到正线(正常运行线路)上监测频度、数据的时效性，取监测序列长 度为高于3，即以连续三次100km/h以上的监测的P65型专用棚车的空车轴脱 轨系数为输入，推断其正线120km/h条件下脱轨系数大于1.0的概率。以脱轨 系数大于1.0的概率大于0.9为横向动力学性能失效标准；共收集到P65型专 用棚车横向动力学空车可靠性样本2198个，其中P65型专用棚车空车横向动力 学失效样本27个；表3显示P65型专用棚车空车横向动力学失效数据，见表3：

表3

由于在2198个数据中仅有27个故障数据，且随机分布在其它非故障数据 中，因此，P65型专用棚车空车横向动力学可靠性数据属于典型的随机截尾数 据。以下采用随机截尾数据处理方法进行可靠性评估：

(1)参数点估计结果(即可靠性评估中的点估计)

采用三参数威布尔分布相关系数优化方法对数据进行参数点估计，得到其 概率分布函数为：

$F\left(t\right)=1-\exp (-{\left(\frac{t-5.7}{15170}\right)}^{1.08})---\left(1\right)$

对式(1)函数做显著性检验，取显著性水平α＝0.1，假设式(1)不成立， 则该假设的拒绝域应大于t_α＝1.32，由于检验统计量t＝18·17>t_α落在拒绝域内， 因此，式(1)函数关系成立是显著的。

由式(1)进一步得到，可靠度分布函数：

$R\left(t\right)=\exp (-{\left(\frac{t-5.7}{15170}\right)}^{1.08})---\left(2\right)$

可靠寿命函数：

$t\left(R\right)=15170{(-\ln R)}^{\frac{1}{1.08}}+5.7---\left(3\right)$

图2给出P65型专用棚车横向动力学性能可靠度随走行时间变化趋势，并 且可以计算出该型货车走行365天时的可靠度为0.982；以及可靠度为0.98时， P65型专用棚车的横向动力学性能可靠寿命约为408天。

故障率分布函数：

$\lambda \left(t\right)=\frac{1.08}{15170}{\left(\frac{t-5.7}{15170}\right)}^{0.08}---\left(4\right)$

图3给出P65型专用棚车故障率随走行时间变化趋势，由图可以看出故障 率曲线是在较低的水平上缓慢上升的，但幅度不大，说明该型货车的耗损故障 趋势并不明显，仍处于偶发故障期，可在加强监测其故障率变化趋势的前提下， 继续使用。

(2)置信限估计结果

这里选取置信度为γ＝95％，计算其置信限函数。其可靠度置信下限为：

$R\left(t\right)=\exp (-{\left(\frac{t-5.7}{40346}\right)}^{0.81})---\left(5\right)$

可靠寿命置信下限分别为：

$t\left(R\right)=40346{(-\ln R)}^{\frac{1}{0.81}}+5.7---\left(6\right)$

图4给出了置信度γ＝95％的置信限曲线，由置信限公式可以计算出，置信 度γ＝95％时，P65型专用棚车横向动力学性能365天时的可靠度置信下限约为 0.978；以及可靠度为0.98时，P65型专用棚车的横向动力学性能可靠寿命下 限约为326天。换言之，有95％的把握保证，P65型专用棚车走行365天时可靠 度不低于0.978，以及可靠度要求为0.98时，P65型专用棚车的横向动力学性 能可靠寿命不小于326天。由于P65型专用棚车数据量较大，提供的信息量大， 使得估计结果的分散性较小，因此，置信限估计结果与点估计结果比较接近。

上述P65型专用棚车空车横向动力学可靠性数据属于有失效数据，采用随 机截尾数据方法进行处理，以得到可靠性评估；对于无失效数据，则采用无失 效数据方法进行相应处理。

综上所述，本发明实施例中，统计表明随运用时间增加，P65型专用棚车 的轴脱轨系数呈明显上升趋势，说明P65型专用棚车的横向动力学性能随运用 时间(里程)增加而明显下降；另外，本发明实施例还利用货车横向动力学评 估贝叶斯估计模型，对100km/h以上的P65型专用棚车监测数据进行横向动力 学失效评估，产生P65型专用棚车横向动力学性能可靠性数据，利用三参数威 布尔分布进行了可靠性分析，在置信度γ＝95％时，该型货车横向动力学性能365 天时的可靠度置信下限约为0.978。这些结果是在实际运用条件下(有空重状 态的交替)，对已经过一个厂修期的P65型专用棚车的横向动力学可靠性进行大 样本评估得到的，明显优于可靠性试验中加速强化条件下得到的小样本可靠性 结果，上述分析结果可应用于P65型专用棚车运用安全评估、定检周期的制定 及维修标准的制定。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开 的可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。