地铁内燃机车故障维修技术研究_米茂林.pdf

1、内燃机与配件 地铁 内燃机车 故 障 维 修技术 研究 米茂 林（北京 市 地 铁 运 营 有限公司 线 路 分 公司，北京）摘 要：传 统 地 铁 内 燃机 车 故障 维 修 方法主 要 依 靠 人为排 查 的方 式 进行，由 于 缺乏 对 机 车 整 体 损 伤 度的 估 算，导致 维 修 效 果 不 佳。对此，提 出 地 铁 内 燃机 车 故障 维 修 技术研究。采 用 卡 尔 曼 滤波 算法，构 建 地 铁 内 燃机 滤波 残 差 序 列，并 结 合故障阈 值对 故障 节 点 进行 判 定，构 建 马 尔 科 夫 模型，掌握 内 燃机 车 状 态 数 据 对 应 的 健 康 情况，判

2、定 故障 类 型；并 估 算 累 计 损 伤 度，根 据 地 铁 内 燃机 车 损 伤 度以 及 内 燃机 车 故障 定位 结 果，对动 态 维 修 过 程 进行分析，以实 现 对 地 铁 内 燃机 车的 智 能化 维 修。在 实验 中，对 提 出的方法进行 了 维 修 性 能 的验 证。经 实验 结 果 分析 表明，采 用 提 出的方法 能 够 对 不 同 类 型 的 故障 进行 有 效 维 修，具备 较 好 的 维 修 效 果。关键词：地 铁 内 燃机 车；故障 维 修；故障 定位；损 伤 度 中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，；，：；作者简介：米 茂林（）男，汉族，北 京

3、人，专 科，研究方向：大 型机 械 车辆对 地 铁 线路 的 养 护 与 维修。引 言 内燃机 车 是 目 前 中国 铁 路 主 要的 牵 引 设备。它 可 以 在 电 力 机 车 不 能 正 常工 作时，在 各 种 故障 和 灾害 的 影响 下，替 代电 力 机 车 进 行 自 我 保 护。为了 保 证 内燃机 车的 正 常工 作，必须 加 强 对 机 车的 常 见 故障 的 处 理 和 检 修。例 如，在 内燃机 上 使用 的动力 装置，增 压 器 和 冷却水 系 统都 是 非 常重 要的 设备，如 果 出现 技术 问 题，可 能会 造 成 内燃 机 的 停 机，所 以 日 常 作 业 应

4、 该 加 强 对 内燃机 车的 检查，及 时 解 决 常 见 的 故障，防 止 发生 重 大 故障。目 前 对于 地 铁 内燃机 车 故障 维修 较 为 依 赖 人力，对 维 修 人 员 的 实 际操 作 水 平 要求 较高。并且 普 遍 采用 的 都 是 大 周 期 维修，导致 内燃机 车的 运 行性能 受 到 不 利 的 影响。传统 地 铁 内燃机 车的 维修 方 法 主 要 依 靠 人 工 排 除 故障。由 于 缺 乏 对 机 车 整 体 损坏 程 度 的 估 计，导致 维修 效 果 不 佳。对 此，需提出更为 有效 可 行的 维修 策略，对 内燃机 车 的 具 体 损坏 情况 进 行

5、分析，针 对 不 同 部 件的 可靠 度进 行对 应 的 维修。由 此 可在 额 定 时 间内完 成 维修 工 作的 前 提 下，最 大 限 度 地 保 证 内燃机 车的 运 行 效 率，有效 定 位 故障 节 点，从 而 为 地 铁 线路 的 平 稳 运 行提 供 良好 的 保 障。地铁 内燃机车 故 障 维 修技术 研究 地铁 内燃机车 故 障 判 定 由 于 地 铁 内燃机 车的 电 气 控制 系 统 结 构 较 为 复杂，内 部 集 成了多 个 电 力控制 子 系 统，不 同的 子 系 统 出现对 接 错 误 均可 能会 导致地 铁 内燃机 车出现 不 同的 故障 问 题。因 此，为对

6、 地 铁 内燃机 车的 不 同 故障 问 题进 行 维修，首 先 需 对 故障类 型 进 行 判 定。对 此 可 采用 卡尔 曼 滤 波 算 法 构 建 地 铁 内燃机 滤 波 残 差序 列，并 结合 故障 阈值 实 现 故障 的 判 定，具 体实 现 步 骤 如 下。首 先 对 地 铁 内燃机 车 状 态 进 行 记录，形 成 内燃机 车 状 态 序 列。为 保 证 后 续 算 法 运 行的 有效 性，提 前 对 内燃机 车 状 态 序 列 的 原 始数 据进 行 预 处 理。对于 原 始 序 列 中 缺 失 的 内燃机 车 状 态 数 据，采用代 替 法 对 数 据进 行 替换。通过 选

7、取 缺 失 数 据 序 列 附 近 的 中 位 数 或 众 数，作为 缺 失 数 据 的 替 代 值，填 充 到 内燃机 车 状 态 数 据 序 列 中。具 体 替 代 值 需 根 据 数 据 的 实 际 内 容 以 及 类 型 进 行 调 整，尽 量 保 证 选 取 的 DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.012 年第 期 替 代 值 与 缺 失 数 据 在 数 值 大 小 上 的 一 致，从 而 为 内燃机 车 状 态 数 据 的 完 整 性提 供 保 障。除 此之外 还 需 根 据 内燃机 车 状 态 数 据 的 表 现 情况 对 其 进 行 分

8、级 处 理，将 数 据 按 照 健 康 程 度进 行 分 级，为 故障 判 定 工 作提 供 帮 助。对 此 可 构 建 马 尔 科 夫 模型，模型 具 体 结 构 如 图 所示。图 基 于地铁 内燃机车 原 始 数 据 的 马尔科夫 模型结 构 图 在上述 模型 结 构图 中，代表 系 统 编 码，即 地 铁 内燃机 车 状 态 数 据 编 码，代表 健康 评级 结果，即 内燃机 车 状 态 数 据 的 观测 值。通过 构 建 马 尔 科 夫 模型，掌握 内燃机 车 状 态 数 据 对 应 的 健康 情况，从 而 更 好 地 判 定 故障类 型。假 设 内 燃机 车 状 态 向 量 为，该

9、向 量 位 于 维 空 间，该 向 量 构 成 的 状 态矩阵 为，则 在 地 铁 电 力 系 统 的控制 输入 下，内燃 机 车 状 态 数 据 的 量测 方 程 表 达 式 如 下：（）（）（）（）其中，（）代表 时 刻 与 时 刻 的 内燃机 车 状 态转 移 值，（）代表量测噪声，代表 激励 噪声，（）代表量测 向 量。（）的 具 体计算 公 式 如 下：（）（）（）（）其中，（）代表 当 前 时 刻 的 内燃机 车 状 态 参量，代 表 地 铁 电 力 系 统 输入 电 力的控制 因 子。由 此 可 构 建 出 卡 尔 曼 滤 波 残 差序 列，具 体 序 列 表 达 式 如 下：（

10、）（）（）（）其中，（）代表 残 差序 列，（）代表过 程 噪声 序 列，（）代表 增 益 因 子，代表过 程 噪声 序 列 对 应 的 协 方 差 矩阵。在 构 建 出 残 差序 列 后，即 可 对 地 铁 内燃机 车的 故障 进 行 判 定。当 内燃机 车出现 故障 时，残 差序 列 的 零 均 值 和方 差 分 别 为和。用 和 分 别 代表 故障 状 态 以 及 非 故障 状 态，则 可 得到关于 地 铁 内燃机 车 状 态 的 高 斯白 噪声 序 列，具 体表 达 式 如 下。（）（）其中，代表 方 差，代表 虚 警 概 率，则 对 此 可 计算 出 故障 阈值。槡（）假 设 内燃机

11、 车 设备 节 点 为，当 该 节 点 处 的 高 斯白 噪 声 序 列 值（）大于 故障 阈值，则说明 此 刻 该 节 点 处 存 在 故障，反之 则说明 无 故障。通过 上述 步 骤即 可 得到出 地 铁 内燃机 车 设备 的 运 行 状 态，实 现 故障类 型 以 及 节 点 位 置 的 判 定。地铁 内燃机车 损伤 度 估 算 地 铁 内燃机 车的 损 伤 度 包 括 实 际 故障 情况 以 及 绕 组 寿命，通过 对 累 计 损 伤 度进 行 估 算，可 为 后 续 的 内燃机 车 动 态 检 修 模型 提 供 数 据 支 持，具 体 估 算 步 骤 如 下。首 先假 设 地 铁 内

12、燃机 车的 绕 组 寿命 呈 现 指 数 分 布 的 特 点，则 修 正 指 数表 达 式 如 下：（）其中，代表 基 本 失 效 率，代表 受 外 界 环境 因素 影 响 的 绕 组 寿命 指 数，则 绕 组 绝 缘 线路 的 可靠 度 计算 公 式 如 下。（）（）其中，代表内燃机 车 寿命 修 正系 数，代表 检 修 寿 命。则 可 计算 出 地 铁 内燃机 车的 平均 寿命，具 体计算 公 式 如 下：（）（）其中，代表 故障 发生 频 率。假 设 用 和 分 别 代表 地 铁 内燃机 车 内 部 电压 与 电 流 的作 用 因 子，用表 示 电 流流 通 次 数，则 可 得到 内燃机

13、 车的 累 积 损 伤 度 表 达 式，具 体 如 下。（）通过 上述 步 骤即 可 完 成对于 地 铁 内燃机 车 损 伤 度 的 估 算，由 此 可 确 定 维修 周 期 以 及 维修 力 度等 相关要 素。地铁 内燃机车 动 态 维 修策略 分析 根 据 上述 求得的 地 铁 内燃机 车 损 伤 度 以 及 内燃机 车 故障 定 位 结果，对动 态 维修 过 程 进 行 分析，以 实 现对 地 铁 内燃机 车的 智 能 化 维修，具 体 维修 策略 如 下。由 于对 内燃机 车的大 型 维修 会 影响 到 设备 的 使用 寿 命 以 及 运 行性能。因 此 在 对 内燃机 车 进 行动

14、态 维修 的 过 程 中，需 根 据 实 际 故障 的 损坏 情况，选 取 不 同的 维修 周 期 以 及 维修范围。通过 对 地 铁 内燃机 车 部 件的 实 际可 靠 度进 行 分析，从 而 对 部 件 进 行选择性 拆 解 和 维修。通 过 构 建内燃机 车 检 修范围候 选 矩阵，从 而 确 定具 体 的 内燃 机 车 故障 的 检 修范围，具 体 矩阵 表 达 式 如 下。熿 燀 燄 燅（）其中，矩阵 内 的 元素 代表 地 铁 内燃机 车 每个 部 件的 可 靠 性，根 据 内 部 组 件的 可靠 情况，对 内燃机 车 进 行 检 修。通过采 集 地 铁 内燃机 车的 运 行 状

15、态 数 据，进 行 判 定 出 具 体 故障 节 点 以 及 故障类 型，并 结合 内燃机 车的 整 体 损 伤 度 数 值，确 定 需要 维修 的 具 体 范围，对 内燃机 车 部 件 进 行 实 际 维修。对于 损坏 较 为 严 重 的 部 件，可 采用 新 部 件 进 行 直 接替换；而 对于 损 伤 度较低 的 部 件，可 先 将 损坏 部 件 进 行 拆 除，并 安 装 临 时 部 件，待 损坏 部 件 维修 完 成 后，再 将 临 时 部 件 进 行 替换。通过 上述 维修 手段 可 最 大 限 度保 证 内燃机 车的 运 行 性能 不 会 受 到 维修 周 期 的 影响，从 而

16、实 现 智 能 化 故障 维修。将 本 节 内 容 与 上述 的 故障 节 点 判 定 以 及 内燃机 车 损 伤 度 估 算 相关 内 容 进 行 结合，至 此，地 铁 内燃机 车 故 障 维修技术 设 计完 成。实验 部 分 为 证明 提出的 地 铁 内燃机 车 故障 维修技术 在 维修 效 内燃机与配件 果上 优 于 传统 的 故障 维修 方 法，在 理 论 部 分 完 成 设 计 后，进 行 实验验 证 环 节，对 该 故障 维修技术 的 实 际 维修 效 果 进 行 验 证 与 分析。实验 准 备 本次 实 现选 取 的 实验数 据来 源 于 某省 地 铁 线路 中 的 内燃机 车

17、近 三 年 的 历 史 数 据。选 取 了 该 内燃机 车的 机油 系 统 以 及 燃油 系 统中 的 设备 数 据 作为 测 试 数 据，具 体 设备 包 括 机油 热 交 换 器、机油 滤 清器、机油 泵、燃油 泵、油 箱 装 配 以 及空 气 制动 器等。通过 对 该 内燃机 车的 历 史 运 行 数 据进 行 调取，选 取 了 五 种 在 不 同的时 间 段 发生的 故障 情 况，并 调 用 故障 发生时的 内燃机 车 参数，采用 软 件 进 行 仿真 建模，对 五 种 故障 情况 进 行 模 拟。五 种 故障类 型 分 别 为 蓄 电 池 亏 电 严 重、燃油 止阀、机油 泵 转子

18、固 死、热 交 换 器 轴承 损坏 以 及 油 箱 管 路 堵 塞。整 个 实验采用 到的 计 算机 语 言 运 使用 进 行编 写，软 件 操 作 环境 为，硬 件为 型 号 集 成 型 芯 片。为 提 高 实验 结果 的 说 服 性，本次 实验 选 取 了 两 种 传统 的 地 铁 内燃机 车 故障 维修 方 法 作为对 比 对 象，分 别 是 基 于 模 糊 层 次分析法 的 内燃机 车 故障 维修 法，以 及 基 于 剩 余 寿命 的 内 燃机 车 故障 维修 法。通过采用 三 种 维修 方 法 对 上述 五 种 故障类 型 进 行 维修，比 较 不 同方 法 的 维修 性能。实验结果

19、 本次 实验 选 取 的 评价 标 准 为 故障 维修 方 法 的 维修 性 能，具 体实验 结果 如 表 所示。其中，代表 可 以 修 复 故 障，代表 无法 修 复 该 故障，、分 别 代表 本 文 采用 的 维修技术、基 于 模 糊 层 次分析法 的 故障 维修技术 以 及 基 于 剩 余 寿命 的 故障 维修技术。、分 别 代表 蓄 电 池 亏 电 严 重、燃油 止阀、机油 泵 转子 固 死、热 交 换 器 轴承 损 坏 以 及 油 箱 管 路 堵 塞 五 种 故障类 型，其中，为 比 较 维修 方 法 的 有效 程 度，对 后 三 种 故障类 型 进 行了 维修 时 间 的 限 制，

20、代表 维修 时 间 阈值。表 不 同 类型 下 的 维 修技术 性 能 对 比 故障类 型 维修 方 法 根 据 上述 实验 结果可 以 看 出，不 同的 内燃机 车 故障 维 修 方 法 在 针 对同 一 类 型 的 故障 进 行 维修 时，维修 性能出现 了 较 大 差 异。两 种 传统 的 故障 维修 方 法 在 处 理机油 泵 转 子 固 死、热 交 换 器 轴承 损坏 以 及 油 箱 管 路 堵 塞三 种 故障类 型 时，无法 在 额 定 时 限 内完 成 维修 工 作。本 文提出的 地 铁 内燃机 车 故障 维修 方 法 能 够 在 额 定 时 间内完 成对 五 种 故 障类 型

21、的全 部 维修 工 作。由 此 可 证明 本 文提出的 故障 维 修 方 法 的 实 际 维修 性能更 好，能 够 有效 对 故障 节 点 进 行 定 位，并 提出 科 学的 维修 策略。结 论 本 文 所 提出的 地 铁 内燃机 车 故障 维修技术 通过 结合 卡尔 曼 滤 波 算 法 实 现了 故障类 型 的 判 定 以 及 故障 节 点 的 获 取。并通过计算内燃机 车 整 体 损 伤 度，提出了 科 学的 维 修 策略。可根 据 内燃机 车 部 件的 可靠 度 实 现 针 对性 维修，有 利 于提 高 维修 效 率，具 备较好 的 维修 效 果。在 今 后 的研 究 工 作 中，还 需

22、 进 一 步 缩短 维修 演 化 时 间，对 地 铁 内燃机 车的 不 同 部 件 进 行 具 体 分析，对 不 同 部 件的 具 体 维修 方 法 进 行更 深 入 的 探 讨。参 考 文献：靳 强 内 燃机 车 增压 器 轴承 烧 损 分析 及 改 进 措施 研究 机械 管 理 开发，（）：卢 秀 霞，李 晓 静 内 燃机 车 柴 油 机 常 见 故障 及 处 理方法 分析 设备 管 理与 维 修，（）：王 峰，佟 胜 奇，牛 鹏飞 铁 路 内 燃机 车 常 见 故障 与 维 修 工作 研究 内 燃机 与 配件，（）：熊 英 萍，张 征硕，邢 莹莹 内 燃机 车 故障 数 据处 理 策略

23、研究 铁 道 机 车车 辆，（）：杨 建 福 型 内 燃机 车 直 流 开 关电 源 故障 原 因分析 及 改 进 措施 郑 州 铁 路职 业 技术 学院学 报，（）陆 德 领（）型 内 燃机 车 空 气 制 动 动 力制 动 联 锁 装 置 故障 分析 广 西 铁 道，（）：毕 永，赵 启（）型 内 燃机 车 柴 油 机 型 调 速 器 启 机 故障 分析 及 解 决 方法 轨 道 交通 装备 与 技 术，（）：王 峰，佟 胜 奇，牛 鹏飞 铁 路 内 燃机 车 常 见 故障 与 维 修 工作 研究 内 燃机 与 配件，（）：张 伟，王 立 新 型 大 功率 交 流 传 动 货 运 内 燃机 车 特 点 及 故障处 理 铁 道 机 车与动车，（）：郭 晓 超 型 内 燃机 车 示 功 阀栽桩螺丝 断 裂 故障 原 因分析 及应 对 措施 西 铁 科技，（）：段 崇 义，梅 富卿，郭 宣召，等 和 型 调 车内 燃机 车 高 温卸 载 故障 分析 及 对 策 莱 钢 科 技，（）：韩 旭 东，王 少 春，刘 海 华，等（）型 内 燃机 车 高 温卸 载 故障 分析与 处 理 包 钢 科技，（）：