基于大數據分析的高速動車組車輪磨耗統計分析研究

胡曉依，孫加林，姚建偉，侯茂銳，成棣

（中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081）

基于大數據分析的高速動車組車輪磨耗統計分析研究

胡曉依，孫加林，姚建偉，侯茂銳，成棣

（中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081）

基于大數據分析思想，通過調用高速鐵路動車組檢修數據庫中的海量車輪鏇修記錄，利用MATLAB工具自編統計分析程序，對我國2條高速鐵路（京滬高鐵、京廣高鐵武廣段）運營動車組車輪一個鏇修周期內車輪磨耗量進行統計分析。大樣本統計分析結果表明，對于同一條高鐵線路一個鏇修周期內350 km/h速度等級的高速動車組，短編組動車組車輪磨耗量均值高于長編組動車組、CRH380A型動車組車輪磨耗量均值小于CRH380B型動車組、CRH3C動車組車輪磨耗量均值小于CRH380B。不同高鐵線路相同類型動車組車輪磨耗量樣本統計均值及磨耗量統計分布也不盡相同。研究結論對高鐵輪軌關系、高速動車組車輛結構設計具有重大意義。

大數據分析；高速動車組；車輪磨耗；車輪鏇修

當前對我國主要高速動車組車輪磨耗特點和規律的了解，主要是通過對現場跟蹤測試列車車輪磨耗數據的統計分析研究獲得。該研究方式有不可替代的優點，但由于各種條件的限制，所選跟蹤測試動車組列車的樣本數較少，由此樣本數據分析得到的輪軌磨耗特點和規律有可能缺乏普遍性。為彌補這一不足，嘗試采用大數據分析思想，通過調用高速鐵路動車組檢修數據庫中的海量車輪鏇修記錄，利用MATLAB工具編制分析程序，研究京滬高鐵、京廣高鐵武廣段開行的350 km/h速度等級高速動車組車輪一個鏇修周期內車輪磨耗量的統計分布規律[1]。通過選取京滬高鐵開行的CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四種類型動車組，京廣高鐵武廣段開行的CRH3C、CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B五種類型動車組上萬個車輪鏇修記錄作為統計分析樣本，分析相同高鐵線路不同類型動車組、不同線路上運行的相同類型動車組車輪磨耗特點和規律。

1 京滬高鐵開行的高速動車組車輪磨耗統計分析

京滬高鐵開行的動車組類型主要包括CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四種，其中CRH380AL、CRH380A型動車組車輪踏面為LMA型，CRH380BL、CRH380B型動車組車輪踏面為S1002CN型。京滬高鐵正線軌道結構類型：鋼軌采用U71MnK，鋼軌廓形采用預打磨設計廓形，以CRTSⅡ型板式無砟軌道為主，配備SKI 15彈條的Vossloh 300-1U扣件。

利用MATLAB編程工具，通過計算前次鏇修后滾動圓直徑處輪徑減去本次鏇修前滾動圓直徑處輪徑的差值，除以2即可求得名義滾動圓處的磨耗量，分析得出一個鏇修周期即鏇修里程在動車組規定計劃鏇修里程（20萬～25萬km）范圍內京滬高鐵所有類型動車組的車輪磨耗量統計分布直方圖（見圖1—圖4）。

通過選取京滬高鐵25列CRH380AL型動車組單元、400節車輛、1 600個輪對、3 200個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 987。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.53 mm，標準差為0.10 mm。由圖1可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現120次，約占總樣本數的6%。

圖1 京滬高鐵CRH380AL型動車組車輪磨耗量分布

通過選取京滬高鐵27列CRH380A型動車組單元、216節車輛、864個輪對、1 728個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 348。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.58 mm，標準差為0.12 mm。由圖2可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現234次，約占總樣本數的17%。

圖2 京滬高鐵CRH380A型動車組車輪磨耗量分布

通過選取京滬高鐵24列CRH380BL型動車組單元、384節車輛、1 536個輪對、3 072個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為3 427。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.5 mm，標準差為0.14 mm。由圖3可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現599次，約占總樣本數的17%。

圖3 京滬高鐵CRH380BL型動車組車輪磨耗量分布

通過選取京滬高鐵17列CRH380B型動車組單元、136節車輛、544個輪對、1 088個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 170。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.61 mm，標準差為0.12 mm。由圖4可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現242次，約占總樣本數的21%。

圖4 京滬高鐵CRH380B型動車組車輪磨耗量分布

京滬高鐵CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B四種類型動車組車輪磨耗量統計均值和標準差對比分析結果見表1。

由表1可以看出：（1）同類型短編組動車組（CRH380A、CRH380B）車輪磨耗量均值明顯高于長編組動車組（CRH380AL、CRH380BL）。（2）相同編組的動車組車型比較，CRH380A型動車組車輪磨耗量均值小于CRH380B型動車組。CRH380AL型動車組車輪磨耗量均值比CRH380BL約少7%，CRH380A型動車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少5%。

表1 京滬高鐵各種類型動車組車輪磨耗量均值與標準差對比 mm

2 京廣高鐵武廣段開行的高速動車組車輪磨耗統計分析

京廣高鐵武廣段開行的動車組類型主要包括CRH380AL、CRH380A、CRH3C、CRH380BL、CRH380B五種，其中CRH380AL、CRH380A型動車組車輪踏面為LMA型，CRH3C、CRH380BL、CRH380B型動車組車輪踏面為S1002CN型。京廣高鐵武廣段正線軌道結構類型：以鋪設雙塊式無砟軌道為主，配備SKI 15彈條的Vossloh 300-1U扣件，全線正線鋼軌采用U71MnK，鋼軌廓形采用預打磨設計廓形[2]。

運用MATLAB數據分析工具自編程序分析得出1個鏇修周期即鏇修里程在動車組規定計劃鏇修里程（20萬～25萬km）范圍內京廣高鐵武廣段所有類型動車組的車輪磨耗量統計分布直方圖（見圖5—圖9）。

通過選取京廣高鐵武廣段24列CRH3C型動車組單元、192節車輛、768個輪對、1 536個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 643。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.59 mm，標準差為0.13 mm。由圖5可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現319次，約占總樣本數的19%。

通過選取京廣高鐵武廣段23列CRH380AL型動車組單元、368節車輛、1 472個輪對、2 944個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 378。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.52 mm，標準差為0.10 mm。由圖6可以看出：磨耗量＞0.7 mm范圍內出現75次，約占總樣本數的5%。

通過選取京廣高鐵武廣段25列CRH380A型動車組單元、200節車輛、800個輪對、1 600個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 536。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.62 mm，標準差為0.10 mm。由圖7可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現319次，約占總樣本數的21%。

圖5 京廣高鐵武廣段CRH3C型動車組車輪磨耗量分布

圖6 京廣高鐵武廣段CRH380AL型動車組車輪磨耗量分布

圖7 京廣高鐵武廣段CRH380A型動車組車輪磨耗量分布

通過選取京廣高鐵武廣段25列CRH380BL型動車組單元、400節車輛、1 600個輪對、3 200個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為2 677。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.55 mm，標準差為0.13 mm。由圖8可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現351次，約占總樣本數的13%。

圖8 京廣高鐵武廣段CRH380BL型動車組車輪磨耗量分布

通過選取京廣高鐵武廣段17列CRH380B型動車組單元、136節車輛、544個輪對、1 088個車輪作為研究對象，編程去除記錄錯誤影響因素，實際有效磨耗量樣本數為1 037。編程計算得出車輪磨耗量均值為0.63 mm，標準差為0.14 mm。由圖9可以看出：磨耗量＞0.7 mm出現300次，約占總樣本數的29%。

圖9 京廣高鐵武廣段CRH380B型動車組車輪磨耗量分布

對京廣高鐵武廣段CRH3C、CRH380AL、CRH380A、CRH380BL、CRH380B五種類型動車組車輪磨耗量統計均值和標準差對比分析結果見表2。

由表2可以看出，京廣高鐵武廣段各種類型動車組車輪磨耗量統計規律與京滬高鐵各種類型動車組車輪磨耗量統計規律完全一致：（1）同類型短編組動車組（CRH380A、CRH380B、CRH3C）車輪磨耗量均值明顯高于長編組動車組（CRH380AL、CRH380BL）。（2）相同編組的動車組車型比較，CRH380A型動車組車輪磨耗量均值小于B型動車組。CRH380AL型動車組車輪磨耗量均值比CRH380BL約少5%，CRH380A型動車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少2%。

表2 京廣高鐵武廣段各種類型動車組車輪磨耗量均值與標準差對比 mm

另外，CRH3C型動車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少6%，由于2種車輛運行在相同線路且車輪輪緣踏面完全相同，只是在車輛懸掛參數上存在差異，為進一步開展高速動車組車輛結構設計提供了強有力的依據[3]。

3 對比統計分析

京滬高鐵和京廣高鐵武廣段各種類型動車組一個鏇修期內車輪磨耗量統計均值對比分析結果見表3。京滬高鐵和京廣高鐵武廣段各種類型動車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數比例對比分析結果見表4。

表3 京滬高鐵和京廣高鐵武廣段動車組車輪磨耗量均值對比 mm

表4 京滬高鐵和京廣高鐵武廣段動車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數比例對比 %

由表3、表4綜合分析可以看出：對于相同類型的動車組，2條高鐵線路車輪磨耗量存在一定差異?？紤]到2條高鐵線路鋼軌、扣件類型以及材料均相同，只是在線路平縱斷面以及無砟軌道結構類型方面存在差別（京滬高鐵為板式無砟軌道、京廣高鐵武廣段為雙塊式無砟軌道），建議開展高鐵線路全長范圍的動力學仿真以及軌道結構類型對輪軌磨耗影響規律方面的深化研究。

4 結論

（1）通過調用高速鐵路動車組檢修數據庫中的海量車輪鏇修記錄，利用MATLAB工具編制分析程序，可以較方便地實現對車輪磨耗規律的統計分析，該方法可以彌補現場測試數據量少、缺乏普遍性的缺陷，同時還可大大節省試驗成本，為我國高鐵車輪磨耗規律的研究提供創新、實用、可行的研究手段。

（2）對于同一條高鐵線路運行的不同類型的350 km/h速度等級的動車組，1個鏇修周期內各種類型動車組的車輪磨耗量樣本統計均值及磨耗量統計分布不盡相同，但京滬高鐵和京廣高鐵武廣段分析得出的規律完全一致，即同類型短編組動車組車輪磨耗量均值高于長編組動車組、CRH380A型動車組車輪磨耗量均值小于CRH380B型動車組，該結論對于高速鐵路輪軌關系深化研究具有重大指導意義。

（3）京廣高鐵武廣段運行的CRH3C型動車組車輪磨耗量均值比CRH380B約少6%，由于2種車輛運行在相同線路且車輪輪緣踏面完全相同，只是在車輛懸掛參數上存在差異，這為進一步開展高速動車組車輛結構設計提供了強有力的依據。

（4）對于不同高鐵線路，相同類型動車組車輪磨耗量樣本統計均值及磨耗量統計分布不盡相同。例如，京滬高鐵CRH380A車輪磨耗量均值為0.58 mm，而京廣高鐵武廣段CRH380A車輪磨耗量均值為0.62 mm，二者存在一定差異。京滬高鐵鏇修周期在20萬～25萬km范圍內運行的各種類型動車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數比例約為：CRH380AL 6%、CRH380A 17%、CRH380BL 17%、CRH380B 21%；京廣高鐵武廣段鏇修周期在20萬～25萬km范圍內運行的各種類型動車組車輪磨耗量大于0.7 mm的車輪樣本占總樣本數比例約為：CRH380AL 5%、CRH380A 21%、CRH380BL 13%、CRH380B 29%、CRH3C19%。建議開展高鐵線路全長范圍的動力學仿真以及軌道結構類型對輪軌磨耗影響規律方面的深化研究。

[1]胡曉依，成棣，孫加林，等. 高速輪軌磨耗機理及 減磨控制技術措施研究研究[R]. 北京：中國鐵道科 學研究院，2016.

[2]刁曉明，朱韶光，董孝卿. 武廣客專動車組車輪 磨耗及振動性能跟蹤研究[J]. 鐵道機車車輛， 2013，33(2)：1-6.

[3]黃永達. 武廣客專輪對磨耗規律分析[J]. 甘肅科 技，2012, 28(18)：48-49.

On Statistical Analysis of Wear of High Speed EMU Wheels Based on Big Data Analysis

HU Xiaoyi，SUN Jialin，YAO Jianwei，HOU Maorui，CHENG Di
（Railway Science &Technology Research & Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the idea of big data analysis, by referring to the mass records of wheel lathing records in the HS EMU maintenance database and using MATLAB to compile the statistical analysis program, the author analyzes the statistics of wheel wear of EMUs in operation on two high-speed railways within a repair cycle. Statistical analysis of large number of samples shows that for high-speed EMUs with a speed grade of 350 km/h on the same high-speed railway line, the mean value of wheel wear of the short-formation EMUs is higher than that of the longformation EMUs, the mean value of wheel wear of the CRH380A series EMUs is less than that of the CRH380B series, and that of CRH3CEMU is less than CRH380B. Also the mean value and wear statistical distribution of wheel wear samples of EMUs of the same type running on di ff erent high-speed railway lines are not the same. The conclusion of the study is of great signi fi cance to researches on the relationship between wheel and rail of the highspeed railway and the structure design of high-speed EMU trains.

big data analysis；HS EMU；wheel wear；wheel lathing

U279.2

A

1001-683X（2017）12-0013-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.013

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（SY2016G002、J2017G011-C）

胡曉依（1972—），男，副研究員，博士。E-mail: xiaoyihu@126.com

責任編輯 楊曉莉

2017-11-09