TPDS踏面损伤报警与货车车轮踏面损伤成因分析

2010-06-21李传翔上海铁路局南京东车辆段

上海铁道增刊 2010年2期

李传翔上海铁路局南京东车辆段

轮对是铁道车辆走行部的主要部件，踏面是轮对与钢轨的接触面，所以由于踏面损伤所产生的巨大冲击力不仅会破坏轨道结构，严重时会造成断轨等重大事故，而且对车辆结构损害极大，如轴承、制动梁端轴等，踏面损伤是燃切轴事故最重要的外因，因此对踏面损伤的监测就变得非常重要，TPDS踏面损伤监测功能正是为此而研发的。

1 TPDS系统简介

TPDS（Truck Performance Detection System）全称“货车运行品质动态监测系统”（见图1），是铁路车辆安全防范、预警系统-“5T”系统之一。TPDS是针对货车空车直线脱轨问题而开发的一种轨边监测系统。它利用设在轨道上的检测平台，实时在线监测运行中货车轮轨间的动力学参数，采用分散监测、集中报警的方式对运行状态不良货车进行报警、追踪、处理，以减少货车提速后脱轨事故的发生；TPDS还兼有货车超偏载报警和踏面损伤报警功能。

图1 TPDS系统构成示意图

车轮踏面损伤检测是TPDS的一个重要功能，其技术创新主要体现在测试平台和评判模型两个方面：

（1）目前既有的国内外车轮踏面损伤检测装置一般是利用力、加速度、声音传感器来监测车轮踏面损伤，其中采用力传感器的检测装置最为科学，因为其检测量直接反映了踏面损伤带来的危害。目前采用力传感器的车轮踏面损伤检测装置普遍存在的缺点是测试区间断，在轨枕附近无法检测，有些测区短，对踏面损伤的检测率低；TPDS首次采用了高平顺的框架式轨道平台、高可靠性的二维板式传感器和移动垂直力测试新方法，连续测量区长度达到了4.8m，而货车车轮全周长为2.6m左右，所以TPDS可对车轮全周长范围内的踏面损伤进行检测，踏面损伤检测率较已有检测设备大幅提高。

（2）国外的车轮踏面损伤评判一般采用绝对的评判标准，如北美的设备，其特点是兑现率高，同时漏判率也高；TPDS创造性地采用了绝对与相对相结合的踏面损伤评判方法[1]，建立了轮轨冲击作用力、轮重、速度参数的综合评估模型，能对各型轮对损伤的危害做出合理的评判，具有兑现率高、漏判率低的特性，此项功能居国际领先水平。

因此无论测试平台的硬件还是踏面损伤评判的软件，TPDS较以往踏面损伤监测设备有了质的飞越，得到广泛的认同和应用。以往，踏面损伤主要是靠检车员的眼看、手摸或利用第四种检查器手工测量，这种方式往往受人的因素、故障部位、现场工作条件、气候以及作业时间限制的影响，易发生漏检、漏修。随着TPDS设备的安装以及其踏面损伤检测功能运用的深入，使上述人检缺陷得以避免，有的铁路局已实现机检代替人检，大大强化了对踏面损伤监测力度，同时有效地减轻了列检人员的劳动强度。2008年根据TPDS踏面损伤报警已扣修货车超过一万辆。

2 踏面损伤的主要表现形式

车轮踏面损伤因产生的原因不同有多种表现形式，主要包括：①擦伤（如图 2），②剥离（如图 4），③碾堆（如图 6），④局部凹入（如图8）；其对应的TPDS冲击作用力波形分别见图3、5、7、9，其中X轴代表TPDS测区长度，Y轴代表轮轨间的冲击作用力。其中踏面擦伤最为普遍，踏面擦伤是车轮与钢轨滑动摩擦的结果；踏面剥离是制动热负荷和机械疲劳负荷联合作用所致；碾堆系制动时闸瓦的金属材料附着在车轮踏面上而形成的；踏面局部凹入产生的主要原因是车轮在热处理加工过程温度场不均匀。无论哪种形式的踏面损伤都会引起轮轨间的冲击作用，对轨道结构和车辆结构带来危害。列检作业人员对不同形式的踏面损伤有不同的检测参量，如擦伤测量深度，剥离测量长度，而TPDS是统一地通过对轮轨间冲击作用的监测，综合考量轮重及速度等因素，从而对多种形式的踏面损伤做出合理、一致的评判，因而评判踏面损伤的危害程度更为科学。

图2 踏面损伤-擦伤

图3 图2对应TPDS冲击作用力波形

图4 踏面损伤-剥离

图5 图4对应TPDS冲击作用力波形

图6 踏面损伤-碾堆

图7 图6对应TPDS冲击作用力波形

图8 踏面损伤-局部凹入

图9 图8对应TPDS冲击作用力波形

3 全路踏面损伤报警概况

表1以轴为单位，分别统计了全路TPDS探测站（不包括大秦线）、大秦线TPDS探测站以及大秦线配属货车的踏面损伤监测数据，时间范围为2008年7月1日至2008年12月31日。

表1 踏面损伤统计表

如表1所示，全路相当比例的车轮存在踏面损伤，通过TPDS探测站（不包括大秦线）监测，大约有5.62%的轮对存在不同程度的踏面损伤；配属大秦线的货车（如C80、C76系列），踏面损伤的比例明显低得多，仅为0.054%；大秦线TPDS探测站监测数据中包含了配属大秦线货车及其它通过货车，因此，数据介乎其间，为1.22%。配属大秦线的货车只在大秦线循环运行，车辆固定编组，固定区间运行，除因扣车临修或定期修外不进行编组场作业，而其它货车，除标记禁止驼峰作业的车型（如PB车）外，都不可避免地要进行驼峰作业。上述踏面损伤比例相差两个量级，说明货车的运用环境可能是踏面损伤形成的关键因素。

4 踏面损伤的成因分析

踏面损伤形成原因概括起来有以下两大类原因[2][3]：一方面是车辆因素，是由于车辆自身原因而导致的踏面损伤；另一方面是运用环境因素，是车辆使用过程中外部因素导致的车辆踏面损伤，如驼峰作业等。

4.1 踏面损伤形成的车辆因素

（1）车轮质量问题：部分车轮在制造过程中由于热处理不当使得车轮踏面局部过软，车辆在运行过程中通过碾压导致踏面上较软部分凹入，从而形成踏面损伤的一种故障形态-局部凹入。在大秦线TPDS踏面损伤报警车辆中有一例该类故障（如图 10所示，车号 4370084，车型 C80，8位车轮），其最大踏面圆周磨耗达13.2mm，其余部位踏面圆周磨耗在7mm左右。从该车轮的TPDS原始数据波形（如图11所示）中可见其空车（轮重约2.5吨左右）时冲击力在20吨以上，对轨道结构和车辆结构危害极大，而且检车员难以发现，需要依靠实时在线设备进行自动检测。

图10 质量问题车轮

图11 图10对应TPDS原始波形

（2）车辆制动机质量故障：一部分车辆的安全阀损坏，空气压力达到190kPa时不能排风，安全阀失去作用，造成车轮擦伤。

（3）制动波速不一致：由于目前我国货车采用各种车型混编，各车型制动机不同且制动机的种类比较多，而且各种阀的反应速度不相同，造成混编列车中车辆制动、缓解时间的差异，最先制动和最后缓解的车辆不可避免地出现轮对踏面擦伤。

（4）空重车调整装置：没有安装空重车调整装置的货车，空车时制动力过大，容易产生踏面擦伤。

（5）其它因素：极少数车辆在运行中，由于制动杠杆系统发生故障，使车辆抱闸运行，造成轮对擦伤。别外，由于基础制动装置杠杆和拉杆位置异常，造成转向架之间、各制动梁之间和同一制动梁2块闸瓦之间制动力不均匀，制动力大的车轮则可能被擦伤。

4.2 踏面损伤形成的运用环境因素

（1）编组场作业单侧铁鞋产生踏面擦伤：铁路编组站驼峰溜放车辆，在缓行制动过程中，往往造成车轮踏面擦伤，尤其是车辆从驼峰上溜放下来受到单侧铁鞋的阻力后，有铁鞋的一侧车轮被垫起，而另一侧车轮由于停止转动与钢轨发生剧烈摩擦，造成轮对单侧踏面擦伤。文献[4]认为车辆轴重的增加、溜放车组中车辆数目和重车比例的增加以及溜放速度的提高都进一步加剧了车轮踏面擦伤的形成。文献[5]通过对本溪站调车作业的实地调查，发现在使用单侧铁鞋作业的车辆中，轮对踏面擦伤率达到100%，其擦伤程度大小不一，擦伤范围在0.5～2（mm）之间。因此，编组作业时使用单侧铁鞋是造成车轮单侧踏面擦伤的重要原因。

（2）列车制动不当产生的踏面擦伤：调作业时，司机进行了缓解，但未等列车缓解完毕便马上启动，此时部分车辆尚未缓解，车轮产生滑行，造成擦伤；另一方面，由于长大货物列车的增加，列车在进入列检所停车时，均采用了二次停车，在这种情况下也易出现缓解不充分启动，造成踏面擦伤。

（3）空重车装置调整不正确，如空重车塞门反打，造成空车制动力过大；另外如空重车调整转换塞门导架接口损坏，手柄在空车位，而转换塞门实际在重车位，导致空车制动力过大，造成车轮踏面擦伤。

5 TPDS踏面损伤报警统计分析

以下通过C62B、C64K和C70三种车型的踏面损伤统计来分析踏面损伤形成的运用环境因素，统计以大样本为基础，样本数量见表2。

表2 TPDS踏面损伤报警统计样本数量表

图 12是 C62B、C64K和 C70三种车型 2008年 7月 1日到2008年12月31日期间，经过大秦线延庆TPDS探测站次数与其踏面损伤比例之间的关系图。其中X轴为参与统计的C62B、C64K和C70货车通过大秦线延庆探测站最少次数，Y轴表示以轴为单位的踏面损伤比例。

从图12可以看出，随着进入大秦线的次数的增加，擦伤比例逐渐下降，如进入大秦线20次以上的C64K车辆擦伤比例仅为0.12%，而完全没有进入过大秦线的C64K车辆擦伤比例为6.56%，是进入大秦线20次以上的C64K车辆擦伤比例的55倍，C62B、和C70也呈现出同样的规律。同型货车踏面损伤报警比例随在大秦线通过的次数上升而大幅度降低，说明轮对踏面损伤成因主要与车辆的运用环境因素相关。车辆在大秦线通过次数越多，车辆进编组站的机会就越少，据此可以推断大部分踏面损伤的产生与编组站作业有关。