高速动车组运行状态地面监测系统的研制及应用分析

李旭伟

（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

高速动车组运行状态地面监测系统的研制及应用分析

李旭伟

（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

动车组运行状态地面监测系统主要用于识别车轮踏面损伤以及运行状态不良的车辆，并兼有车辆偏载监测功能，是确保动车组运行安全的重要技术装备，对预防行车事故、减少车辆及轨道部件伤损具有重要作用。文章介绍了系统测试原理及测区布置方案、系统功能及构成，以及系统在兰新第二双线、大西客专试验中的应用，并利用测试数据分别对踏面损伤识别、系统垂直力测试精度进行了分析。

动车组；运行状态不良；踏面损伤；垂直力；全连续

随着四纵四横高速铁路骨干网的基本建成，我国高速铁路发展已经由大规模建造步入长期安全运营管理与维护阶段。其中，轮轨状态的控制是车辆安全性和舒适度维护的关键，目前采用定期修来实现，成本较高。若能准确识别车轮踏面损伤（车轮磨耗、车轮剥离、多边形车轮等），实现动车组轮对的状态修，将有效提高动车组维修的经济性。

中国铁道科学研究院（简称：铁科院）在既有有砟轨道客货通用车辆运行品质轨边动态监测系统（TPDS）的基础上，攻克了无砟轨道二维传感器技术、全连续测区测力技术、电磁兼容技术、动车组踏面损伤识别技术、动车组运行状态识别技术，研制了动车组运行状态地面监测系统（DTPDS），该系统是国内首创的基于无砟轨道的高速轮轨力动态监测系统，能在较高行车速度条件下自动识别动车组运行状态、车轮踏面损伤。

1 监测系统的测试原理及测区布置方案

1.1 测试原理

车辆运行品质轨边动态监测系统（TPDS）基于自主知识产权的 “移动垂直力综合检测方法”［1-4］，单元测区有效长度达到了米级，如图1所示；为实现踏面的全轮周覆盖以及车辆蛇行失稳波长的识别，TPDS通常采用多个单元测区连续设置、相邻单元测区共用端部剪力传感器的模式，如货车TPDS采用加大轨枕间距（760 mm）的3个单元测区连续布置，每个单元测区长度1.6 m，如图2所示。客货通用TPDS采用标准轨枕间距（600 mm）的5个单元测区连续布置，每个单元测区长度1.2 m，如图3所示。

图1 轮轨垂直力测试原理图

图2 货车TPDS 3单元测区连续布置图

由于剪力传感器存在测量过渡区，使得相邻单元测区间有一中断区（如图2、图3红圈部分），中断区长度约为一个轨高，中断区个数随单元测区的数量增加而增加。5单元测区连续布置的测量时序图如图4所示，从图中看到因剪力过渡区的影响，相邻单元测区间存在不连续现象，从而对多边形轮对边数的确定、运行状态不良车辆的识别产生了一定影响。针对该问题，TPDS项目组在“移动垂直力综合检测方法”的基础上，创造性地提出了一种长距离全连续轮轨垂直力测试方法，该方法在标准轨枕间距、不增加硬件的情况下通过构造非传统＇复合测区＇来实现轮轨垂直力的全连续测量（实测时序如图5），为轮轨力监测类设备的深入运用及轮轨作用的研究创造了条件。

图3 客货通用TPDS 5单元测区连续布置图

图4 5单元测区连续布置测量时序图

图5 标准枕距5单元测区TPDS对五边形840轮对的实测时序图

1.2 测区布置方案

动车组运行状态地面监测系统为高速轮轨力测试设备，综合考虑动车组车轮直径、轴距特征以及动车组蛇行失稳波长等信息，该系统采用6个单元测区连续布置方案，且每个单元测区由4对剪力传感器、6只二维垫板式传感器组成，单元测区长度1.887 m，6个单元测区共计11.322 m，采用长距离全连续轮轨垂直力测试方法，从而保证了11.322 m范围内的轮轨垂直力的全连续，为动车组车轮踏面损伤及其类别的准确识别、车辆蛇行失稳的稳定捕捉创造了有利条件。单元测区及6单元测区布置图分别如图6、图7所示。

图6 单元测区布置图

图7 6单元测区连续布置图

2 监测系统功能及构成

2.1 系统功能

动车组运行状态地面监测系统是采用无砟轨道轮轨力连续测量技术，实现高速动车组运行状态、车轮踏面损伤的动态检测。其主要功能为：识别运动状态不良的车辆、识别车轮踏面损伤（包括多边形、擦伤、剥离、碾堆、动不平衡等）、车辆的偏载监测。

2.1.1 运行状态不良车辆检测

动车组运行状态地面监测系统对动车组运行状态的评判采用“分散检测、网络集中报警”的方法［5］，通过单次测量的连续轮轨力参数对动车组蛇行失稳特征进行自动识别评判，在此基础上再综合该车多探测站、多频次的检测结果进行综合分析评判，从而使检测结果能够较真实地反映监测动车组近期的动力学性能，为动车组车辆的状态修提供依据。

2.1.2 车轮踏面损伤检测

车轮踏面损伤形式多样，如多边形轮对、擦伤、剥离、碾堆、动不平衡、局部失圆等，在动车组高速行驶过程中，微小的车轮踏面损伤都将导致轮轨间产生很大的冲击力，从而加剧对轨道和车辆部件的伤损，如轴箱螺栓松动丢失、折断等，严重的甚至造成断轨、断轴等恶性事故。车轮踏面损伤检测是根据测量的全轮周范围内的连续轮轨垂直力，采用冲击当量［6-8］来评价损伤危害的严重程度，与传统间断测量系统相比，踏面损伤捕获率大为提高。

2.1.3 车辆偏载检测

车辆偏载是造成列车在小曲线半径等轨道扭曲较大区段脱轨、倾覆的重要原因，动车组运行状态地面监测系统可准确测量车辆轮载分布情况，从而能够及时发现因乘客偏乘、轴箱弹簧折断等引发的车辆偏载。

2.2 系统构成

动车组运行状态地面监测系统由传感器、数据采集仪、测试工控机、测点服务器、车号图像自动识别装置、网络设备、无线传输设备、室外机柜等探测站设备以及中心管理服务器、复示终端等构成，构成示意图如图8所示。

图8 系统构成示意图

3 监测系统的应用

3.1 系统在兰新第二双线的应用

3.1.1 大风专项试验

在兰新二线大风专项试验中，为实现动车组整车倾覆系数的测量，采用了地面轮轨力连续测量系统DTPDS，该系统安装在兰新二线百里风区红层南K3018＋800下行线。在大风专项试验中，DTPDS系统的测试数据是试验列车逐级提速的重要参考数据之一，为试验安全顺利进行提供了有力的试验数据保障。

3.1.2 长期监测

2016年1月25日对该台设备进行了联网运行，采用3G无线网络数据传输，实时将监测信息传至设在铁科院的中心管理服务器，同时提供监测信息监控查询平台，从而实现了对运营动车组的长期监测。截止2016年6月底共探测1 988列18 900辆次动客车，其中动车1 687列13 520辆次，客车踏面损伤报警61辆次，部分报警信息如图9所示。

图9 系统监测的部分客车踏面损伤报警界面

在监测的1 687列13 520辆次动车中，按照目前踏面损伤预报标准（冲击当量≥19进行预报）均未达到报警级别，但从监测的波形数据分析，部分动车组的车轮已经出现多边形，冲击力有的已接近20 k N，图10为出现28边形趋势的某动车组四条轮对的轮轨力监测图。对于上述动车组，项目组将进一步重点跟踪监控。3.2 系统在大西客专综合试验中的应用

2015年5月，动车组运行状态地面监测系统通过了大西客专综合试验行车试验评审，2015年8月在大西客专忻州西下行线K180＋325处完成设备安装调试工作，2016年3月初完成联网，采用3G无线网络数据传输，实时将监测信息传至设在铁科院的中心管理服务器，与兰新第二双线的系统接入同一监控平台，进行统一的数据监控查询管理。截止6月底共探测1 496列15 094辆次动车，无踏面损伤报警。系统监控设备安装见图11。

图11 系统监控设备安装图

由于综合试验时，大部分时间采用同一动车组列车在大西客专进行长期、反复试验，从而为系统垂直力即动车组车辆质量测试精度的分析提供了便利条件。每日试验列车开行多个往返，假定每日动车组每辆车的质量基本不变，统计每日系统测试的多趟动车组质量的重复性，分析系统垂直力测试误差。

本文统计了2016年4月7日至5月6日一个月的动车组监测数据，共计5 340辆次，速度范围为53～289 km／h、平均速度267 km／h，按每日监测的某辆车的多次平均质量为标准质量计算该日该车的测量误差，根据此方法一个月来监测的5 340辆次车测试误差分布如图12所示，从分布图可见：系统垂直力测试误差总体上均介入±3%范围内，绝大部分介入±2%，说明系统具有较高的垂直力测试精度。

图12 垂直力测试误差分布图

4 结束语

本文分析了自主知识产权的轮轨力连续测试技术，针对单元测试区之间存在的间断问题提出了一种长距离全连续轮轨垂直力测试方法，并结合动车组的特点制定了无砟轨道测区布置方案。同时，阐述了动车组运行状态地面监测系统的功能及构成，介绍了该系统在兰新二线、大西客专上的应用，通过系统测试数据的分析，表明该系统具有较高的测试精度，同时也发现了部分动车组车轮出现了多边形，从而为多边形轮对的监控及检修提供了技术手段。

［1］ 张格明，冯毅杰，刘慕哥.车辆超偏载及运行状态安全监测系统的研究和运用［C］∥技术装备确保行车安全学术研讨会论文集.北京：中国铁道学会，2000.

［2］ 冯毅杰，张格明.车辆运行状态地面安全监测系统研制的新进展［J］.中国铁道科学，2002，（6）：138-142.

［3］ 柴雪松，朱兴红.车辆运行状态检测系统（TPDS）在轨道负荷监测中的应用［J］.铁道建筑，2008，（11）：93-95.

［4］ 李甫永，李旭伟，秦 菊，等.TPDS在铁路货车车轮踏面损伤监测中的应用分析［J］.铁道建筑，2015，（5）：136-138.

［5］ 于卫东，曾宇清.车辆安全监测装置仿真测试的随机试验分析［J］.铁道机车车辆，2003，23（2）：46-49.

［6］ 扈海军，康 熊.货车车轮踏面损伤标准的探讨［J］.铁道机车车辆，2005，25（3）：16-18.

［7］ 李甫永，李旭伟，凌烈鹏，等.铁路客货车通用运行品质轨边动态监测系统TPDS的研制［J］.铁道建筑，2015，（4）：130-134.

［8］ 赵长波，扈海军，曾宇清，等.基于TPDS的货物列车踏面损伤分析与控制［J］.中国铁路，2011，（11）：52-56.

Development of EMU Performance Detection System and Applied Analysis

LI Xuwei
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

EMU performance detection system is mainly used to identify damage of wheel tread，hunting EMU and unbalanced-load，which is an important technical equipment to ensure EMU operation safety and plays an important role in preventing railway traffic accident and reducing damage of EMU or track component.This paper introduces the testing principle of the system and layout scheme of survey area，system function and composition，application in the test of the second double line of Lan Xin railway and Datong－Xi’an passenger，and analyzes identifying wheel tread damage，test precision of vertical force using the test data.

EMU；hunting；damage of wheel tread；vertical force；completely continuous

U260.11＋1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.07

1008－7842（2016）06－0025－04

5—）男，副研究员（

2016－08－01）