TPDS在城轨车辆状态监控中的应用展望

2016-02-13李旭伟秦菊陈天柱于国丞李甫永

铁路技术创新 2016年6期

■ 李旭伟秦菊陈天柱于国丞李甫永

TPDS在城轨车辆状态监控中的应用展望

■ 李旭伟秦菊陈天柱于国丞李甫永

轨道车辆和线路的作用问题是轨道交通轮轨接触式运输的基本问题，减少轮轨间的异常磨耗是保证运营安全、提高车辆维修经济性的关键。阐述地面轮轨力监测系统（TPDS）的测试原理、在铁路动客货车车辆运行安全监控方面发挥的重要作用，以及在指导车辆造修方面取得的效果。因城市轨道交通车辆同样存在轮轨磨耗问题，提出将TPDS轮轨力测试技术及装备应用于城市轨道交通，并进行车辆状态实时在线监控的展望。

城轨车辆；踏面损伤；轮缘磨耗；TPDS；轮轨力；监测；全连续

轮轨关系是轨道交通区别于其他交通方式的核心所在，轨道交通车辆通过近似锥形踏面的车轮与钢轨的准刚性滚动接触，具有阻力小、运量大、经济性好的特点，但因轮轨间准刚性接触，轮轨磨耗不可避免。如何降低轮轨间的异常磨耗，各国均开展了相关研究。从车辆角度来讲，一方面，轮对踏面故障会导致轮轨磨耗异常增加，如踏面损伤（不圆、擦伤、剥离、碾堆、局部凹陷等）会导致强烈轮轨垂向作用，产生较大轮轨冲击力，加剧对车辆部件和轨道的磨耗、伤损；另一方面，车辆参数不合理，如轮轨匹配、构架对轮对的约束、车体对构架的约束等，可能导致轮轨磨耗增加、车辆运行稳定性下降。上述问题均会导致运营成本的增加，严重时可能危及行车安全[1-2]。因此，车轮踏面损伤、车辆横向动力学性能不良是影响车辆正常运用的关键因素，必须进行深入研究、有效监控，在保证运营安全的前提下提高车辆的维修经济性。

1 地面轮轨力监测系统（TPDS）概述

1.1 测试原理

TPDS采用“剪力+支撑力”的连续轮轨力测试原理[3-5]，连续测区长度达到米级（见图1、图2），测区长度6 m；由于TPDS连续轮轨力测区较长，可测得一段较长时间内车轮垂向力增减变化的平均值，而不是波动过程的某个瞬时值，不仅提高检测精度、整个轮周踏面损伤的捕捉率及横向动力学性能的识别，还大大提高了系统适用的速度范围。这一新方法彻底打破了常规检测装置检测功能单一的局面，使得同时测量车轮踏面损伤、车辆横向动力学性能、车辆超载、偏载等成为可能。长距离全连续轮轨力测试原理为车辆车轮踏面损伤及其类别的准确识别、车辆蛇行失稳波长的稳定捕捉创造了有利条件。多边形轮对轮轨力实测图见图3，有砟轨道及无砟轨道TPDS设备安装见图4。

图1 五单元测区连续布置垂向力原理图

图2 五单元测区连续布置横向力原理图

图3 多边形轮对轮轨力TPDS实测图

图4 TPDS安装图

1.2 系统功能

TPDS采用长距离轮轨力全连续测量技术，实现车辆轮轨间动力学参数的动态检测。主要功能包括：根据综合考虑轮轨冲击载荷、速度及轮质量的冲击当量法，自动识别车轮踏面损伤（包括多边形、擦伤、剥离、碾堆、动不平衡等）；采用“分散检测、网络集中报警”的方法，动态识别横向动力学性能不良车辆；根据检测的城轨车辆轮质量、轴重、前后转向架质量及车辆总质量，自动识别车辆超载和偏载（包括前后偏、左右偏）。

2 TPDS在铁路车辆的应用效果

TPDS通过轮轨力的实时连续检测，能够自动识别车轮踏面故障、横向动力学性能不良车辆及车辆超偏载，集多项功能于一体，具有测试原理先进、测试精度高等特点。TPDS在铁路动客货车尤其是客货车方面进行了大规模推广应用，并已纳入铁路建设及运输安全管理的相关规范中[6-7]。截至2015年底，我国铁路安装TPDS设备145套，在保障车辆运营安全及指导车辆造修方面发挥了重要作用，取得了较好的应用效果。

2.1 货车应用

TPDS于2001年通过原铁道部组织的产品鉴定，应用于货车车辆状态的动态监控，并分别于2003年、2005年、2008年进行了大规模建设。自TPDS投入运用以来，发现大量车轮踏面损伤、车辆横向动力学性能不良及超偏载等案例，各级车辆运用部门通过对TPDS预报的车辆故障及时扣修，车辆状态明显提升，燃切轴等事故大幅下降。自2008年以来，货车踏面损伤报警率由2008年的15．19%下降到2015年的0．77%，降幅达95%（见图5）。同时，同期车辆关键部件裂损类典型故障也大幅下降，如摇枕裂损、侧架裂损、制动梁故障等下降幅度均超过94%。2016年以来，车辆部门对TPDS预报的因轮径差偏大、轮缘磨耗超限等导致横向动力学性能不良车辆进行了严格扣修（见图6），极大降低了列车脱轨的可能性。

图5 TPDS货车踏面损伤报警比例趋势图

2.2 客车应用

2011年12月22日—2012年3月8日，连续发生9起客车保持架破损事故，事故溯源均与车轮踏面损伤相关。轮对踏面损伤是客车保持架断裂、构架裂损、一系钢簧折断等的重要外因。通过TPDS在客车监测方面的运用试点后，中国铁路总公司将TPDS纳入新版《铁路客车运用维修规程》，对客车轮对实行状态修。自TPDS投入客车应用以来，根据TPDS报警，月均扣修车轮1 700多条（见图7），较好保障了客车的运用安全。

2.3 高速动车组应用

2016年1月，无砟轨道TPDS在兰新第二双线开通运行，进行动车组车轮状态监测，截至2016年9月底，共监测动客车5 755列、57 442辆。近2个月来，陆续发现运营的CRH2、CRH5型动车组中，部分车轮存在不同程度的多边形（图8为CRH2型动车组某车28边形车轮镟修前后的地面实测波形图）。可见，镟修后TPDS监测到的该轮对轮轨超高频垂向力明显减小。

图6 TPDS运行品质不良预报及扣修辆数对比

图7 TPDS客车月扣修车轮数量

图8 CRH2型动车组某车28边形车轮镟修前后地面实测波形图

目前，兰新高铁TPDS已对开行的42组高速动车组实现全覆盖监测，对轮对磨耗趋势实现长期跟踪。

3 城轨车辆车轮磨耗监控现状

城轨车辆运营速度虽然没有普速、高铁列车运行速度高，但城轨线路站间距短、车站多、制动频繁，城轨车辆运营环境相对复杂，列车各部件随运行里程的增加磨损也越来越严重。车轮作为轮轨接触的关键部件，其技术状态直接关系到列车运行安全[8]。据统计，北京、上海、广州、深圳等地铁公司城轨车辆在运营过程中，车轮踏面、轮缘均经常出现不同程度的异常磨耗。车轮踏面类故障主要是踏面擦伤（见图9）、剥离、碾堆、轮对失圆、多边形轮对、径向跳动超限等。部分城轨线路运行的车辆车轮轮缘磨耗异常严重，例如：北京地铁13号线DKZ5型电动客车车轮轮缘磨耗速率达到0．4 mm/万km（2012年和2013年）[9]；广州地铁3号线车轮轮缘平均磨耗率达到0．4 mm/万km（2009年12月—2010年1月），最大时轮缘磨耗率达到1．9 mm/万km[10]。轮缘异常磨耗主要由车辆走行部横向动力学性能变差所导致。

图9 车轮踏面擦伤

目前，对城轨车辆车轮踏面损伤、轮缘磨耗的动态检测方法有图像法踏面擦伤检测、加速度法踏面擦伤检测、激光轮对尺寸检测等，虽在部分地铁公司有一定应用，但因检测系统自身测试原理等方面问题，应用效果有限，且检测信息无法指导车辆造修。为了城轨车辆的运营安全，维修部门通常采取对整列车轮对进行定期镟修的方式保证车辆的运行安全，但这种方式大大缩短了轮对使用寿命，降低了轮对的使用经济性。

4 TPDS在城轨交通中的应用展望

通过对TPDS在动客货车状态监控中的应用效果分析可知：TPDS能够较好地捕捉到轮对故障（如擦伤、失圆、多边形等损伤）、轮对偏磨及轮径差偏大导致的横向动力学性能不良的车辆，对运管修具有较强的指导意义。因此，针对城轨车辆存在的车轮踏面、轮缘磨耗等问题，可将TPDS测试技术及装备移植至城轨交通系统，对城轨车辆状态进行实时监控。TPDS移植工作已纳入轨道交通系统测试国家工程实验室项目规划（发改办高技［2016］584号文已批复），目前正处于筹建阶段。

TPDS应用于城市轨道交通，能够实现科学指导车轮镟修、定量评价车辆动力学性能，从而为车辆从“定期修”向“状态修”转变提供可靠的科学手段。同时，也可以用来评价城轨车辆的设计制造、维修质量及新车的设计定型等。TPDS的应用必将全面提升城轨交通的安全保障水平，降低运营维护成本。

[1] 黄毅．铁路货车运行品质影响因素分析及安全保障技术体系完善[J]．中国铁路，2016(5)：38-44．

[2] 徐凯，李芾，李东宇，等．动车组车轮踏面磨耗对动力学性能的影响[J]．中国铁路，2016(9)：40-44，48．

[3] 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．

[4] 凌烈鹏，李旭伟，柴雪松，等．高速铁路动车组运行状态地面监测系统的研制[J]．铁道建筑，2015(1)：71-83．

[5] 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．

[6] 铁运［2010］141号铁路货车运用维修规程[S]．

[7] 铁运［2006］27号铁路客车运用维修规程[S]．

[8] 皮晓龙，杨峰．南京地铁2号线车辆轮对异常磨耗分析与对策[J]．中国铁路，2014(11)：93-95．

[9] 郭燕辉．城轨车辆车轮轮缘异常磨耗原因及措施分析[J]．中国铁路，2016(6)：98-101．

[10] 邱伟明，朱永波．广州地铁三号线车辆轮缘异常磨耗原因分析及解决措施[J]．电力机车与城轨车辆，2011(4)：80-81．

李旭伟：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，副研究员，北京，100081