大秦线TPDS预报运行状态不良车辆的原因分析

王立奇

摘 要：货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）利用设在铁路正线直线段上的轨道测试系统，通过对走行车辆在轨道上产生的轮轨力或轮对运动状态测量，可对车辆的运行稳定性进行有效监测，从而识别运行状态不良的车辆，目前该系统已在全路各大干支线普及应用，技术日趋成熟，对铁路货车运行状态的安全监控发挥了重要作用。本文通过对太原铁路局大秦铁路木林探测站TPDS预报运行品质不良车辆的统计分析，就如何进一步提升车辆检修水平，提高车辆运行品质进行了简要分析及探讨。

关键词：货车；TPDS；大秦线；运行品质；报警

货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）是针对铁路货车空车直线段脱轨而研发的一种轨边监测系统，它利用设在轨道结构中的检测平台，实时对过往车辆轮轨之间的动力学参数进行检测，并根据检测结果判定车辆的运行状态，在此基础上各TPDS探测站联网识别运行状态不良车辆，通过“分散检测、集中报警、网络监测”，实现了“联网评判、信息共享”，极大的促进了铁路货车安全防范手段从人控向机控、由粗放管理向集约管理的转变。货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）安装在直线段，可准确识别货车是否蛇行失稳及失稳的程度，通过对运行品质不良车辆的预警、追踪、处理，可以大大减少空车脱轨事故的发生。然而如何提高车辆检修质量，预防TPDS预报运行状态不良，彻底消除故障隐患，逐渐成为铁路货车检修的一项难题。为此，我们对大秦线木林探测站TPDS预报运行品质不良车进行了专项调研，具体情况如下：

1 TPDS运行状态不良联网评判原理及既有运用限度

货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）采用了板式传感器、移动垂直力测试等新技术，实现了轮轨之间垂直力、横向力的连续测试，再加上高平顺测试平台、车号自动识别技术等，实现了对车辆横向动力学性能的测试功能，可准确的识别车辆的运行状态及货车是否蛇行失稳及失稳的程度；其特点是监测成本低、对象多、频次高，但具体到单次监测，则包含了一些随机因素（如冲角、编组辆数、列车纵向力等）的影响。

单个TPDS探测站对通过速度大于50km/h（有效通过）的空车进行运行状态评分，TPDS查询中心汇集了全路各TPDS探测站评分，并对每辆货车进行运行状态的“联网评判”。TPDS“联网评判”采用了“滑动累加”的计算方法，“滑动累加”的窗口长度为七次有效通过，即对每辆货车采用其最近七次有效通过（空车50km/h以上）的运行状态评分之和作为该车运行状态联网评分，运行状态联网评分表征了该车近期的动力学性能。2015年11月5日，为进一步优化TPDS预报运行品质不良货车预警分值和检修要求，铁路总公司运输局车辆部组织专家经过评审，明确了“大秦线TPDS预报分值维持不变，其他线路TPDS运行状态不良货车联网报警门槛值调整为60分及以上”，超过警戒值，TPDS系统就会显示一级报警状态，通过对预警车辆的适时扣修，有利于消除安全隐患、提升车辆的运行品质。

2 TPDS运行状态不良车辆数据统计

我们对管内大秦线TPDS预报运行品质不良车均进行了重点盯控，并按照“重点车”管理规定及时组织进行了扣修，同时对大秦线木林TPDS空车探测站预报的105辆运行状态不良车辆进行了统计分析，具体情况如下：

2.1 按车型统计

C80B型车90件辆，占施修总辆数的85.7%；C80型车12辆，占施修总辆数的11.4%；C76（B、C）型车2辆，占施修总辆数的1.9%；C80BF型车1辆，占施修总辆数的1.0%。

2.2 按照检修发现的故障情况统计

共计发现各类故障159件，具体情况为：

a“旁承技术状态”不符合规定：共计76件，占故障总数的47.8%，其中“旁承间隙”过限68件（即：整车落成情况下，上旁承磨耗板下平面与下旁承旁承滚子之间的距离不符合5-7mm范围），下旁承座与旁承盒纵向间隙不符合规定8件。

b轮对故障：共计67件，占故障总数的42.1%，其中轮径差过大25件，圆周磨耗过限19件，轮缘过限17件，车轮踏面有划痕3件，车轮踏面局部凹陷2件，车轮踏面剥离1件。

c其他故障：共计16件，占故障总数的10.1%，其中心盘螺栓松动6件，斜楔磨耗板磨耗过限6件，下心盘与心盘磨耗盘间有煤渣3件，侧架立柱磨耗板磨耗过限1件。

由上分析可以看出，“旁承技术状态不良”和“轮对踏面”故障共计143件，占了故障总数的89.9%。

3 导致车辆运行状态不良的原因分析

货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）预报运行状态不良主要是横向动力学特性不良，其对铁路货车运行状态的评判主要采用了FRA轨道安全标准的几个指标：轴脱轨系数和动轮比，其相关要求见表1：

从表1可以看出，如果轮轨间的横向力过大和垂向力减载，超过一定限度时，TPDS系统便进行预警“运行状态不良”。

3.1 从导致轮轨间“横向力”过大的因素着手

3.1.1 同一轮对两车轮轮径差过大

在车辆运行过程中，同一轮对两车轮要保持相同的线速度，线速度=角速度×车轮半径，从理论上分析，轮对运行过程中，半径小的车轮，其角速度也相对较大，但是由于车轮与车轴之间压装力的限制，同一轮对两端大、小车轮角速度是相同的，同时由于车轮踏面可以模拟为等效锥形，这样在车辆运行时，轮径小的车轮要进行横移，其轮缘要向钢轨贴靠，轮径差越大，轮对中心偏离轨道中心的程度也越大，轮缘贴靠钢轨的程度及轮轨之间的横向力也随之增大，当轮对的横移量产生后，使轮对的运行方式由纵向直线运动转化为纵向与横向运动的合成，易造成轮对蛇形运动失稳，以致轮轨横向力变大（轮对蛇形运动原理：轮对在轨道上的蛇形运动应当保持运动稳定，即轮对中心沿轨道中心线运行，即使某些原因使轮对中心偏离轨道中心线后，也希望很快收敛到轨道中心线上；如果轮对运行时，其中心越来越偏离轨道中心，则轮对蛇形运动失稳，轮对的横移量及摇头角度越来越大，以致爬轨）。

3.1.2 下旁承橡胶体压缩量不符合规定

“下旁承组成”是铁路货车车辆结构的重要部件，大秦线运行的重载货车普遍采用常接触弹性旁承（如：目前运用的转K6型转向架均采用JC型双作用弹性旁承），通过提供相当比例的回转阻力矩，常接触旁承可以有效控制转向架的摇头动作。若“旁承间隙”过大、下旁承橡胶体压缩量不足，则不能为车辆的平稳运行提供足够的回转阻力矩，这将导致空车动力学性能的下降（同时根据常接触旁承的作用原理，旁承体预压缩量不均匀时，将导致各弹性旁承的承载荷不均匀，整车的回转阻力矩失衡，使车辆的摇头及侧滚振动加剧，因此导致TPDS联网积分值增加）。

M车辆=M旁承+M心盘，M旁承=μND

其中：M车辆——车辆的回转阻力矩；

M旁承——旁承回转阻力矩；

M心盘——心盘回转阻力矩；

Μ——上、下旁承磨耗板之间的摩擦系数；

N——上、下旁承之间的正压力；

D——心盘中心至旁承中心的距离。

μ是基本相同的，D是相同的，而N不符合规定（在下旁承橡胶体物理性能符合规定的前提下，N可由下旁承橡胶体的压缩量直观得出），那么M旁承不符合规定，易造成转向架摇头，轮对的蛇形运动加剧，导致轮轨间横向力加大。

根据《段规》规定，JC型旁承磨耗板上平面至滚子上部距离为14-17mm（70吨级、C76、C80型车），整车落成后，上旁承下平面与双作用弹性下旁承滚子的间距（即“旁承间隙”）为5-7mm（C80、C80B等型敞车），这样，下旁承橡胶体压缩量的压缩范围应该为7-12mm，如果不符合这个范围，则说明车辆的M旁承不符合规定。

3.1.3 “下旁承座与旁承盒”纵向间隙过限、下心盘螺栓松动

从常接触弹性旁承作用原理分析，下旁承座与旁承盒纵向间隙小，对整车回转阻力矩的影响也越小。反之，回转阻力矩减小，TPDS联网积分值增加。

当下心盘内有杂物、心盘螺栓紧固力矩不符合规定时，会对M心盘造成一定影响。

M车辆直接影响着车辆运行的平稳性，M车辆不符合规定，易导致轮对蛇形运动加剧，从而导致轮轨之间“横向力”过大。

3.2 从导致轮轨间“垂向力”减载的因素着手

3.2.1 下旁承橡胶体压缩量不均匀

下旁承橡胶体的压缩量可以直观反映出下旁承的受力状态，根据作用力与反作用力的关系，也反映着车体的受力状态，下旁承橡胶体压缩量计算公式为：δ=A-σ

其中：δ——下旁承橡胶体压缩量；

A——JC型旁承下旁承磨耗板上平面与滚子的距离；

σ——“旁承间隙”（即：整车状态下上旁承磨耗板下平面与下旁承磨耗板上平面间隙）。

在下旁承橡胶体物理性能符合规定的前提下，δ不均匀，则说明下旁承承受的载荷不均匀，也说明车体所受的力不均匀，在车辆运行状态下，车体有着上下、左右、前后运动的三维自由度，车体两侧所受的力不均匀，易导致车体左右摆动加剧，从而造成两侧车轮频次增、减载，轮轨间的“垂向力”受影响，影响车辆的动力学性能，对车辆运行状态造成影响。

3.2.2 同一轮对轮径差过大

同一轮对两车轮轮径差过大或者全车、同一台车车轮轮径差过限，会导致在车辆运行时，轮径小的车轮减载，轮径大的车轮增载，在车辆运行时，影响轮轨间的“垂向力”。

3.2.3 摩擦副之间的配合作用、枕簧、承载鞍轴箱橡胶垫性能不良

斜楔、侧架立柱磨耗板等摩擦副的配合作用及枕簧挠度、承载鞍轴箱橡胶垫的物理性能，对车体垂向力向轮轨之间的传递过程有缓冲作用，也直接影响着轮轨之间的“垂向力”。

综上分析可知，导致“TPDS预报运行品质不良”是车辆各部结构的综合因素累计所致，在这其中各种因素的权重有所不同，在特定车辆中甚至也有所差别，但综合分析、比较来看，“下旁承组成”和“轮对”的技术状态是关键性因素。

4 建议采取的措施

4.1 强化对“运行状态不良联网报警车辆”的扣修

车辆段运用车间、列检作业场对于到达、始发列车运行品质不良联网报警车辆要立即扣修；扣车时重点检查轮对、侧架导框、侧架立柱磨耗板、斜楔及主摩擦板、摇枕斜楔摩擦面磨耗板、常接触式旁承或间隙旁承、承载鞍及与承载鞍接触的有关配件、枕簧、心盘及心盘螺栓等技术状态，确保车辆运行安全。

4.2 强化“下旁承组成”产品质量卡控及“旁承间隙”的测量

配件入段检验或检修车间对“下旁承组成”检修时，要严密卡控自由状态下“JC型旁承磨耗板上平面至滚子上部距离”，确保JC型弹性旁承产品质量合格；段修台车落成时，严密卡控旁承座与旁承盒之间的纵向间隙，确保符合规定，避免由于旁承座与旁承盒之间的纵向间隙过限对车辆的“旁承回转阻力矩”造成影响；厂修、段修、临修车辆落成检测时，必须保证“上旁承磨耗板下平面至下旁承滚子之间的距离”符合规定，以总体保证下旁承橡胶体压缩量均符合规定。

4.3 严密卡控车钩、牵引梁高度

车辆在厂、段、辅、临修作业调整牵引杆、车钩高度时，应在车辆两端同时进行调整、测量、确认，在保证车钩一端钩高符合870～890mm规定尺寸的同时，还应保证牵引杆一端牵引梁上平面距轨面距离高度符合要求，以防止车辆重心偏移量过大，导致两转向架承受载荷不一致，从而造成轮对增、减载，影响车辆动力学性能。

4.4 加严轮径差技术指标

针对“目前120km/h车辆，段修时同一台车轮径差不大于15mm，同一车辆轮径差不大于30mm”的规定，制定加严技术措施，调整同一台车、同一车辆的轮径差规定，避免因为轮径差过大导致轮对增、减载，影响车辆运行品质。

4.5 卡控轮对检修

轮对检修车间在对轮轴检修时，要对轮径、轮对内侧距等关键尺寸逐个测量，确保车辆、转向架、同一轮对两车轮直径差符合技术规定；同时对于“TPDS运行品质不良联网报警”的铁路货车，运用车间、列检作业场须全数进行扣修处理，该车扣入站修作业场后，站修对该车进行全面技术检查，并严格按照段修限度对轮对进行检修，轮对踏面等技术尺寸不符合段修限度的须组织进行更换。

4.6 强化下心盘检修工艺的执行

厂、段修转向架落成检测时，要全数清扫下心盘与心盘磨耗盘之间的杂物、污物，确保下心盘组装螺栓力矩M心盘符合规定。

参考文献：

[1]铁运[2012]202号，《铁路货车段修规程》，中国铁道出版社.

[2]铁运[2010]141号，《铁路货车运用维修规程》，中国铁道出版社.

[3]铁运[2012]231号，《铁路货车站修规程》，中国铁道出版社.

[4]刘瑞扬，王毓民，陈伯施.铁路货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）原理及应用[M].中国铁道出版社.

[5]严隽髦，翟婉明，陈清，等.重载车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，2003.1：150-152.

[6]赵长波，陈雷.铁路货车安全监测与应用理论[M].中国铁道出版社.