基于货车TPDS系统的铁路客车动力学性能分析

谭佳丰

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081）

基于货车TPDS系统的铁路客车动力学性能分析

谭佳丰

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081）

货车运行品质轨旁动态监测系统（TPDS系统）提供了一种新的轮轨力测试方法，其利用整体框架结构检测平台不间断测量铁道车辆轮轨力，并对车辆运行状态进行综合评判。本文利用既有货车TPDS系统的高平顺平台，对青藏线部分客车轮轨力进行测试分析，推算出青藏线客车的脱轨系数及分类特征点，并结合客车的运行特点，对青藏线客车运行状态进行了初步评判，找出需要重点关注和追踪的列车，从而利用货车TPDS系统对客车动力学性能进行了探索性研究。

TPDS系统；铁路客车；轮轨力；脱轨系数；动力学性能

列车在线路上运行时应具有良好的横向稳定性，在低速至最高速度范围内不容许发生蛇行失稳。如发生剧烈蛇行失稳，会产生很大的横向轮轨作用力，对线路造成破坏，甚至会出现脱轨事故，严重影响运行安全［1］。因此，铁道车辆的动力学性能一直是铁道车辆研究的重点［2］。

近年来，基于轮轨力测量的货车运行品质轨旁动态监测系统（TPDS系统）在全路安装、运用，使得铁道车辆动力学性能的地面监测技术有了很大的发展［3-4］。货车TPDS系统提供了一种新的轮轨力测试方法，利用设在正线轨道上的整体框架结构高平顺检测平台，实时测量并评估列车轮轨间的横向力、垂向力及其导出参数，从而实现对列车运行时动力学性能的监测［5-7］。本文利用既有货车 TPDS系统的高平顺平台，对青藏线部分客车运行状态进行了测试分析，并结合客车的运行特点，对客车的动力学性能进行了探索。

1　TPDS系统原理及运用情况

1）TPDS系统测试原理

货车空车的脱轨事故在20世纪90年代频发，针对货车临界速度的蛇行失稳问题，开发了TPDS系统。车辆的运行特性研究中车辆轮轨力测量最为关键，但传统地对车测试方法中测区长度短，难以消除诸如轨道不平顺等引起的附加动荷载误差。货车TPDS系统则采用了全新的方法，在既有线路条件下设置整体框架式的高平顺测试平台，增加了测区长度，剪力传感器和双向板式传感器交叉布置于平台，构成近5 m的有效测区，剪力测试数据和板式传感器数据通过算法合成，得到车辆通过测区时连续不间断的轮轨力。TPDS轮轨力测试方法示意如图1。该方法克服了传统方法测区短，只能得到瞬时波动的缺点，极大地提高了对车辆动力学性能的把握。

图1　TPDS系统轮轨力测试方法示意

2）TPDS系统动力学分析方法

货车TPDS系统监测的轮轨动力学指标及处理方法是采用FRA 213轨道安全标准中的监测指标及处理方法。脱轨系数的计算公式为

式中：Q1为作用于轮缘上的横向力；P1为作用于车轮上的垂直力；a1为通过轮缘圆弧面上的拐点所作切线与水平线的夹角；μ1为轮缘与钢轨间的摩擦系数［8］。

式（1）是最基本的脱轨系数计算公式，实际情况中，脱轨系数的计算往往十分复杂，影响因素很多［9］。货车TPDS系统在路内运用10多年，目前积累了大量的数据，TPDS系统脱轨系数参数来源于海量测试数据的经验值［10］。

3）货车TPDS系统应用情况

铁道部运输局自2003年开始建立全路车辆安全防范、预警5T系统，TPDS是5T系统的重要组成部分，近年逐步形成了覆盖全路的 TPDS监测网络。货车TPDS在大秦线货车运行状态研究中已经取得很大成果，TPDS系统分析数据很好地为货车检修提供了参考。随着对TPDS系统的进一步深入研究，TPDS系统逐步被应用于对客车运行状态进行分析。

2　青藏公司客车动力学分析

青藏线运行线路长，线路复杂，对客车的整体性能要求很高，对进藏客车动力学性能的研究十分重要。本文选取了2015年9月1日到10月13日格尔木东TPDS系统的监测数据，对青藏公司担当的 K9803，K9805列车的 51辆客车的动力学情况进行了分析。由于数据采集时TPDS系统配套的AEI设备还不具备探测客车车号的功能，下文中的车号利用 KMIS系统的交路信息匹配得到，匹配时默认KMIS开行信息中的车辆顺位与TPDS监测到的前进方向顺序一致。

根据格尔木东TPDS系统采集的过车数据，分析处理步骤如下述。

1）提取有效样本

格尔木东 TPDS测点客车通过速度在 55～100 km/h之间（如图2所示），总样本数1 442个。鉴于主要考察车辆动力学性能，本文提取了速度≥90 km/h 的627个样本进行分析。

2）处理样本波形得到脱轨系数及分类点

格尔木东 TPDS测点客车取得有效样本627个，将样本的垂直力和水平力波形提取后，通过经验公式计算出51辆车共627个样本的一、二、三、四轴脱轨系数，三维分布如图3～图6所示，其中x坐标为客车序号，y坐标为轴脱轨系数，z坐标为分布概率。

图2　格尔木东TPDS测点客车速度分布

图3　样本中一轴脱轨系数分布

图4　样本中二轴脱轨系数分布

图5　样本中三轴脱轨系数分布

627个样本前后转向架一、二、三、四轴共2 508个脱轨系数，见图7。从脱轨系数的分布可以看出，采样客车前后转向架的轴脱轨系数都较低，采样客车的整体情况比较好，根据样本轴脱轨系数数据的分布，样本的分类特征点定为0.038。

图6　样本中四轴脱轨系数分布

图7　样本轴脱轨系数分布

3）提取动力学性能较差的客车并匹配车号

以分类特征点为限界，按轴位具体分析样本中列车的情况，找出列车一、二、三、四轴脱轨系数超过分类特征点的列车，再根据过车时间、车辆位置，在KMIS信息中将车号匹配上，结果见表1～表4。

表1　样本中一轴脱轨系数较大的典型车辆

将一、二、三、四轴脱轨系数中大于分类特征点且比例超过50%的车定为重点列车。从表中可以看到，车号 为 352090，352102，352695，352739，354424，554863，683857的列车脱轨系数相对较大，需重点关注和追踪。

表2　样本中二轴脱轨系数较大的典型车辆

表3　样本中三轴脱轨系数较大的典型车辆

表4　样本中四轴脱轨系数较大的典型车辆

3　结论及建议

通过TPDS系统监测数据对青藏公司部分客车的动力学性能进行分析，得出如下结论：

1）被监测车辆以90 km/h以上速度通过格尔木东TPDS测点时，未见明显蛇行运动，动力学性能相对较差的车 辆有 352090，352102，352695，352739，354424，554863，683857。应对这些车辆进行重点关注和跟踪。

2）由于既有货车TPDS系统测区长度不能覆盖客车的半个蛇行波，TPDS设备及车号升级后，建议结合客货通用TPDS系统的推广，切实推进客车运行状态评判研究。

［1］曾京，邬平波.高速列车的稳定性［J］.交通运输工程学报，2005，5（6）：1-4.

［2］王福天.车辆系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，1994.

［3］曾宇清，王卫东，舒兴高，等.车辆脱轨安全评判的动态限度［J］.中国铁道科学，1999，20（4）：70-77.

［4］王卫东，曾宇清，于卫东，等.环形线货物列车直线段脱轨试验报告［R］.北京：铁道部科学研究院，2000：5-28.

［5］翟婉明.货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案——防脱轨安全性评定标准［J］.铁道车辆，2002，40 （1）：13-181.

［6］翟婉明.货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案——轮轨横向力评定标准［J］.铁道车辆，2002，40（2）：9-101.

［7］翟婉明.货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案——轮轨垂向力及车钩力的评定标准［J］.铁道车辆，2002，40（3）：10-131.

［8］国家标准局.GB 5599—1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.北京：中国标准出版社，1986.

［9］鞠在云.谈车辆动力学《规范》的修订［J］.铁道车辆，2002 （5）：25-271.

［10］邬平波，曾京.确定车辆系统线性和非线性临界速度的新方法［J］.铁道车辆，2000，38（5）：1-4.

（责任审编周彦彦）

Dynamic Performance Analysis of Railway Passenger Vehicle Based on Freight Truck Performance Detection System（TPDS）

TAN Jiafeng
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Freight T ruck Performance Detection System（T PDS）presents a new test method of wheel-rail force，which continuously measures the wheel-rail force of railway vehicles by using integral frame structure detection platform and makes comprehensive evaluations for the train running state.By using high regularity platform of existing freight T PDS，wheel-rail force of partial passenger vehicle in Qinghai-T ibet line was analyzed，derailment coefficient and the classification feature point of passenger vehicle in Qinghai-T ibet line were calculated，the preliminary evaluation of passenger vehicle running state was carried out by combing with the running characteristics of passenger vehicle，and the passenger vehicles which need to be focused and tracked were determined，that means the freight T PDS should be used for exploratory study of the passenger vehicle dynamic performance.

T ruck Performance Detection System（T PDS）；Railway passenger vehicle；W heel-rail force；Derailment coefficient；Dynamic performance

谭佳丰（1978—— ），男，助理研究员，硕士。

U260.11+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.30

1003-1995（2016）07-0123-04

2016-02-24；

2016-04-19