基于TPDS的机车车轮多边形分布及演变规律研究*

肖 齐, 于卫东, 陆 航, 田光荣, 刘茂朕, 祁苗苗

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所， 北京 100081)

轨道车辆车轮的踏面损伤形式主要有擦伤、剥离、碾堆、局部失圆等形式的局部损伤和车轮多边形等形式的分布式损伤[1]，机车车轮的踏面损伤形式亦是如此。机车车轮的擦伤、剥离等局部损伤通过传统的人工检查就可以被发现，从而得到及时维修。然而机车车轮多边形在传统的人工检查中难以发现。采用直接或间接检测车轮多边形的手段均需要机车处于静止状态，检测效率和频次过低[1-3]，无法及时发现车轮多边形的产生和发展。因此目前机车检修运用中存在大量多边形车轮未得到及时维修。机车自身轴重大，牵引功率大，多边形车轮在运行中会产生高频冲击力，加速轴箱轴承、转向架各零部件及轨道结构的疲劳伤损，同时影响车载电器元件的可靠性[4-8]。相较于局部损伤，车轮多边形对机车危害程度更高。

目前国内外对车轮多边形已有广泛研究，近年我国学者金学松等详细综述了国内外在铁路车辆车轮多边形产生机理和检测技术方面的研究[1]，但对车轮多边形的总体分布和演变规律因缺乏高效的检测手段而罕有研究。随着TPDS系统在机车运行安全监测中的应用，使动态监测机车车轮多边形成为可能，为揭示我国铁路机车车轮多边形总体分布和演变规律研究创造了条件。

1 数据统计方法

TPDS系统采用轮轨垂直力连续测量方法，以冲击当量和循环阶次作为主要参数，表征车轮踏面损伤类型和损伤程度，动态检测机车车轮局部损伤(擦伤、剥离、碾堆、局部失圆等)和分布式损伤(车轮多边形)。目前全路联网运行的TPDS系统已覆盖全路18个铁路局集团公司各型机车。文中根据2018年下半年TPDS系统对全路机车车轮冲击当量、多边形阶次探测数据，结合机车配属、运行交路、牵引工况、机车车型等信息，以及现场实测车轮粗糙度结果等数据，分析我国铁路机车车轮多边形分布规律。

机车运用交路相对比较固定，特别是主要干线运行的机车，被TPDS系统探测频次可以达到每天一次。针对多次重复出现多边形现象的典型车轮，回溯TPDS历次探测情况，重构车轮在一个旋修周期内多边形的发展过程，从而研究提出我国铁路机车车轮多边形演变规律。

2 机车车轮多边形的分布规律

2.1 全路统计分析

经统计，2018年下半年TPDS系统共计发生机车踏面损伤报警车轮10 142例，其中擦伤、剥离等形式的局部损伤2 452例，占比24.2%；车轮多边形7 690例，占比75.8%。机车车轮多边形是局部损伤的3倍。相比于车辆部门统计的客车车轮踏面损伤结果，目前全路客车车轮多边形占比约28%。机车车轮多边形故障比例是客车车轮多边形故障比例的2.7倍。

机车车轮多边形故障占比高的原因，一方面是大功率牵引力输出，车轮磨耗大，容易产生多边形现象；另一方面是目前机车车轮检修过程中车轮局部损伤外观可见，外观检查即可发现。而车轮多边形仅通过外观检查无法发现，需要静态测量车轮圆周尺寸才能发现。因缺乏高效的检测手段，车轮多边形及局部失圆难以及时发现，因此未得到及时维修。

2.2 牵引工况因素分析

机车牵引工况分析主要从牵引功率输出因素对比车轮多边形的分布差异，根据机车牵引类型，分别对客运机车和货运机车的车轮多边形现象进行分组统计。经统计，2018年下半年TPDS系统探测机车556 142台次，发生多边形报警机车27 544台次，报警率为4.95%。其中探测客运机车227 931台次，发生多边形报警机车9 154台次，报警率为4.02%；探测货运机车300 629台次，发生多边形报警机车17 380台次，报警率为5.78%(如图1所示)。总体上货运机车多边形报警率略高于客运机车。牵引力主要依靠轮轨纵向黏着力提供，货运机车输出牵引力更高，车轮磨耗更快，也促使产生更多车轮多边形症状。

2.3 运行速度因素分析

客运机车与货运机车不仅在牵引功率方面有明显差别，另一个重要因素是运行速度。客运机车普遍运行速度在100～160 km/h，而货运机车的运行速度普遍低于120 km/h。

针对TPDS系统报警的车轮，经现场实测车轮粗糙度结果发现，客运机车的车轮多边形现象均呈现4～6边形，典型故障形式如图2所示。图2(a)为该车轮周向径跳测量的极坐标图，径跳量在-0.5～0.75 mm区间，呈现均匀分布的5边形特征。图2(b)为该车轮粗糙度计算结果，该车轮在5阶对应幅值达到50 dB，已严重超标。

图1 客/货运机车车轮多边形报警率对比

图2 和谐某型0318车1轴右轮TPDS探测结果及测量结果

货运机车的车轮多边形现象则呈现10～20边形。其中一类多边形车轮呈现均匀分布，例如图3所示车轮，呈现均匀分布的18边形特征，径跳量在-0.25～0.25 mm区间。该车轮在18阶对应幅值达到40 dB。此类车轮在不同车速条件下均表现同一主频。另一类多边形车轮则呈现不规则分布，例如图4所示车轮，从图4(b)的车轮粗糙度结果可以看出，该车轮在11、13和17阶对应的幅值均达到35 dB。

客运机车运行速度通常在100～160 km/h，按照标准机车轮径和4～6边形换算，客运机车多边形车轮运行中的振动频率在35～55 Hz，此频率与客运电力机车的P2共振频率42～48 Hz[9]重叠；根据乘务员现场反馈，货运机车通常在30 km/h和60 km/h速度级产生明显振动现象。按照标准机车轮径和10～20边形换算，货运机车多边形车轮在30 km/h速度级的振动频率为35～40 Hz，60 km/h速度级的振动频率为60～70 Hz，分别与货运电力机车的P2共振频率36～40 Hz、钢轨的P2共振频率62～67 Hz[9]重叠。尽管客运机车与货运机车产生的多边形车轮阶次不同，但运行中振动主频基本一致，且与机车、轨道的P2共振密切相关。P2力作用时间较长，可向上传递给车辆部件，向轨下传递至道床，对车辆和轨道系统的危害最大[9]。因此应对机车车轮多边形进行有效监控并及时旋修，避免轮轨冲击力会对机车走行部造成累积损伤。

图3 和谐某型6269车6轴左轮TPDS探测结果及测量结果

图4 和谐某型6269车3轴右轮TPDS探测结果及测量结果

2.4 线路条件因素分析

为研究机车运行线路条件对车轮多边形分布的影响，分别对平原线路(多直线)和山区线路(多曲线、多坡道)运行的机车车轮多边形现象进行对比分析。根据地域特征，将通过沈阳、北京、郑州、济南局集团公司局管内TPDS系统的机车探测结果进行统计，2018年下半年TPDS系统探测机车186 463台次，其中发生多边形报警机车7 171台次，报警率为3.85%；将通过成都、昆明、兰州局集团公司局管内TPDS系统的机车探测结果进行统计，2018年下半年TPDS系统探测机车186 875台次，其中发生多边形报警机车16 434台次，报警率为8.79%(如图5所示)。结果显示运行在山区的机车多边形车轮占比明显高于平原运行的机车。究其原因，山区线路坡道多、小曲线多，且机车在控速时采用电制动方式，导致机车牵引/制动功率输出相应增加，轮轨作用力加剧。严重的车轮磨耗导致山区运行的机车多边形车轮显著增高。因此需要适当缩短旋修周期，及时消除多边形车轮引发的机车异常振动。

图5 不同线路条件下机车车轮多边形报警率对比

此外，针对TPDS系统报警的车轮，经现场实测车轮粗糙度结果还发现，客运机车在不同线路条件下症状相同，均表现为4～6阶多边形。而对于货运机车，长期运用在平原直线的货运机车呈现如图3的均匀分布多边形现象；长期运用在山区曲线的货运机车呈现如图4的不规则分布多边形现象；长期运用在长大坡道的货运机车呈现如图6的局部多边形现象。

图6 和谐某型0397车3轴左轮TPDS探测结果及测量结果

3 机车车轮多边形的演变规律

通过分析TPDS系统连续测量的轮轨垂向力，可以定量计算多边形阶次。且轮轨垂向力幅值与车轮径跳量呈正相关趋势。因此根据一个旋修周期内不同阶段轮轨垂向力曲线，研究机车车轮多边形的演变规律。

例如长期运用于平原直线工况的和谐某型0429机车5轴左轮在时年6月底完成前一次旋修后的车轮状态如图7(a)。该车轮质量约12 t，以50 km/h速度级运行产生轮轨冲击力约9.8 kN(轮轨力波峰与波谷的差)。踏面呈现径跳极小的四边形。该型面是不落轮车床结构原理导致的常见状态。该机车每月平均运行里程为1万km左右，运用至9月中旬间，旋修后运行2～3万km的车轮状态如图7(b)(c)，踏面未见明显变化。车轮运用至10月中旬状态如图7(d)，走行3～4万km后，车轮径跳量缓慢增长，但依然是四边形车轮。运用至11上旬状态如图7(e)，走行5万km左右时，以50 km/h速度级运行产生轮轨冲击力约39.2 kN，车轮径跳量缓慢增长。但在原径跳量比较大的4个位置中间发展形成了新的径跳起伏原，四边形车轮迅速发展至13边形。运用至11月中下旬状态如图7(f)，走行5～6万km左右时，大波峰波谷间继续发展出新的小起伏，13边形发展为20边形。车轮自11月中旬至12月底，20边形车轮径跳快速增长，以60 km/h速度级运行产生轮轨冲击力达到78.4 kN，轮轨垂向力峰值达到16 t，形成典型车轮多边形故障。

又例如长期运用于山区曲线的和谐某型6071机车2轴左轮在时年5月底完成前一次旋修后，车轮运用至10月初状态如图8(a)，车轮踏面保持旋修后径跳极小的四边形状态。车轮运用至10月中下旬状态如图8(b)，四边形车轮径跳增长显著。车轮11月初和月末的状态如图8(c)(d)，车轮径跳量未见明显增长，但原四边形车轮逐步发展至不规则分布的9边形。车轮自12月初至次年1月初(如图8(e)(f))，9边形车轮径跳快速增长，形成不规则分布的车轮多边形故障。此时以50 km/h速度级运行产生轮轨冲击力达到13 t，轮轨垂向力峰值达到20 t。

总结来看，机车车轮多边形发展过程要经历前期长期孕育，中期阶次快速扩展和后期径跳量急剧增长的3个过程。其中前期过程大约3～5个月，周期长短与牵引工况、线路条件和走行里程密切相关；中期尽管阶次快速扩展，但径跳较小，轮轨冲击力对走行部的损伤有限；后期随着径跳的急剧增长，轮轨冲击力会急剧增大，危害程度高。因此机车车轮应在多边形发展的中后期进行及时旋修，既能保护车轮状态，也能减小旋修进刀量，提高旋修经济性。

4 机车车轮多边形的次生危害

机车需要大功率牵引/制动力输出，且轴重大，特别是在山区曲线和长大坡道条件下运营的货运机车，轮轨垂向力、纵向力极大。例如图7(a)和8(a)，25 t轴重机车良好的车轮轮轨冲击力仅为9.8 kN左右。但当车轮产生多边形现象时，轮轨冲击力急剧增长至10 t以上，是原来的100倍。因此轮轨冲击力和加载频次急剧上升会对车轮及走行部造成累积损伤。现场运用发现，存在多边形现象的车轮，常伴随有踏面内部周期分布的裂纹故障。例如前述和谐某型6071机车2轴左轮外观检查无异常，但不落轮车床旋修前测量车轮径跳2 mm，旋修过程中发现踏面内部存在整圈缺陷(如图9所示)。为修复内部缺陷，最终旋修深度达到15～25 mm。此类裂纹的产生与车轮多边形引起的连续轮轨冲击作用密切相关，因此对多边形车轮提早发现并及时旋修能够避免踏面内部裂纹，节约车轮旋修损耗、提高旋修效率以及机车运行安全。

图7 和谐某型0429车5轴左轮旋修周期内车轮多边形演变过程

5 TPDS在机车车轮检修中的运用建议

目前机车运用中TPDS系统多边形报警可为三级。根据现场测量数据，TPDS探测机车轮轨冲击当量与车轮径跳量呈线性正相关(见图10)，最严重报警级别(冲击当量23及以上)车轮径跳范围0.75 mm以上，平均径跳量为1.14 mm；次严重报警级别(冲击当量21～22)车轮径跳范围0.5～1.0 mm，平均径跳量为0.69 mm；初级报警级别(冲击当量19～20)车轮径跳范围0.5～0.75 mm，平均径跳量为0.67 mm；暂未纳入报警的损伤(冲击当量16-18)车轮径跳范围0.32～0.5 mm，平均径跳量为0.45 mm。建议在机车车轮运用检修中，对TPDS机车车轮二级报警车轮，特别是多边形阶次多的车轮，应及时扣修。

经统计，2018年下半年TPDS系统对机车车轮最严重报警级别报警率为7.8‰，而同期客车、货车车轮最高级报警率均小于0.1‰。机车车轮报警率大幅高于客车、货车报警率，原因有二。一是机车的检修理念尚停留在针对可见损伤的维修，因缺乏有效检测手段，未能针对车轮多边形进行有效检测。二是铁路客车、货车均有统一明确的运规要求，针对TPDS最高级报警车轮会及时扣修，而机务尚未有相关运用检修标准。

回顾客车、货车车轮检修的发展，货车自2008年TPDS监测车轮踏面全面应用以来，货车踏面损伤由2008年的15.19%逐步下降至2018年的0.1‰以下。客车自2015年应用以来，客车踏面损伤报警率由2015年的1.37%下降到2018年的0.1‰以下。因此随着检修理念的转变，监测设备的补强和运用规程的完善，机车车轮也同样可以实现大幅度改善。

图8 和谐某型6071机车2轴左轮旋修周期内车轮多边形演变过程

图9 机车踏面内部裂纹

6 结束语

(1)机车车轮多边形的产生与牵引工况、运行速度和线路条件密切相关。总体上，牵引、制动功率输出大的运用条件下车轮多边形故障占比更高。在形成多边形故障的车轮中：客运机车以4～6边形车轮为主，货运机车以8～20边形车轮为主；平原直线易产生规则分布多边形，山区曲线易产生不规则分布多边形，长大坡道易产生局部多边形。

图10 冲击当量与车轮径跳量的对应关系

(2)机车车轮多边形的发展经历前期长期孕育，中期阶次快速扩展和后期径跳急剧增长的3个阶段。后期径跳量的增长累积损伤大，需及时扣修。

(3)建议转变机车车轮检修运用理念。检修中从外观可见的自主修向检测预警的规程修转变，建立基于安全监测设备报警结果的扣修规程，加大对外观检查无异常但损伤程度更高的多边形故障的检修力度；运用中从粗放单一运用向精细多元运用转变，结合车轮多边形的发展规律，适时调整管内机车运行交路和牵引工况，降低车轮多边形发生概率。

(4)机车车轮多边形故障是不可避免的，从机车运用经济性方面考虑，应综合运用里程、牵引总量、车轮旋修效率和车轮损耗4个方面，研究提出最优旋修策略，从而提高机车车轮运用经济性和安全性。