李甫永，李旭偉，凌烈鵬，秦菊，陳天柱

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路客貨車通用運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPDS的研制

李甫永，李旭偉，凌烈鵬，秦菊，陳天柱

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

客車車輪踏面損傷形式多樣，監(jiān)測(cè)主要依靠人工，容易造成漏檢，而病害漏檢會(huì)給行車帶來安全隱患。針對(duì)監(jiān)測(cè)鐵路客車車輪踏面損傷和車輛動(dòng)力學(xué)性能運(yùn)行品質(zhì)的要求，在既有鐵路貨車TPDS的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化電磁兼容設(shè)計(jì)、建立客車踏面損傷評(píng)判模型和改進(jìn)測(cè)試區(qū)平臺(tái)，研制出了客貨車通用TPDS。該系統(tǒng)能夠識(shí)別鐵路客貨車車輛運(yùn)行狀態(tài)，獲得車輪踏面損傷情況，監(jiān)測(cè)車輛超偏載，為鐵路客貨車行車安全提供技術(shù)保障。

客貨通用TPDS 電磁兼容 踏面損傷

鐵路客車車輪踏面損傷監(jiān)測(cè)主要依靠人工?？蛙囓囕喬っ鎿p傷形式多樣，其中車輪失圓約占踏面損傷的30%，危害極大，且難以被人工監(jiān)測(cè)出。2013年發(fā)現(xiàn)的客車軸承保持架裂損均與車輪失圓有關(guān)，2013年12月30日發(fā)生209P型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁開裂的主要外因也是車輪失圓［1］。貨車車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Truck Performance Detection System，TPDS)［2-4］可以有效監(jiān)測(cè)到客貨車踏面損傷，避免重大安全事故的發(fā)生，提高客貨車運(yùn)營的安全性。但是原有的TPDS是為鐵路貨車運(yùn)行監(jiān)測(cè)而研制的，系統(tǒng)的抗電磁干擾能力比較差，踏面損傷評(píng)判模型和連續(xù)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度在定量分析上無法滿足鐵路客車運(yùn)行品質(zhì)監(jiān)測(cè)的要求。因此，在既有貨車TPDS的基礎(chǔ)上研制客貨車通用TPDS，有效監(jiān)控列車運(yùn)行品質(zhì)，為鐵路客車和貨車的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解決方案

結(jié)合貨車TPDS的使用經(jīng)驗(yàn)［5-6］，在設(shè)計(jì)鐵路客貨車通用TPDS時(shí)，為滿足鐵路客車運(yùn)行品質(zhì)監(jiān)測(cè)的要求，提出了以下解決方案。

1.1 優(yōu)化電磁兼容設(shè)計(jì)

在鐵路上運(yùn)營的貨物列車，只有機(jī)車上有少量電磁干擾源;而安裝在客車上的機(jī)電、通信、輸電線路和照明器具等電氣類設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電磁能發(fā)射，對(duì)地面的TPDS探測(cè)站設(shè)備可產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，干擾源距離輪軌力監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離也更近。因此，客車使用TPDS消除電磁干擾比貨車更重要，也更困難。

TPDS的輪軌力測(cè)試傳感器信號(hào)為毫伏級(jí)的小應(yīng)變信號(hào)，需要經(jīng)過信號(hào)傳輸和信號(hào)調(diào)理單元的放大、濾波和整形后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在鐵路客車上使用的TPDS如果沿用既有貨車TPDS中的電磁干擾消除方法，會(huì)造成干擾信號(hào)混入應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)中，使采集的數(shù)據(jù)失真，直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確評(píng)判，或者將干擾信號(hào)誤認(rèn)為合理信號(hào)使車輛的分軸計(jì)輛發(fā)生錯(cuò)誤。圖1為客車踏面損傷正常波形及電磁干擾波形?？梢钥闯觯徊扇∠姶鸥蓴_的措施，干擾波形和踏面損傷正常輪軌力波形不容易區(qū)分，容易造成踏面損傷的誤判。TPDS監(jiān)測(cè)的動(dòng)車組正常波形及電磁干擾波形見圖2?？梢?，動(dòng)車組輪軌力波形中混雜了大量的電磁干擾信號(hào)，從而使自動(dòng)分析軟件在分軸計(jì)輛時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，無法生成動(dòng)車組列車監(jiān)測(cè)信息報(bào)文。因此，必須針對(duì)鐵路客車電磁環(huán)境研制相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理采集設(shè)備。

為了消除電磁干擾，從傳感器應(yīng)變信號(hào)的采集、傳輸、放大及調(diào)理、整形濾波到數(shù)字信號(hào)的計(jì)算機(jī)處理，都進(jìn)行了多層次的干擾消除處理，綜合使用了屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、布線技術(shù)、濾波技術(shù)和磁環(huán)抑制技術(shù)。對(duì)供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)也進(jìn)行了改進(jìn)，研制了客貨共用TPDS。升級(jí)后的信號(hào)調(diào)理采集設(shè)備采用了通用的插卡式設(shè)計(jì)，方便檢修及更換。

升級(jí)后的信號(hào)調(diào)理采集設(shè)備通過了電磁兼容試驗(yàn)，并在北京鐵路局廊坊TPDS探測(cè)站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)用，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見圖3。

圖1 客車踏面損傷正常波形及電磁干擾波形

圖2 動(dòng)車組正常波形和電磁干擾波形

圖3 TPDS信號(hào)調(diào)理采集設(shè)備升級(jí)前后丟列比對(duì)比

由圖3可見，監(jiān)測(cè)的丟列比較信號(hào)調(diào)理采集設(shè)備升級(jí)前有了大幅度的下降，尤其是動(dòng)車的丟列比由63%下降到了0，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車的全部監(jiān)測(cè)，這充分說明了抗電磁干擾措施的有效性。

1.2 建立客車踏面損傷評(píng)判模型

鐵路客車踏面損傷形式包括擦傷、剝離、局部凹入、碾堆、多邊形輪對(duì)、動(dòng)不平衡等多種形式，無論哪種形式的踏面損傷都會(huì)引起輪軌間的沖擊作用，給軌道和車輛的結(jié)構(gòu)帶來危害。其踏面損傷的危害程度與其形狀、位置、性狀關(guān)系密切，難以用單一幾何量來準(zhǔn)確反映踏面損傷的危害程度。TPDS通過對(duì)輪軌間沖擊力的監(jiān)測(cè)，綜合考量輪重及速度等因素，得到?jīng)_擊當(dāng)量，從而對(duì)多種形式的踏面損傷做出合理、一致的評(píng)判，因而評(píng)判踏面損傷的危害程度更為科學(xué)。

既有貨車TPDS踏面損傷模型是在幾億輪次的鐵路貨車車輪監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上建立的，在貨車踏面損傷的分析中應(yīng)用效果很好［7-8］。但是TPDS要在客車踏面損傷方面應(yīng)用，必須重新建立客車的踏面損傷評(píng)判模型。建模時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

1)輪重差別。鐵路客車和貨車在輪重方面存在明顯差別。貨車空車輪重在2.5 t左右，重車輪重超過10 t，貨車的輪重分布主要集中在空車和重車兩頭;客車空車和重車的輪重分布差別不大，均為7 t左右。

2)速度差別。貨車運(yùn)營速度不超過120 km/h，大部分貨車的運(yùn)營速度在80 km/h以下，而客車的運(yùn)營速度可達(dá)到120～160 km/h。TPDS采用被動(dòng)測(cè)量方式，同一類車輛踏面損傷的分布應(yīng)與通過探測(cè)站的速度無關(guān)。但是，采用貨車踏面損傷評(píng)判模型來評(píng)判客車踏面損傷在速度修正上存在明顯偏差，表現(xiàn)出與速度相關(guān)。如圖4所示，鐵路普快客車踏面損傷報(bào)警比例隨速度升高而基本單調(diào)上升。圖5為普快客車與棚車踏面損傷報(bào)警的沖擊當(dāng)量平均值隨速度的變化。普快客車踏面損傷報(bào)警的沖擊當(dāng)量平均值隨速度上升而明顯上升，而棚車基本與速度無關(guān)。上述分析表明，目前應(yīng)用于客車踏面損傷的貨車TPDS評(píng)判模型關(guān)于速度的修正存在偏差。

圖4 普快客車踏面損傷報(bào)警比例與速度的關(guān)系

圖5 普快客車與棚車的沖擊當(dāng)量平均值與速度關(guān)系的比較

3)結(jié)構(gòu)差別。鐵路客車和貨車在一系懸掛上存在顯著差異。貨車是通過承載鞍傳遞載荷，而客車是通過一系彈簧傳遞載荷。

4)維修標(biāo)準(zhǔn)差別。鐵路貨車和客車在處理車輪踏面損傷方面的維修標(biāo)準(zhǔn)有明顯差別。在踏面擦傷及局部凹入深度方面，貨車運(yùn)用限度是1 mm［9］，客車運(yùn)用限度則為0.5 mm［10］。在踏面剝離長(zhǎng)度方面，貨車運(yùn)用限度為一處踏面剝離長(zhǎng)度不大于50 mm，兩處踏面剝離長(zhǎng)度均不大于40 mm;而客車運(yùn)用限度為一處踏面剝離長(zhǎng)度不大于30 mm，兩處踏面剝離長(zhǎng)度均不大于20 mm?？梢?，客車踏面損傷的運(yùn)用限度明顯嚴(yán)于貨車。

由于鐵路客車在車輪輪重、運(yùn)行速度、車輛結(jié)構(gòu)以及維修標(biāo)準(zhǔn)等方面與貨車有很大差異，研制鐵路客貨車通用TPDS時(shí)，在客貨車踏面損傷的評(píng)判上必須采用不同的評(píng)判模型。分析了2011—2012年全路貨車TPDS探測(cè)站一億輪次客車沖擊力、輪重、速度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了TPDS客車踏面損傷模型。

1.3 改進(jìn)測(cè)試區(qū)平臺(tái)

既有貨車TPDS測(cè)試區(qū)平臺(tái)見圖6。由22根混凝土軌枕組成框架式軌道測(cè)試區(qū)平臺(tái)，可以降低線路因素對(duì)車輛輪軌力測(cè)試的影響，保證測(cè)試結(jié)果反映車輛自身的動(dòng)力學(xué)特征。為有效區(qū)分貨車同一轉(zhuǎn)向架的不同輪對(duì)，每個(gè)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定為1.6 m，共分為3個(gè)測(cè)試區(qū)，有效連續(xù)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度4.8 m。貨車TPDS利用該測(cè)試區(qū)可以實(shí)現(xiàn)貨車蛇行失穩(wěn)的大半波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。由于客車車輛定距和轉(zhuǎn)向架軸距較貨車長(zhǎng)，蛇行失穩(wěn)波長(zhǎng)較貨車長(zhǎng)，有效測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度須擴(kuò)展至6 m才能適應(yīng)客車蛇行失穩(wěn)探測(cè)的需求。

圖6 既有貨車TPDS測(cè)試區(qū)平臺(tái)

另外，為了既有貨車TPDS測(cè)試區(qū)平臺(tái)在不增加硬件數(shù)量的情況下加長(zhǎng)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度，軌枕間距設(shè)計(jì)為760 mm，與標(biāo)準(zhǔn)的600 mm軌枕間距不同。而隨著鐵路運(yùn)輸密度的增加，正線均采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行道床養(yǎng)護(hù)作業(yè)。由于TPDS測(cè)試區(qū)平臺(tái)軌枕間距與標(biāo)準(zhǔn)軌枕間距存在差異，大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)較為困難，存在測(cè)試區(qū)平臺(tái)區(qū)段道床養(yǎng)護(hù)失修的情況，導(dǎo)致TPDS垂直力監(jiān)測(cè)精度下降。

鑒于此，重新研制了護(hù)輪軌型的新型軌道測(cè)試區(qū)平臺(tái)，見圖7。從測(cè)試區(qū)軌道結(jié)構(gòu)可以看出，新型軌道測(cè)試區(qū)平臺(tái)取消了原軌枕端部的縱向連接，在軌枕中部采用了2根護(hù)輪軌進(jìn)行縱向連接，保持了原有軌道測(cè)試區(qū)平臺(tái)的整體性和抗扭曲的性能。同時(shí)，軌枕間距由760 mm改為了普通線路的600 mm，方便了大型養(yǎng)路機(jī)械養(yǎng)護(hù)作業(yè)。為實(shí)現(xiàn)鐵路客貨車車輛運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，連續(xù)測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度由既有的3個(gè)測(cè)試區(qū)共4.8 m，擴(kuò)展為5個(gè)測(cè)試區(qū)共6.0 m。長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)試區(qū)布置見圖8。新型測(cè)試區(qū)平臺(tái)既保證了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和踏面損傷的捕獲率，又可捕獲鐵路客貨車車輛蛇行失穩(wěn)的波長(zhǎng)信息。

圖7 客貨共用軌道測(cè)試區(qū)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖8 客貨共用TPDS長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)試區(qū)布置

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)站監(jiān)測(cè)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路軌邊探測(cè)站設(shè)備為無人值守、24 h不間斷工作，因此監(jiān)測(cè)軟件須具備自動(dòng)分析處理、無人為干預(yù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定工作能力，同時(shí)具備設(shè)備安裝期的調(diào)試、標(biāo)定、狀態(tài)測(cè)試等功能。針對(duì)設(shè)備工作情況，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)軟件主要包括動(dòng)態(tài)測(cè)量、數(shù)據(jù)回放、設(shè)備測(cè)試3個(gè)主功能模塊。該數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、信號(hào)波形顯示、被測(cè)參數(shù)自動(dòng)輸出、設(shè)備狀態(tài)自檢等綜合系統(tǒng)功能。TPDS數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖9。

2.2 客車檢修運(yùn)用軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，我國鐵路貨車和客車的運(yùn)用管理機(jī)制不同。貨車是無配屬管理，貨車日常運(yùn)用中存在的問題歸發(fā)生地所在鐵路局車輛段運(yùn)用車間負(fù)責(zé);而客車實(shí)行的是配屬管理，客車日常檢修運(yùn)用歸配屬鐵路局車輛段的運(yùn)用車間負(fù)責(zé)。因此，貨車和客車在檢修運(yùn)用軟件方面的需求是不同的。既有貨車TPDS運(yùn)用系統(tǒng)是針對(duì)貨車安全監(jiān)控與管理開發(fā)的，沒有針對(duì)客車安全監(jiān)控與管理的功能。因此需要研發(fā)針對(duì)TPDS客車監(jiān)控管理的運(yùn)用軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)包含了配屬車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、配屬車輛監(jiān)測(cè)信息查詢、報(bào)警車輛匯總、報(bào)警車輛反饋、配屬車輛運(yùn)行追蹤等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)過程閉環(huán)管理?？蛙嚈z修TPDS運(yùn)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖10。

圖9 TPDS數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾信號(hào)調(diào)理采集設(shè)備通過了電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證，并在北京鐵路局廊坊、南昌鐵路局向塘、梁家渡、潭崗和三江鎮(zhèn)等TPDS探測(cè)站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，效果良好?？蛙嚈z修運(yùn)用軟件自2013年以來在南昌鐵路局福州車輛段進(jìn)行了功能驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)客車動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，對(duì)提高客車檢修質(zhì)量和運(yùn)行品質(zhì)起到重要作用。新型客貨車共用TPDS測(cè)試平臺(tái)和傳感器儀表等設(shè)備已于2014年12月至2015年1月在北京鐵路局平南、正定TPDS探測(cè)站進(jìn)行試裝驗(yàn)證。另外，還將于2015年上半年在南昌鐵路局蘆溪TPDS探測(cè)站和廣鐵集團(tuán)白馬壟TPDS探測(cè)站進(jìn)行試裝驗(yàn)證。

圖10 客車檢修TPDS運(yùn)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

鐵路客貨車通用TPDS是一種在較高行車速度條件下，可識(shí)別鐵路客貨車車輛運(yùn)行狀態(tài)、識(shí)別車輪踏面損傷、車輛超偏載計(jì)量的多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能全、精度高、穩(wěn)定可靠、監(jiān)測(cè)信息多部門共享。從消除電磁干擾、建立客車踏面損傷評(píng)判模型和改進(jìn)測(cè)試平臺(tái)三個(gè)方面對(duì)既有貨車TPDS進(jìn)行了優(yōu)化，使客貨車監(jiān)測(cè)精度、踏面損傷捕獲率大為提高，同時(shí)可獲得狀態(tài)不良客貨車車輛的動(dòng)力學(xué)特征。鐵路客貨車通用TPDS可為鐵路客貨車運(yùn)輸安全管理提供技術(shù)保障。

［1］王興華，曾宇清．TPDS對(duì)客車踏面損傷監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析［J］．鐵道機(jī)車車輛，2014(10):83-86．

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［9］中華人民共和國鐵道部．鐵運(yùn)［2010］141號(hào)鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［10］中華人民共和國鐵道部．鐵運(yùn)［2006］27號(hào)鐵路客車運(yùn)用維修規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2006．

Development of TPDS(Truck Performance Detection System)for inspecting running quality of passenger and freight wagons

LI Fuyong，LI Xuwei，LING Liepeng，QIN Ju，CHEN Tianzhu
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he tread damage forms of passenger carriage wheel are various and were mainly monitored by artificial detection，which often caused the missing of disease detection and threatened the train operation safety．For the monitoring requirements of passenger carriage wheel tread damage and vehicle dynamic mechanical properties and running performance，the new T PDS for passenger and freight based on the former T PDS of railway freight car was developed by optimizing the electromagnetic compatibility，constructing the passenger carriage wheel tread damage evaluation model and improving the test platform，which can identify the vehicle running state of the railway passenger and freight car，obtain the wheel tread damage detection，monitor the vehicle overload and unbalanced load，and provide technical support for railway vehicle operation safety．

T PDS for passenger and freight wagons;Electromagnetic compatibility;T read damage

U216．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．34

1003-1995(2015)04-0130-06

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-11-20;

2015-02-20

中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2013YJ003)

李甫永(1978—)，男，山東萊蕪人，助理研究員，碩土。