■ 李旭偉??秦菊??陳天柱??于國丞??李甫永

TPDS在城軌車輛狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用展望

■ 李旭偉??秦菊??陳天柱??于國丞??李甫永

軌道車輛和線路的作用問題是軌道交通輪軌接觸式運(yùn)輸?shù)幕締栴}，減少輪軌間的異常磨耗是保證運(yùn)營安全、提高車輛維修經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。闡述地面輪軌力監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）的測試原理、在鐵路動客貨車車輛運(yùn)行安全監(jiān)控方面發(fā)揮的重要作用，以及在指導(dǎo)車輛造修方面取得的效果。因城市軌道交通車輛同樣存在輪軌磨耗問題，提出將TPDS輪軌力測試技術(shù)及裝備應(yīng)用于城市軌道交通，并進(jìn)行車輛狀態(tài)實時在線監(jiān)控的展望。

城軌車輛；踏面損傷；輪緣磨耗；TPDS；輪軌力；監(jiān)測；全連續(xù)

輪軌關(guān)系是軌道交通區(qū)別于其他交通方式的核心所在，軌道交通車輛通過近似錐形踏面的車輪與鋼軌的準(zhǔn)剛性滾動接觸，具有阻力小、運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)性好的特點，但因輪軌間準(zhǔn)剛性接觸，輪軌磨耗不可避免。如何降低輪軌間的異常磨耗，各國均開展了相關(guān)研究。從車輛角度來講，一方面，輪對踏面故障會導(dǎo)致輪軌磨耗異常增加，如踏面損傷（不圓、擦傷、剝離、碾堆、局部凹陷等）會導(dǎo)致強(qiáng)烈輪軌垂向作用，產(chǎn)生較大輪軌沖擊力，加劇對車輛部件和軌道的磨耗、傷損；另一方面，車輛參數(shù)不合理，如輪軌匹配、構(gòu)架對輪對的約束、車體對構(gòu)架的約束等，可能導(dǎo)致輪軌磨耗增加、車輛運(yùn)行穩(wěn)定性下降。上述問題均會導(dǎo)致運(yùn)營成本的增加，嚴(yán)重時可能危及行車安全[1-2]。因此，車輪踏面損傷、車輛橫向動力學(xué)性能不良是影響車輛正常運(yùn)用的關(guān)鍵因素，必須進(jìn)行深入研究、有效監(jiān)控，在保證運(yùn)營安全的前提下提高車輛的維修經(jīng)濟(jì)性。

1 地面輪軌力監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）概述

1.1 測試原理

TPDS采用“剪力+支撐力”的連續(xù)輪軌力測試原理[3-5]，連續(xù)測區(qū)長度達(dá)到米級（見圖1、圖2），測區(qū)長度6 m；由于TPDS連續(xù)輪軌力測區(qū)較長，可測得一段較長時間內(nèi)車輪垂向力增減變化的平均值，而不是波動過程的某個瞬時值，不僅提高檢測精度、整個輪周踏面損傷的捕捉率及橫向動力學(xué)性能的識別，還大大提高了系統(tǒng)適用的速度范圍。這一新方法徹底打破了常規(guī)檢測裝置檢測功能單一的局面，使得同時測量車輪踏面損傷、車輛橫向動力學(xué)性能、車輛超載、偏載等成為可能。長距離全連續(xù)輪軌力測試原理為車輛車輪踏面損傷及其類別的準(zhǔn)確識別、車輛蛇行失穩(wěn)波長的穩(wěn)定捕捉創(chuàng)造了有利條件。多邊形輪對輪軌力實測圖見圖3，有砟軌道及無砟軌道TPDS設(shè)備安裝見圖4。

圖1 五單元測區(qū)連續(xù)布置垂向力原理圖

圖2 五單元測區(qū)連續(xù)布置橫向力原理圖

圖3 多邊形輪對輪軌力TPDS實測圖

圖4 TPDS安裝圖

1.2 系統(tǒng)功能

TPDS采用長距離輪軌力全連續(xù)測量技術(shù)，實現(xiàn)車輛輪軌間動力學(xué)參數(shù)的動態(tài)檢測。主要功能包括：根據(jù)綜合考慮輪軌沖擊載荷、速度及輪質(zhì)量的沖擊當(dāng)量法，自動識別車輪踏面損傷（包括多邊形、擦傷、剝離、碾堆、動不平衡等）；采用“分散檢測、網(wǎng)絡(luò)集中報警”的方法，動態(tài)識別橫向動力學(xué)性能不良車輛；根據(jù)檢測的城軌車輛輪質(zhì)量、軸重、前后轉(zhuǎn)向架質(zhì)量及車輛總質(zhì)量，自動識別車輛超載和偏載（包括前后偏、左右偏）。

2 TPDS在鐵路車輛的應(yīng)用效果

TPDS通過輪軌力的實時連續(xù)檢測，能夠自動識別車輪踏面故障、橫向動力學(xué)性能不良車輛及車輛超偏載，集多項功能于一體，具有測試原理先進(jìn)、測試精度高等特點。TPDS在鐵路動客貨車尤其是客貨車方面進(jìn)行了大規(guī)模推廣應(yīng)用，并已納入鐵路建設(shè)及運(yùn)輸安全管理的相關(guān)規(guī)范中[6-7]。截至2015年底，我國鐵路安裝TPDS設(shè)備145套，在保障車輛運(yùn)營安全及指導(dǎo)車輛造修方面發(fā)揮了重要作用，取得了較好的應(yīng)用效果。

2.1 貨車應(yīng)用

TPDS于2001年通過原鐵道部組織的產(chǎn)品鑒定，應(yīng)用于貨車車輛狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控，并分別于2003年、2005年、2008年進(jìn)行了大規(guī)模建設(shè)。自TPDS投入運(yùn)用以來，發(fā)現(xiàn)大量車輪踏面損傷、車輛橫向動力學(xué)性能不良及超偏載等案例，各級車輛運(yùn)用部門通過對TPDS預(yù)報的車輛故障及時扣修，車輛狀態(tài)明顯提升，燃切軸等事故大幅下降。自2008年以來，貨車踏面損傷報警率由2008年的15．19%下降到2015年的0．77%，降幅達(dá)95%（見圖5）。同時，同期車輛關(guān)鍵部件裂損類典型故障也大幅下降，如搖枕裂損、側(cè)架裂損、制動梁故障等下降幅度均超過94%。2016年以來，車輛部門對TPDS預(yù)報的因輪徑差偏大、輪緣磨耗超限等導(dǎo)致橫向動力學(xué)性能不良車輛進(jìn)行了嚴(yán)格扣修（見圖6），極大降低了列車脫軌的可能性。

圖5 TPDS貨車踏面損傷報警比例趨勢圖

2.2 客車應(yīng)用

2011年12月22日—2012年3月8日，連續(xù)發(fā)生9起客車保持架破損事故，事故溯源均與車輪踏面損傷相關(guān)。輪對踏面損傷是客車保持架斷裂、構(gòu)架裂損、一系鋼簧折斷等的重要外因。通過TPDS在客車監(jiān)測方面的運(yùn)用試點后，中國鐵路總公司將TPDS納入新版《鐵路客車運(yùn)用維修規(guī)程》，對客車輪對實行狀態(tài)修。自TPDS投入客車應(yīng)用以來，根據(jù)TPDS報警，月均扣修車輪1 700多條（見圖7），較好保障了客車的運(yùn)用安全。

2.3 高速動車組應(yīng)用

2016年1月，無砟軌道TPDS在蘭新第二雙線開通運(yùn)行，進(jìn)行動車組車輪狀態(tài)監(jiān)測，截至2016年9月底，共監(jiān)測動客車5 755列、57 442輛。近2個月來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營的CRH2、CRH5型動車組中，部分車輪存在不同程度的多邊形（圖8為CRH2型動車組某車28邊形車輪鏇修前后的地面實測波形圖）?？梢?，鏇修后TPDS監(jiān)測到的該輪對輪軌超高頻垂向力明顯減小。

圖6 TPDS運(yùn)行品質(zhì)不良預(yù)報及扣修輛數(shù)對比

圖7 TPDS客車月扣修車輪數(shù)量

圖8 CRH2型動車組某車28邊形車輪鏇修前后地面實測波形圖

目前，蘭新高鐵TPDS已對開行的42組高速動車組實現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測，對輪對磨耗趨勢實現(xiàn)長期跟蹤。

3 城軌車輛車輪磨耗監(jiān)控現(xiàn)狀

城軌車輛運(yùn)營速度雖然沒有普速、高鐵列車運(yùn)行速度高，但城軌線路站間距短、車站多、制動頻繁，城軌車輛運(yùn)營環(huán)境相對復(fù)雜，列車各部件隨運(yùn)行里程的增加磨損也越來越嚴(yán)重。車輪作為輪軌接觸的關(guān)鍵部件，其技術(shù)狀態(tài)直接關(guān)系到列車運(yùn)行安全[8]。據(jù)統(tǒng)計，北京、上海、廣州、深圳等地鐵公司城軌車輛在運(yùn)營過程中，車輪踏面、輪緣均經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的異常磨耗。車輪踏面類故障主要是踏面擦傷（見圖9）、剝離、碾堆、輪對失圓、多邊形輪對、徑向跳動超限等。部分城軌線路運(yùn)行的車輛車輪輪緣磨耗異常嚴(yán)重，例如：北京地鐵13號線DKZ5型電動客車車輪輪緣磨耗速率達(dá)到0．4 mm/萬km（2012年和2013年）[9]；廣州地鐵3號線車輪輪緣平均磨耗率達(dá)到0．4 mm/萬km（2009年12月—2010年1月），最大時輪緣磨耗率達(dá)到1．9 mm/萬km[10]。輪緣異常磨耗主要由車輛走行部橫向動力學(xué)性能變差所導(dǎo)致。

圖9 車輪踏面擦傷

目前，對城軌車輛車輪踏面損傷、輪緣磨耗的動態(tài)檢測方法有圖像法踏面擦傷檢測、加速度法踏面擦傷檢測、激光輪對尺寸檢測等，雖在部分地鐵公司有一定應(yīng)用，但因檢測系統(tǒng)自身測試原理等方面問題，應(yīng)用效果有限，且檢測信息無法指導(dǎo)車輛造修。為了城軌車輛的運(yùn)營安全，維修部門通常采取對整列車輪對進(jìn)行定期鏇修的方式保證車輛的運(yùn)行安全，但這種方式大大縮短了輪對使用壽命，降低了輪對的使用經(jīng)濟(jì)性。

4 TPDS在城軌交通中的應(yīng)用展望

通過對TPDS在動客貨車狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用效果分析可知：TPDS能夠較好地捕捉到輪對故障（如擦傷、失圓、多邊形等損傷）、輪對偏磨及輪徑差偏大導(dǎo)致的橫向動力學(xué)性能不良的車輛，對運(yùn)管修具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。因此，針對城軌車輛存在的車輪踏面、輪緣磨耗等問題，可將TPDS測試技術(shù)及裝備移植至城軌交通系統(tǒng)，對城軌車輛狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。TPDS移植工作已納入軌道交通系統(tǒng)測試國家工程實驗室項目規(guī)劃（發(fā)改辦高技［2016］584號文已批復(fù)），目前正處于籌建階段。

TPDS應(yīng)用于城市軌道交通，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)指導(dǎo)車輪鏇修、定量評價車輛動力學(xué)性能，從而為車輛從“定期修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變提供可靠的科學(xué)手段。同時，也可以用來評價城軌車輛的設(shè)計制造、維修質(zhì)量及新車的設(shè)計定型等。TPDS的應(yīng)用必將全面提升城軌交通的安全保障水平，降低運(yùn)營維護(hù)成本。

[1] 黃毅．鐵路貨車運(yùn)行品質(zhì)影響因素分析及安全保障技術(shù)體系完善[J]．中國鐵路，2016(5)：38-44．

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[3] 李甫永，李旭偉，秦菊，等．TPDS在鐵路貨車車輪踏面損傷監(jiān)測中的應(yīng)用分析[J]．鐵道建筑，2015(5)：136-138．

[4] 凌烈鵬，李旭偉，柴雪松，等．高速鐵路動車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J]．鐵道建筑，2015(1)：71-83．

[5] 李甫永，李旭偉，凌烈鵬，等．鐵路客貨車通用運(yùn)行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)TPDS的研制[J]．鐵道建筑，2015(4)：130-134．

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[7] 鐵運(yùn)［2006］27號 鐵路客車運(yùn)用維修規(guī)程[S]．

[8] 皮曉龍，楊峰．南京地鐵2號線車輛輪對異常磨耗分析與對策[J]．中國鐵路，2014(11)：93-95．

[9] 郭燕輝．城軌車輛車輪輪緣異常磨耗原因及措施分析[J]．中國鐵路，2016(6)：98-101．

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李旭偉：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，副研究?員，北京，100081

秦菊：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，助理研究?員，北京，100081

陳天柱：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，助理研究?員，北京，100081

于國丞：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，高級工程?師，北京，100081

李甫永：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，副研究?員，北京，100081

責(zé)任編輯高紅義

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1672-061X（2016）06-0068-04