田光榮, 于衛(wèi)東, 肖 齊, 蔣 薈, 喻冰春

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081)

截止2017年底，國(guó)鐵貨車保有量近80萬(wàn)輛。相比于動(dòng)車組和客車，貨車由于結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)、運(yùn)用工況等原因，其動(dòng)力學(xué)性能在一個(gè)服役周期中呈現(xiàn)較大的離散性。隨著中國(guó)鐵路總公司“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效”主題的提出，全面揭示通用貨車服役性能演變規(guī)律及其關(guān)鍵影響因素，對(duì)于保障貨運(yùn)安全、制定合理維修周期、改進(jìn)貨車設(shè)計(jì)具有重要意義。

由于貨車結(jié)構(gòu)性能的離散性，要全面分析通用貨車服役性能的演變規(guī)律，首先需要的就是大樣本的數(shù)據(jù)源。全路超過7 000臺(tái)套的車輛安全監(jiān)控設(shè)備為此提供了有力的條件。對(duì)于鐵路貨車動(dòng)力學(xué)性能，車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)為服役性能的分析提供了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。目前我國(guó)鐵路已基本建成了覆蓋干線的TPDS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，到2017年底，全路已建成的138套聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用TPDS設(shè)備，近年的年監(jiān)測(cè)頻次如圖1所示。2016年全路TPDS探測(cè)站共監(jiān)測(cè)鐵路車輛83 383 741輛次，其中運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警1 259輛次，TPDS在保障貨車安全運(yùn)營(yíng)方面發(fā)揮了重要作用。

圖1 TPDS年監(jiān)測(cè)頻次統(tǒng)計(jì)

TPDS是利用設(shè)在鐵路直線段上的軌道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)通過列車輪軌間的橫、垂向作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面損傷、超偏載的自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別；同時(shí)通過對(duì)車輛輪軌動(dòng)力學(xué)特性的分析，對(duì)貨車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)評(píng)判、聯(lián)網(wǎng)報(bào)警。

鑒于上述TPDS監(jiān)測(cè)樣本數(shù)和功能，以此分析研究鐵路貨車服役性能成為了可能。同時(shí)，貨車運(yùn)行狀態(tài)是否良好關(guān)系到運(yùn)行安全性，對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)成為了研究貨車服役性能的有效方法。

1 研究方法

TPDS是一種利用地面固定設(shè)施對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的安全設(shè)備，重要的一點(diǎn)是對(duì)貨車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)評(píng)判、聯(lián)網(wǎng)報(bào)警，其特點(diǎn)是監(jiān)測(cè)成本低、對(duì)象多、頻次高，但具體到單次監(jiān)測(cè)則包含了一些隨機(jī)因素(如沖角、編組、列車縱向力等)的影響。因此，TPDS對(duì)貨車運(yùn)行狀態(tài)評(píng)判的總體原則是"分散檢測(cè)、集中報(bào)警"，具體過程包括①探測(cè)站數(shù)據(jù)采集；②基本參數(shù)計(jì)算；③探測(cè)站評(píng)分；④聯(lián)網(wǎng)評(píng)判4個(gè)步驟。單個(gè)TPDS探測(cè)站對(duì)通過速度大于50 km/h(有效通過)的空車進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分，TPDS查詢中心匯集了全路TPDS探測(cè)站評(píng)分，在此基礎(chǔ)上對(duì)每輛貨車進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)評(píng)判。TPDS聯(lián)網(wǎng)評(píng)判采用了“滑動(dòng)累加”的方法，“滑動(dòng)累加”的窗口長(zhǎng)度為7次有效通過，即對(duì)每輛貨車采用其最近7次有效通過(空車50 km/h以上)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分之和作為該車運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)評(píng)分，運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)評(píng)分表征了該車近期的動(dòng)力學(xué)性能。圖2給出了2011—2016年TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警數(shù)的比較結(jié)果。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，通用貨車中保有量最大車型為敞車，因此以敞車為研究

對(duì)象，分析其服役性能演變規(guī)律。匯總分析預(yù)警車輛故障原因，確定引起車輛預(yù)警典型故障，制定相應(yīng)的改進(jìn)和控制措施，指導(dǎo)車輛造修及運(yùn)用管理，保證車輛運(yùn)行性能穩(wěn)定，為車輛運(yùn)營(yíng)速度進(jìn)一步提高積累經(jīng)驗(yàn)。整個(gè)分析思路和方法如圖3所示。

圖2 2011—2016年度TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警數(shù)比較(分車型)

圖3 TPDS分析貨車服役性能演變規(guī)律流程圖

主要技術(shù)路線：利用全年段修到期車，查詢TPDS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，匹配HMIS廠段修日期，得到每一輛車上一個(gè)運(yùn)用周期內(nèi)每月TPDS 聯(lián)網(wǎng)積分、TPDS單次評(píng)分的平均值及最大值，按車型、段修期、運(yùn)用時(shí)間進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，得到鐵路貨車(根據(jù)目前貨車的保有量，敞車占比最大，因此僅以敞車為例進(jìn)行分析)服役動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律。同時(shí)，結(jié)合TPDS運(yùn)行狀態(tài)大值車輛的專項(xiàng)質(zhì)量調(diào)研，深入分析TPDS運(yùn)行狀態(tài)大值車輛分解檢測(cè)結(jié)果，明確TPDS運(yùn)行狀態(tài)大值車輛的檢修項(xiàng)點(diǎn)以及故障原因，并提出調(diào)整TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良運(yùn)用報(bào)警限度、明確檢修內(nèi)容等建議，以滿足貨車提速、達(dá)速安全保障的需求，同時(shí)在全面揭示鐵路貨車服役性能的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)貨車與故障預(yù)測(cè)和健康管理。

2 監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析

2.1 貨車服役性能演變規(guī)律分析

利用2015—2016年的段修到期敞車，車型包括C62AK、C62BK、C64H、C64K、C64T、C70、C70C、C70E、C70EH、C70H、C80、C80B、C80BH等，各車型檢修數(shù)量見表1～表2所示。

表1 2015年敞車檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1和表2對(duì)比可知，在2015和2016兩個(gè)年度的對(duì)比中，同一車型的列檢數(shù)基本維持在一個(gè)水平狀態(tài)，少數(shù)的不一致主要是因?yàn)樨涇嚤Ｓ辛恐懈鬈囆湍甓鹊淖兓恳约斑\(yùn)用的不同需求所引起。

根據(jù)圖3所示的分析方法，選取部分保有量大的敞車(軸重分別涵蓋21 t、23 t、25 t)作為分析對(duì)象，以2016年度為例，以TPDS監(jiān)測(cè)結(jié)果作為基礎(chǔ)，分析敞車服役性能演變規(guī)律。根據(jù)前述章節(jié)的分析方法，得到每一車型聯(lián)網(wǎng)積分大于等于50車輛輛數(shù)及比例、最近段修期內(nèi)聯(lián)網(wǎng)積分最大值的平均值、以及最近段修期內(nèi)每月聯(lián)網(wǎng)積分大于等于50車輛輛數(shù)、月聯(lián)網(wǎng)積分最大值均值、單次積分大值(≥15)車輛輛數(shù)(注：評(píng)分分為1～6級(jí)，1級(jí)代表車輛橫向晃動(dòng)或減載嚴(yán)重，2～5級(jí)依次變化，6級(jí)代表車輛未見明顯橫向晃動(dòng)或減載，各級(jí)對(duì)應(yīng)分值如表3所示)。

表2 2016年敞車檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 探測(cè)站評(píng)分與狀態(tài)積分

圖4 主型敞車月聯(lián)網(wǎng)積分最大值均值對(duì)比

根據(jù)圖4所示的結(jié)果可知，隨著運(yùn)用時(shí)間的增加，總體上各型敞車的月聯(lián)網(wǎng)積分最大值均值均呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。對(duì)于21 t軸重的C64K在到達(dá)第18個(gè)月左右(1.5年)的時(shí)候達(dá)到最大值，后續(xù)減?。粚?duì)于23 t軸重的C70在到達(dá)第24個(gè)月(2年)左右的時(shí)候達(dá)到最大值，后續(xù)減小，正對(duì)應(yīng)各自的段修周期，說明段修作業(yè)以及更換磨耗嚴(yán)重輪對(duì)的臨修作業(yè)，可以有效恢復(fù)各型敞車動(dòng)力學(xué)性能。換言之，其服役周期內(nèi)性能在一個(gè)段修周期內(nèi)隨著運(yùn)行時(shí)間的累積會(huì)發(fā)生較大的變化，且不同車型之間由于結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的不同也會(huì)存在差異。具有明顯差異的是C80型貨車，其在第12個(gè)月左右的時(shí)候達(dá)到了聯(lián)網(wǎng)積分的最大值，在第24個(gè)月左右時(shí)又一次達(dá)到峰值附近，也即1年左右是其服役性能的變化周期，但是C80貨車的段修周期是2年，因此初步分析認(rèn)為是在1年左右其運(yùn)行狀態(tài)不良聯(lián)網(wǎng)積分報(bào)警，進(jìn)而進(jìn)行扣修，扣修之后其積分下降，即動(dòng)力學(xué)性能恢復(fù)正常，這一點(diǎn)從前期在大秦線開展的運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警貨車質(zhì)量分解及追蹤的數(shù)據(jù)中得到了佐證。

此外，利用貨車健康管理PHM系統(tǒng)相關(guān)功能展開分析，圖5、圖6分別給出了1.5年和2年段修期貨車其TPDS運(yùn)行積分隨運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，其總體變化趨勢(shì)與圖4接近(個(gè)別車型存在差異)，同時(shí)也可知不同段修期貨車其積分均值之間會(huì)存在較大的差異，初步分析認(rèn)為是與車輛結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)、運(yùn)用工況存在關(guān)聯(lián)。

圖5 貨車運(yùn)行積分隨運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)(段修期1.5年)

圖6 貨車運(yùn)行積分隨運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)(段修期2年)

2.2 TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良積分分布統(tǒng)計(jì)

TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警的門檻值是運(yùn)行狀態(tài)不良積分達(dá)到110(注：國(guó)鐵貨車前期標(biāo)準(zhǔn)，目前已采用60分為閾值，大秦線采用的仍是110分)年涉及貨車僅幾百輛。新的60分值條件下，2016年全路運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警1 259輛次。為了更好地保障貨車提速和達(dá)速的安全性，以下對(duì)2016年非大秦線運(yùn)行狀態(tài)不良積分40以上按車型(主要以C64K和C70系列車)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。

可知，積分占比最高的為40～50分區(qū)間，進(jìn)而可推斷現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)即最近7次累積聯(lián)網(wǎng)積分60分的合理性，既保證了運(yùn)行安全性，又避免產(chǎn)生因不合理的報(bào)警和扣修而引起運(yùn)輸效率的下降。

圖7 2016年TPDS系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不良積分統(tǒng)計(jì)

2.3 檢修故障分析

結(jié)合在廣州和北京集中開展的兩次根據(jù)貨車TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良積分開展的質(zhì)量分解工作可知，輪徑差和旁承預(yù)壓縮量不足是導(dǎo)致貨車運(yùn)行狀態(tài)不良的主要因素，如圖8、圖9所示。通過進(jìn)一步的檢修故障分析結(jié)果得到段修周期內(nèi)輪軸類故障隨運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系，如圖10所示。此變化趨勢(shì)能較好的對(duì)應(yīng)于前述分析的運(yùn)行狀態(tài)不良積分的變化趨勢(shì)。

圖8 輪徑差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

通過利用地面輪軌力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)以敞車為代表的通用貨車動(dòng)力學(xué)性能演變規(guī)律深入分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過TPDS地面輪軌力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)貨車服役性能進(jìn)行較為有效的監(jiān)測(cè)和追蹤，為保證運(yùn)行安全和提供檢修建議奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

(2)貨車服役動(dòng)力學(xué)性能的演變規(guī)律與運(yùn)用周期內(nèi)的周轉(zhuǎn)量、速度、車型密切相關(guān)，通過對(duì)通用貨車服役動(dòng)力學(xué)性能的TPDS統(tǒng)計(jì)參數(shù)的對(duì)比分析，可以給合理制定維修周期、優(yōu)化維修標(biāo)準(zhǔn)及車輛設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持；

(3)現(xiàn)行TPDS關(guān)于貨車運(yùn)行狀態(tài)不良積分的報(bào)警閾值是合理的，可有效監(jiān)測(cè)橫向穩(wěn)定性較差的車輛；

(4)結(jié)合TPDS運(yùn)行狀態(tài)不良積分和專項(xiàng)質(zhì)量分解的結(jié)果，可針對(duì)性地指導(dǎo)貨車檢修工作。

圖9 旁承預(yù)壓縮量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖10 段修周期內(nèi)輪軸類故障按月統(tǒng)計(jì)圖