TPDS踏面損傷報(bào)警與貨車(chē)車(chē)輪踏面損傷成因分析

李傳翔 上海鐵路局南京東車(chē)輛段

輪對(duì)是鐵道車(chē)輛走行部的主要部件，踏面是輪對(duì)與鋼軌的接觸面，所以由于踏面損傷所產(chǎn)生的巨大沖擊力不僅會(huì)破壞軌道結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷軌等重大事故，而且對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)損害極大，如軸承、制動(dòng)梁端軸等，踏面損傷是燃切軸事故最重要的外因，因此對(duì)踏面損傷的監(jiān)測(cè)就變得非常重要，TPDS踏面損傷監(jiān)測(cè)功能正是為此而研發(fā)的。

1 TPDS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TPDS（Truck Performance Detection System）全稱(chēng)“貨車(chē)運(yùn)行品質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”（見(jiàn)圖1），是鐵路車(chē)輛安全防范、預(yù)警系統(tǒng)-“5T”系統(tǒng)之一。TPDS是針對(duì)貨車(chē)空車(chē)直線(xiàn)脫軌問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種軌邊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它利用設(shè)在軌道上的檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中貨車(chē)輪軌間的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，采用分散監(jiān)測(cè)、集中報(bào)警的方式對(duì)運(yùn)行狀態(tài)不良貨車(chē)進(jìn)行報(bào)警、追蹤、處理，以減少貨車(chē)提速后脫軌事故的發(fā)生；TPDS還兼有貨車(chē)超偏載報(bào)警和踏面損傷報(bào)警功能。

圖1 TPDS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

車(chē)輪踏面損傷檢測(cè)是TPDS的一個(gè)重要功能，其技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在測(cè)試平臺(tái)和評(píng)判模型兩個(gè)方面：

（1）目前既有的國(guó)內(nèi)外車(chē)輪踏面損傷檢測(cè)裝置一般是利用力、加速度、聲音傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)輪踏面損傷，其中采用力傳感器的檢測(cè)裝置最為科學(xué)，因?yàn)槠錂z測(cè)量直接反映了踏面損傷帶來(lái)的危害。目前采用力傳感器的車(chē)輪踏面損傷檢測(cè)裝置普遍存在的缺點(diǎn)是測(cè)試區(qū)間斷，在軌枕附近無(wú)法檢測(cè)，有些測(cè)區(qū)短，對(duì)踏面損傷的檢測(cè)率低；TPDS首次采用了高平順的框架式軌道平臺(tái)、高可靠性的二維板式傳感器和移動(dòng)垂直力測(cè)試新方法，連續(xù)測(cè)量區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到了4.8m，而貨車(chē)車(chē)輪全周長(zhǎng)為2.6m左右，所以TPDS可對(duì)車(chē)輪全周長(zhǎng)范圍內(nèi)的踏面損傷進(jìn)行檢測(cè)，踏面損傷檢測(cè)率較已有檢測(cè)設(shè)備大幅提高。

（2）國(guó)外的車(chē)輪踏面損傷評(píng)判一般采用絕對(duì)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如北美的設(shè)備，其特點(diǎn)是兌現(xiàn)率高，同時(shí)漏判率也高；TPDS創(chuàng)造性地采用了絕對(duì)與相對(duì)相結(jié)合的踏面損傷評(píng)判方法[1]，建立了輪軌沖擊作用力、輪重、速度參數(shù)的綜合評(píng)估模型，能對(duì)各型輪對(duì)損傷的危害做出合理的評(píng)判，具有兌現(xiàn)率高、漏判率低的特性，此項(xiàng)功能居國(guó)際領(lǐng)先水平。

因此無(wú)論測(cè)試平臺(tái)的硬件還是踏面損傷評(píng)判的軟件，TPDS較以往踏面損傷監(jiān)測(cè)設(shè)備有了質(zhì)的飛越，得到廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用。以往，踏面損傷主要是靠檢車(chē)員的眼看、手摸或利用第四種檢查器手工測(cè)量，這種方式往往受人的因素、故障部位、現(xiàn)場(chǎng)工作條件、氣候以及作業(yè)時(shí)間限制的影響，易發(fā)生漏檢、漏修。隨著TPDS設(shè)備的安裝以及其踏面損傷檢測(cè)功能運(yùn)用的深入，使上述人檢缺陷得以避免，有的鐵路局已實(shí)現(xiàn)機(jī)檢代替人檢，大大強(qiáng)化了對(duì)踏面損傷監(jiān)測(cè)力度，同時(shí)有效地減輕了列檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。2008年根據(jù)TPDS踏面損傷報(bào)警已扣修貨車(chē)超過(guò)一萬(wàn)輛。

2 踏面損傷的主要表現(xiàn)形式

車(chē)輪踏面損傷因產(chǎn)生的原因不同有多種表現(xiàn)形式，主要包括：①擦傷（如圖 2），②剝離（如圖 4），③碾堆（如圖 6），④局部凹入（如圖8）；其對(duì)應(yīng)的TPDS沖擊作用力波形分別見(jiàn)圖3、5、7、9，其中X軸代表TPDS測(cè)區(qū)長(zhǎng)度，Y軸代表輪軌間的沖擊作用力。其中踏面擦傷最為普遍，踏面擦傷是車(chē)輪與鋼軌滑動(dòng)摩擦的結(jié)果；踏面剝離是制動(dòng)熱負(fù)荷和機(jī)械疲勞負(fù)荷聯(lián)合作用所致；碾堆系制動(dòng)時(shí)閘瓦的金屬材料附著在車(chē)輪踏面上而形成的；踏面局部凹入產(chǎn)生的主要原因是車(chē)輪在熱處理加工過(guò)程溫度場(chǎng)不均勻。無(wú)論哪種形式的踏面損傷都會(huì)引起輪軌間的沖擊作用，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和車(chē)輛結(jié)構(gòu)帶來(lái)危害。列檢作業(yè)人員對(duì)不同形式的踏面損傷有不同的檢測(cè)參量，如擦傷測(cè)量深度，剝離測(cè)量長(zhǎng)度，而TPDS是統(tǒng)一地通過(guò)對(duì)輪軌間沖擊作用的監(jiān)測(cè)，綜合考量輪重及速度等因素，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)。

圖2 踏面損傷-擦傷

圖3 圖2對(duì)應(yīng)TPDS沖擊作用力波形

圖4 踏面損傷-剝離

圖5 圖4對(duì)應(yīng)TPDS沖擊作用力波形

圖6 踏面損傷-碾堆

圖7 圖6對(duì)應(yīng)TPDS沖擊作用力波形

圖8 踏面損傷-局部凹入

圖9 圖8對(duì)應(yīng)TPDS沖擊作用力波形

3 全路踏面損傷報(bào)警概況

表1以軸為單位，分別統(tǒng)計(jì)了全路TPDS探測(cè)站（不包括大秦線(xiàn)）、大秦線(xiàn)TPDS探測(cè)站以及大秦線(xiàn)配屬貨車(chē)的踏面損傷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為2008年7月1日至2008年12月31日。

表1 踏面損傷統(tǒng)計(jì)表

如表1所示，全路相當(dāng)比例的車(chē)輪存在踏面損傷，通過(guò)TPDS探測(cè)站（不包括大秦線(xiàn)）監(jiān)測(cè)，大約有5.62%的輪對(duì)存在不同程度的踏面損傷；配屬大秦線(xiàn)的貨車(chē)（如C80、C76系列），踏面損傷的比例明顯低得多，僅為0.054%；大秦線(xiàn)TPDS探測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包含了配屬大秦線(xiàn)貨車(chē)及其它通過(guò)貨車(chē)，因此，數(shù)據(jù)介乎其間，為1.22%。配屬大秦線(xiàn)的貨車(chē)只在大秦線(xiàn)循環(huán)運(yùn)行，車(chē)輛固定編組，固定區(qū)間運(yùn)行，除因扣車(chē)臨修或定期修外不進(jìn)行編組場(chǎng)作業(yè)，而其它貨車(chē)，除標(biāo)記禁止駝峰作業(yè)的車(chē)型（如PB車(chē)）外，都不可避免地要進(jìn)行駝峰作業(yè)。上述踏面損傷比例相差兩個(gè)量級(jí)，說(shuō)明貨車(chē)的運(yùn)用環(huán)境可能是踏面損傷形成的關(guān)鍵因素。

4 踏面損傷的成因分析

踏面損傷形成原因概括起來(lái)有以下兩大類(lèi)原因[2][3]：一方面是車(chē)輛因素，是由于車(chē)輛自身原因而導(dǎo)致的踏面損傷；另一方面是運(yùn)用環(huán)境因素，是車(chē)輛使用過(guò)程中外部因素導(dǎo)致的車(chē)輛踏面損傷，如駝峰作業(yè)等。

4.1 踏面損傷形成的車(chē)輛因素

（1）車(chē)輪質(zhì)量問(wèn)題：部分車(chē)輪在制造過(guò)程中由于熱處理不當(dāng)使得車(chē)輪踏面局部過(guò)軟，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)碾壓導(dǎo)致踏面上較軟部分凹入，從而形成踏面損傷的一種故障形態(tài)-局部凹入。在大秦線(xiàn)TPDS踏面損傷報(bào)警車(chē)輛中有一例該類(lèi)故障（如圖 10所示，車(chē)號(hào) 4370084，車(chē)型 C80，8位車(chē)輪），其最大踏面圓周磨耗達(dá)13.2mm，其余部位踏面圓周磨耗在7mm左右。從該車(chē)輪的TPDS原始數(shù)據(jù)波形（如圖11所示）中可見(jiàn)其空車(chē)（輪重約2.5噸左右）時(shí)沖擊力在20噸以上，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和車(chē)輛結(jié)構(gòu)危害極大，而且檢車(chē)員難以發(fā)現(xiàn)，需要依靠實(shí)時(shí)在線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

圖10 質(zhì)量問(wèn)題車(chē)輪

圖11 圖10對(duì)應(yīng)TPDS原始波形

（2）車(chē)輛制動(dòng)機(jī)質(zhì)量故障：一部分車(chē)輛的安全閥損壞，空氣壓力達(dá)到190kPa時(shí)不能排風(fēng)，安全閥失去作用，造成車(chē)輪擦傷。

（3）制動(dòng)波速不一致：由于目前我國(guó)貨車(chē)采用各種車(chē)型混編，各車(chē)型制動(dòng)機(jī)不同且制動(dòng)機(jī)的種類(lèi)比較多，而且各種閥的反應(yīng)速度不相同，造成混編列車(chē)中車(chē)輛制動(dòng)、緩解時(shí)間的差異，最先制動(dòng)和最后緩解的車(chē)輛不可避免地出現(xiàn)輪對(duì)踏面擦傷。

（4）空重車(chē)調(diào)整裝置：沒(méi)有安裝空重車(chē)調(diào)整裝置的貨車(chē)，空車(chē)時(shí)制動(dòng)力過(guò)大，容易產(chǎn)生踏面擦傷。

（5）其它因素：極少數(shù)車(chē)輛在運(yùn)行中，由于制動(dòng)杠桿系統(tǒng)發(fā)生故障，使車(chē)輛抱閘運(yùn)行，造成輪對(duì)擦傷。別外，由于基礎(chǔ)制動(dòng)裝置杠桿和拉桿位置異常，造成轉(zhuǎn)向架之間、各制動(dòng)梁之間和同一制動(dòng)梁2塊閘瓦之間制動(dòng)力不均勻，制動(dòng)力大的車(chē)輪則可能被擦傷。

4.2 踏面損傷形成的運(yùn)用環(huán)境因素

（1）編組場(chǎng)作業(yè)單側(cè)鐵鞋產(chǎn)生踏面擦傷：鐵路編組站駝峰溜放車(chē)輛，在緩行制動(dòng)過(guò)程中，往往造成車(chē)輪踏面擦傷，尤其是車(chē)輛從駝峰上溜放下來(lái)受到單側(cè)鐵鞋的阻力后，有鐵鞋的一側(cè)車(chē)輪被墊起，而另一側(cè)車(chē)輪由于停止轉(zhuǎn)動(dòng)與鋼軌發(fā)生劇烈摩擦，造成輪對(duì)單側(cè)踏面擦傷。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為車(chē)輛軸重的增加、溜放車(chē)組中車(chē)輛數(shù)目和重車(chē)比例的增加以及溜放速度的提高都進(jìn)一步加劇了車(chē)輪踏面擦傷的形成。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)本溪站調(diào)車(chē)作業(yè)的實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在使用單側(cè)鐵鞋作業(yè)的車(chē)輛中，輪對(duì)踏面擦傷率達(dá)到100%，其擦傷程度大小不一，擦傷范圍在0.5～2（mm）之間。因此，編組作業(yè)時(shí)使用單側(cè)鐵鞋是造成車(chē)輪單側(cè)踏面擦傷的重要原因。

（2）列車(chē)制動(dòng)不當(dāng)產(chǎn)生的踏面擦傷：調(diào)作業(yè)時(shí)，司機(jī)進(jìn)行了緩解，但未等列車(chē)緩解完畢便馬上啟動(dòng)，此時(shí)部分車(chē)輛尚未緩解，車(chē)輪產(chǎn)生滑行，造成擦傷；另一方面，由于長(zhǎng)大貨物列車(chē)的增加，列車(chē)在進(jìn)入列檢所停車(chē)時(shí)，均采用了二次停車(chē)，在這種情況下也易出現(xiàn)緩解不充分啟動(dòng)，造成踏面擦傷。

（3）空重車(chē)裝置調(diào)整不正確，如空重車(chē)塞門(mén)反打，造成空車(chē)制動(dòng)力過(guò)大；另外如空重車(chē)調(diào)整轉(zhuǎn)換塞門(mén)導(dǎo)架接口損壞，手柄在空車(chē)位，而轉(zhuǎn)換塞門(mén)實(shí)際在重車(chē)位，導(dǎo)致空車(chē)制動(dòng)力過(guò)大，造成車(chē)輪踏面擦傷。

5 TPDS踏面損傷報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析

以下通過(guò)C62B、C64K和C70三種車(chē)型的踏面損傷統(tǒng)計(jì)來(lái)分析踏面損傷形成的運(yùn)用環(huán)境因素，統(tǒng)計(jì)以大樣本為基礎(chǔ)，樣本數(shù)量見(jiàn)表2。

表2 TPDS踏面損傷報(bào)警統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量表

圖 12是 C62B、C64K和 C70三種車(chē)型 2008年 7月 1日到2008年12月31日期間，經(jīng)過(guò)大秦線(xiàn)延慶TPDS探測(cè)站次數(shù)與其踏面損傷比例之間的關(guān)系圖。其中X軸為參與統(tǒng)計(jì)的C62B、C64K和C70貨車(chē)通過(guò)大秦線(xiàn)延慶探測(cè)站最少次數(shù)，Y軸表示以軸為單位的踏面損傷比例。

從圖12可以看出，隨著進(jìn)入大秦線(xiàn)的次數(shù)的增加，擦傷比例逐漸下降，如進(jìn)入大秦線(xiàn)20次以上的C64K車(chē)輛擦傷比例僅為0.12%，而完全沒(méi)有進(jìn)入過(guò)大秦線(xiàn)的C64K車(chē)輛擦傷比例為6.56%，是進(jìn)入大秦線(xiàn)20次以上的C64K車(chē)輛擦傷比例的55倍，C62B、和C70也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。同型貨車(chē)踏面損傷報(bào)警比例隨在大秦線(xiàn)通過(guò)的次數(shù)上升而大幅度降低，說(shuō)明輪對(duì)踏面損傷成因主要與車(chē)輛的運(yùn)用環(huán)境因素相關(guān)。車(chē)輛在大秦線(xiàn)通過(guò)次數(shù)越多，車(chē)輛進(jìn)編組站的機(jī)會(huì)就越少，據(jù)此可以推斷大部分踏面損傷的產(chǎn)生與編組站作業(yè)有關(guān)。

圖12 C70、C64K和C62B通過(guò)大秦線(xiàn)次數(shù)與擦傷比例關(guān)系圖

6 結(jié)論及建議

全路運(yùn)營(yíng)貨車(chē)存在大量的踏面損傷輪對(duì)，按軸計(jì)比例約為5.6%，這些踏面損傷輪對(duì)對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)成嚴(yán)重危害。為提高車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)及安全，須從源頭入手抓好踏面損傷的防治。

（1）統(tǒng)計(jì)分析表明，編組作業(yè)是當(dāng)前鐵路貨車(chē)踏面損傷形成的主要原因，只有改善編組站作業(yè)條件，才能有效減少踏面損傷的產(chǎn)生。

（2）機(jī)車(chē)制動(dòng)不當(dāng)、輪對(duì)質(zhì)量問(wèn)題及車(chē)輛制動(dòng)機(jī)故障是造成踏面擦傷的重要原因，加強(qiáng)司機(jī)的操控培訓(xùn)、提高輪對(duì)制造工藝水平及減少車(chē)輛制動(dòng)機(jī)故障，是減少輪對(duì)踏面損傷的重要途徑。

（3）為保障貨車(chē)運(yùn)輸安全，必須加強(qiáng)對(duì)輪對(duì)踏面損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，報(bào)警及故障分析，通過(guò)科技手段加大對(duì)踏面損傷輪對(duì)的治理力度。