TPDS在城軌車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用展望

■ 李旭偉??秦菊??陳天柱??于國(guó)丞??李甫永

TPDS在城軌車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用展望

■ 李旭偉??秦菊??陳天柱??于國(guó)丞??李甫永

軌道車(chē)輛和線路的作用問(wèn)題是軌道交通輪軌接觸式運(yùn)輸?shù)幕締?wèn)題，減少輪軌間的異常磨耗是保證運(yùn)營(yíng)安全、提高車(chē)輛維修經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。闡述地面輪軌力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）的測(cè)試原理、在鐵路動(dòng)客貨車(chē)車(chē)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(chē)輛造修方面取得的效果。因城市軌道交通車(chē)輛同樣存在輪軌磨耗問(wèn)題，提出將TPDS輪軌力測(cè)試技術(shù)及裝備應(yīng)用于城市軌道交通，并進(jìn)行車(chē)輛狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的展望。

城軌車(chē)輛；踏面損傷；輪緣磨耗；TPDS；輪軌力；監(jiān)測(cè)；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(chē)輛通過(guò)近似錐形踏面的車(chē)輪與鋼軌的準(zhǔn)剛性滾動(dòng)接觸，具有阻力小、運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，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(guó)均開(kāi)展了相關(guān)研究。從車(chē)輛角度來(lái)講，一方面，輪對(duì)踏面故障會(huì)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(huì)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(duì)車(chē)輛部件和軌道的磨耗、傷損；另一方面，車(chē)輛參數(shù)不合理，如輪軌匹配、構(gòu)架對(duì)輪對(duì)的約束、車(chē)體對(duì)構(gòu)架的約束等，可能導(dǎo)致輪軌磨耗增加、車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性下降。上述問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本的增加，嚴(yán)重時(shí)可能危及行車(chē)安全[1-2]。因此，車(chē)輪踏面損傷、車(chē)輛橫向動(dòng)力學(xué)性能不良是影響車(chē)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(yíng)安全的前提下提高車(chē)輛的維修經(jīng)濟(jì)性。

1 地面輪軌力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）概述

1.1 測(cè)試原理

TPDS采用“剪力+支撐力”的連續(xù)輪軌力測(cè)試原理[3-5]，連續(xù)測(cè)區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到米級(jí)（見(jiàn)圖1、圖2），測(cè)區(qū)長(zhǎng)度6 m；由于TPDS連續(xù)輪軌力測(cè)區(qū)較長(zhǎng)，可測(cè)得一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)車(chē)輪垂向力增減變化的平均值，而不是波動(dòng)過(guò)程的某個(gè)瞬時(shí)值，不僅提高檢測(cè)精度、整個(gè)輪周踏面損傷的捕捉率及橫向動(dòng)力學(xué)性能的識(shí)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(cè)裝置檢測(cè)功能單一的局面，使得同時(shí)測(cè)量車(chē)輪踏面損傷、車(chē)輛橫向動(dòng)力學(xué)性能、車(chē)輛超載、偏載等成為可能。長(zhǎng)距離全連續(xù)輪軌力測(cè)試原理為車(chē)輛車(chē)輪踏面損傷及其類(lèi)別的準(zhǔn)確識(shí)別、車(chē)輛蛇行失穩(wěn)波長(zhǎng)的穩(wěn)定捕捉創(chuàng)造了有利條件。多邊形輪對(duì)輪軌力實(shí)測(cè)圖見(jiàn)圖3，有砟軌道及無(wú)砟軌道TPDS設(shè)備安裝見(jiàn)圖4。

圖1 五單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置垂向力原理圖

圖2 五單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置橫向力原理圖

圖3 多邊形輪對(duì)輪軌力TPDS實(shí)測(cè)圖

圖4 TPDS安裝圖

1.2 系統(tǒng)功能

TPDS采用長(zhǎng)距離輪軌力全連續(xù)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輪軌間動(dòng)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。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(dòng)識(shí)別車(chē)輪踏面損傷（包括多邊形、擦傷、剝離、碾堆、動(dòng)不平衡等）；采用“分散檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)集中報(bào)警”的方法，動(dòng)態(tài)識(shí)別橫向動(dòng)力學(xué)性能不良車(chē)輛；根據(jù)檢測(cè)的城軌車(chē)輛輪質(zhì)量、軸重、前后轉(zhuǎn)向架質(zhì)量及車(chē)輛總質(zhì)量，自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛超載和偏載（包括前后偏、左右偏）。

2 TPDS在鐵路車(chē)輛的應(yīng)用效果

TPDS通過(guò)輪軌力的實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，能夠自動(dòng)識(shí)別車(chē)輪踏面故障、橫向動(dòng)力學(xué)性能不良車(chē)輛及車(chē)輛超偏載，集多項(xiàng)功能于一體，具有測(cè)試原理先進(jìn)、測(cè)試精度高等特點(diǎn)。TPDS在鐵路動(dòng)客貨車(chē)尤其是客貨車(chē)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(guó)鐵路安裝TPDS設(shè)備145套，在保障車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全及指導(dǎo)車(chē)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(chē)應(yīng)用

TPDS于2001年通過(guò)原鐵道部組織的產(chǎn)品鑒定，應(yīng)用于貨車(chē)車(chē)輛狀態(tài)的動(dòng)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(lái)，發(fā)現(xiàn)大量車(chē)輪踏面損傷、車(chē)輛橫向動(dòng)力學(xué)性能不良及超偏載等案例，各級(jí)車(chē)輛運(yùn)用部門(mén)通過(guò)對(duì)TPDS預(yù)報(bào)的車(chē)輛故障及時(shí)扣修，車(chē)輛狀態(tài)明顯提升，燃切軸等事故大幅下降。自2008年以來(lái)，貨車(chē)踏面損傷報(bào)警率由2008年的15．19%下降到2015年的0．77%，降幅達(dá)95%（見(jiàn)圖5）。同時(shí)，同期車(chē)輛關(guān)鍵部件裂損類(lèi)典型故障也大幅下降，如搖枕裂損、側(cè)架裂損、制動(dòng)梁故障等下降幅度均超過(guò)94%。2016年以來(lái)，車(chē)輛部門(mén)對(duì)TPDS預(yù)報(bào)的因輪徑差偏大、輪緣磨耗超限等導(dǎo)致橫向動(dòng)力學(xué)性能不良車(chē)輛進(jìn)行了嚴(yán)格扣修（見(jiàn)圖6），極大降低了列車(chē)脫軌的可能性。

圖5 TPDS貨車(chē)踏面損傷報(bào)警比例趨勢(shì)圖

2.2 客車(chē)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(chē)保持架破損事故，事故溯源均與車(chē)輪踏面損傷相關(guān)。輪對(duì)踏面損傷是客車(chē)保持架斷裂、構(gòu)架裂損、一系鋼簧折斷等的重要外因。通過(guò)TPDS在客車(chē)監(jiān)測(cè)方面的運(yùn)用試點(diǎn)后，中國(guó)鐵路總公司將TPDS納入新版《鐵路客車(chē)運(yùn)用維修規(guī)程》，對(duì)客車(chē)輪對(duì)實(shí)行狀態(tài)修。自TPDS投入客車(chē)應(yīng)用以來(lái)，根據(jù)TPDS報(bào)警，月均扣修車(chē)輪1 700多條（見(jiàn)圖7），較好保障了客車(chē)的運(yùn)用安全。

2.3 高速動(dòng)車(chē)組應(yīng)用

2016年1月，無(wú)砟軌道TPDS在蘭新第二雙線開(kāi)通運(yùn)行，進(jìn)行動(dòng)車(chē)組車(chē)輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)，截至2016年9月底，共監(jiān)測(cè)動(dòng)客車(chē)5 755列、57 442輛。近2個(gè)月來(lái)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的CRH2、CRH5型動(dòng)車(chē)組中，部分車(chē)輪存在不同程度的多邊形（圖8為CRH2型動(dòng)車(chē)組某車(chē)28邊形車(chē)輪鏇修前后的地面實(shí)測(cè)波形圖）?？梢?jiàn)，鏇修后TPDS監(jiān)測(cè)到的該輪對(duì)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(bào)及扣修輛數(shù)對(duì)比

圖7 TPDS客車(chē)月扣修車(chē)輪數(shù)量

圖8 CRH2型動(dòng)車(chē)組某車(chē)28邊形車(chē)輪鏇修前后地面實(shí)測(cè)波形圖

目前，蘭新高鐵TPDS已對(duì)開(kāi)行的42組高速動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測(cè)，對(duì)輪對(duì)磨耗趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期跟蹤。

3 城軌車(chē)輛車(chē)輪磨耗監(jiān)控現(xiàn)狀

城軌車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度雖然沒(méi)有普速、高鐵列車(chē)運(yùn)行速度高，但城軌線路站間距短、車(chē)站多、制動(dòng)頻繁，城軌車(chē)輛運(yùn)營(yíng)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，列車(chē)各部件隨運(yùn)行里程的增加磨損也越來(lái)越嚴(yán)重。車(chē)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(chē)運(yùn)行安全[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京、上海、廣州、深圳等地鐵公司城軌車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車(chē)輪踏面、輪緣均經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的異常磨耗。車(chē)輪踏面類(lèi)故障主要是踏面擦傷（見(jiàn)圖9）、剝離、碾堆、輪對(duì)失圓、多邊形輪對(duì)、徑向跳動(dòng)超限等。部分城軌線路運(yùn)行的車(chē)輛車(chē)輪輪緣磨耗異常嚴(yán)重，例如：北京地鐵13號(hào)線DKZ5型電動(dòng)客車(chē)車(chē)輪輪緣磨耗速率達(dá)到0．4 mm/萬(wàn)km（2012年和2013年）[9]；廣州地鐵3號(hào)線車(chē)輪輪緣平均磨耗率達(dá)到0．4 mm/萬(wàn)km（2009年12月—2010年1月），最大時(shí)輪緣磨耗率達(dá)到1．9 mm/萬(wàn)km[10]。輪緣異常磨耗主要由車(chē)輛走行部橫向動(dòng)力學(xué)性能變差所導(dǎo)致。

圖9 車(chē)輪踏面擦傷

目前，對(duì)城軌車(chē)輛車(chē)輪踏面損傷、輪緣磨耗的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法有圖像法踏面擦傷檢測(cè)、加速度法踏面擦傷檢測(cè)、激光輪對(duì)尺寸檢測(cè)等，雖在部分地鐵公司有一定應(yīng)用，但因檢測(cè)系統(tǒng)自身測(cè)試原理等方面問(wèn)題，應(yīng)用效果有限，且檢測(cè)信息無(wú)法指導(dǎo)車(chē)輛造修。為了城軌車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)安全，維修部門(mén)通常采取對(duì)整列車(chē)輪對(duì)進(jìn)行定期鏇修的方式保證車(chē)輛的運(yùn)行安全，但這種方式大大縮短了輪對(duì)使用壽命，降低了輪對(duì)的使用經(jīng)濟(jì)性。

4 TPDS在城軌交通中的應(yīng)用展望

通過(guò)對(duì)TPDS在動(dòng)客貨車(chē)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(duì)故障（如擦傷、失圓、多邊形等損傷）、輪對(duì)偏磨及輪徑差偏大導(dǎo)致的橫向動(dòng)力學(xué)性能不良的車(chē)輛，對(duì)運(yùn)管修具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。因此，針對(duì)城軌車(chē)輛存在的車(chē)輪踏面、輪緣磨耗等問(wèn)題，可將TPDS測(cè)試技術(shù)及裝備移植至城軌交通系統(tǒng)，對(duì)城軌車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。TPDS移植工作已納入軌道交通系統(tǒng)測(cè)試國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目規(guī)劃（發(fā)改辦高技［2016］584號(hào)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(chē)輪鏇修、定量評(píng)價(jià)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，從而為車(chē)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(shí)，也可以用來(lái)評(píng)價(jià)城軌車(chē)輛的設(shè)計(jì)制造、維修質(zhì)量及新車(chē)的設(shè)計(jì)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(yíng)維護(hù)成本。

[1] 黃毅．鐵路貨車(chē)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(guó)鐵路，2016(5)：38-44．

[2] 徐凱，李芾，李東宇，等．動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面磨耗對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響[J]．中國(guó)鐵路，2016(9)：40-44，48．

[3] 李甫永，李旭偉，秦菊，等．TPDS在鐵路貨車(chē)車(chē)輪踏面損傷監(jiān)測(cè)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(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)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(chē)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[J]．鐵道建筑，2015(4)：130-134．

[6] 鐵運(yùn)［2010］141號(hào) 鐵路貨車(chē)運(yùn)用維修規(guī)程[S]．

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

[8] 皮曉龍，楊峰．南京地鐵2號(hào)線車(chē)輛輪對(duì)異常磨耗分析與對(duì)策[J]．中國(guó)鐵路，2014(11)：93-95．

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

[10] 邱偉明，朱永波．廣州地鐵三號(hào)線車(chē)輛輪緣異常磨耗原因分析及解決措施[J]．電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2011(4)：80-81．

李旭偉：中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)丞：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，高級(jí)工程?師，北京，100081

李甫永：中國(guó)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

U279.3

A

1672-061X（2016）06-0068-04