TPDS踏面損傷報警與貨車車輪踏面損傷成因分析

李傳翔 上海鐵路局南京東車輛段

輪對是鐵道車輛走行部的主要部件，踏面是輪對與鋼軌的接觸面，所以由于踏面損傷所產生的巨大沖擊力不僅會破壞軌道結構，嚴重時會造成斷軌等重大事故，而且對車輛結構損害極大，如軸承、制動梁端軸等，踏面損傷是燃切軸事故最重要的外因，因此對踏面損傷的監測就變得非常重要，TPDS踏面損傷監測功能正是為此而研發的。

1 TPDS系統簡介

TPDS（Truck Performance Detection System）全稱“貨車運行品質動態監測系統”（見圖1），是鐵路車輛安全防范、預警系統-“5T”系統之一。TPDS是針對貨車空車直線脫軌問題而開發的一種軌邊監測系統。它利用設在軌道上的檢測平臺，實時在線監測運行中貨車輪軌間的動力學參數，采用分散監測、集中報警的方式對運行狀態不良貨車進行報警、追蹤、處理，以減少貨車提速后脫軌事故的發生；TPDS還兼有貨車超偏載報警和踏面損傷報警功能。

圖1 TPDS系統構成示意圖

車輪踏面損傷檢測是TPDS的一個重要功能，其技術創新主要體現在測試平臺和評判模型兩個方面：

（1）目前既有的國內外車輪踏面損傷檢測裝置一般是利用力、加速度、聲音傳感器來監測車輪踏面損傷，其中采用力傳感器的檢測裝置最為科學，因為其檢測量直接反映了踏面損傷帶來的危害。目前采用力傳感器的車輪踏面損傷檢測裝置普遍存在的缺點是測試區間斷，在軌枕附近無法檢測，有些測區短，對踏面損傷的檢測率低；TPDS首次采用了高平順的框架式軌道平臺、高可靠性的二維板式傳感器和移動垂直力測試新方法，連續測量區長度達到了4.8m，而貨車車輪全周長為2.6m左右，所以TPDS可對車輪全周長范圍內的踏面損傷進行檢測，踏面損傷檢測率較已有檢測設備大幅提高。

（2）國外的車輪踏面損傷評判一般采用絕對的評判標準，如北美的設備，其特點是兌現率高，同時漏判率也高；TPDS創造性地采用了絕對與相對相結合的踏面損傷評判方法[1]，建立了輪軌沖擊作用力、輪重、速度參數的綜合評估模型，能對各型輪對損傷的危害做出合理的評判，具有兌現率高、漏判率低的特性，此項功能居國際領先水平。

因此無論測試平臺的硬件還是踏面損傷評判的軟件，TPDS較以往踏面損傷監測設備有了質的飛越，得到廣泛的認同和應用。以往，踏面損傷主要是靠檢車員的眼看、手摸或利用第四種檢查器手工測量，這種方式往往受人的因素、故障部位、現場工作條件、氣候以及作業時間限制的影響，易發生漏檢、漏修。隨著TPDS設備的安裝以及其踏面損傷檢測功能運用的深入，使上述人檢缺陷得以避免，有的鐵路局已實現機檢代替人檢，大大強化了對踏面損傷監測力度，同時有效地減輕了列檢人員的勞動強度。2008年根據TPDS踏面損傷報警已扣修貨車超過一萬輛。

2 踏面損傷的主要表現形式

車輪踏面損傷因產生的原因不同有多種表現形式，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）；其對應的TPDS沖擊作用力波形分別見圖3、5、7、9，其中X軸代表TPDS測區長度，Y軸代表輪軌間的沖擊作用力。其中踏面擦傷最為普遍，踏面擦傷是車輪與鋼軌滑動摩擦的結果；踏面剝離是制動熱負荷和機械疲勞負荷聯合作用所致；碾堆系制動時閘瓦的金屬材料附著在車輪踏面上而形成的；踏面局部凹入產生的主要原因是車輪在熱處理加工過程溫度場不均勻。無論哪種形式的踏面損傷都會引起輪軌間的沖擊作用，對軌道結構和車輛結構帶來危害。列檢作業人員對不同形式的踏面損傷有不同的檢測參量，如擦傷測量深度，剝離測量長度，而TPDS是統一地通過對輪軌間沖擊作用的監測，綜合考量輪重及速度等因素，從而對多種形式的踏面損傷做出合理、一致的評判，因而評判踏面損傷的危害程度更為科學。

圖2 踏面損傷-擦傷

圖3 圖2對應TPDS沖擊作用力波形

圖4 踏面損傷-剝離

圖5 圖4對應TPDS沖擊作用力波形

圖6 踏面損傷-碾堆

圖7 圖6對應TPDS沖擊作用力波形

圖8 踏面損傷-局部凹入

圖9 圖8對應TPDS沖擊作用力波形

3 全路踏面損傷報警概況

表1以軸為單位，分別統計了全路TPDS探測站（不包括大秦線）、大秦線TPDS探測站以及大秦線配屬貨車的踏面損傷監測數據，時間范圍為2008年7月1日至2008年12月31日。

表1 踏面損傷統計表

如表1所示，全路相當比例的車輪存在踏面損傷，通過TPDS探測站（不包括大秦線）監測，大約有5.62%的輪對存在不同程度的踏面損傷；配屬大秦線的貨車（如C80、C76系列），踏面損傷的比例明顯低得多，僅為0.054%；大秦線TPDS探測站監測數據中包含了配屬大秦線貨車及其它通過貨車，因此，數據介乎其間，為1.22%。配屬大秦線的貨車只在大秦線循環運行，車輛固定編組，固定區間運行，除因扣車臨修或定期修外不進行編組場作業，而其它貨車，除標記禁止駝峰作業的車型（如PB車）外，都不可避免地要進行駝峰作業。上述踏面損傷比例相差兩個量級，說明貨車的運用環境可能是踏面損傷形成的關鍵因素。

4 踏面損傷的成因分析

踏面損傷形成原因概括起來有以下兩大類原因[2][3]：一方面是車輛因素，是由于車輛自身原因而導致的踏面損傷；另一方面是運用環境因素，是車輛使用過程中外部因素導致的車輛踏面損傷，如駝峰作業等。

4.1 踏面損傷形成的車輛因素

（1）車輪質量問題：部分車輪在制造過程中由于熱處理不當使得車輪踏面局部過軟，車輛在運行過程中通過碾壓導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-局部凹入。在大秦線TPDS踏面損傷報警車輛中有一例該類故障（如圖 10所示，車號 4370084，車型 C80，8位車輪），其最大踏面圓周磨耗達13.2mm，其余部位踏面圓周磨耗在7mm左右。從該車輪的TPDS原始數據波形（如圖11所示）中可見其空車（輪重約2.5噸左右）時沖擊力在20噸以上，對軌道結構和車輛結構危害極大，而且檢車員難以發現，需要依靠實時在線設備進行自動檢測。

圖10 質量問題車輪

圖11 圖10對應TPDS原始波形

（2）車輛制動機質量故障：一部分車輛的安全閥損壞，空氣壓力達到190kPa時不能排風，安全閥失去作用，造成車輪擦傷。

（3）制動波速不一致：由于目前我國貨車采用各種車型混編，各車型制動機不同且制動機的種類比較多，而且各種閥的反應速度不相同，造成混編列車中車輛制動、緩解時間的差異，最先制動和最后緩解的車輛不可避免地出現輪對踏面擦傷。

（4）空重車調整裝置：沒有安裝空重車調整裝置的貨車，空車時制動力過大，容易產生踏面擦傷。

（5）其它因素：極少數車輛在運行中，由于制動杠桿系統發生故障，使車輛抱閘運行，造成輪對擦傷。別外，由于基礎制動裝置杠桿和拉桿位置異常，造成轉向架之間、各制動梁之間和同一制動梁2塊閘瓦之間制動力不均勻，制動力大的車輪則可能被擦傷。

4.2 踏面損傷形成的運用環境因素

（1）編組場作業單側鐵鞋產生踏面擦傷：鐵路編組站駝峰溜放車輛，在緩行制動過程中，往往造成車輪踏面擦傷，尤其是車輛從駝峰上溜放下來受到單側鐵鞋的阻力后，有鐵鞋的一側車輪被墊起，而另一側車輪由于停止轉動與鋼軌發生劇烈摩擦，造成輪對單側踏面擦傷。文獻[4]認為車輛軸重的增加、溜放車組中車輛數目和重車比例的增加以及溜放速度的提高都進一步加劇了車輪踏面擦傷的形成。文獻[5]通過對本溪站調車作業的實地調查，發現在使用單側鐵鞋作業的車輛中，輪對踏面擦傷率達到100%，其擦傷程度大小不一，擦傷范圍在0.5～2（mm）之間。因此，編組作業時使用單側鐵鞋是造成車輪單側踏面擦傷的重要原因。

（2）列車制動不當產生的踏面擦傷：調作業時，司機進行了緩解，但未等列車緩解完畢便馬上啟動，此時部分車輛尚未緩解，車輪產生滑行，造成擦傷；另一方面，由于長大貨物列車的增加，列車在進入列檢所停車時，均采用了二次停車，在這種情況下也易出現緩解不充分啟動，造成踏面擦傷。

（3）空重車裝置調整不正確，如空重車塞門反打，造成空車制動力過大；另外如空重車調整轉換塞門導架接口損壞，手柄在空車位，而轉換塞門實際在重車位，導致空車制動力過大，造成車輪踏面擦傷。

5 TPDS踏面損傷報警統計分析

以下通過C62B、C64K和C70三種車型的踏面損傷統計來分析踏面損傷形成的運用環境因素，統計以大樣本為基礎，樣本數量見表2。

表2 TPDS踏面損傷報警統計樣本數量表

圖 12是 C62B、C64K和 C70三種車型 2008年 7月 1日到2008年12月31日期間，經過大秦線延慶TPDS探測站次數與其踏面損傷比例之間的關系圖。其中X軸為參與統計的C62B、C64K和C70貨車通過大秦線延慶探測站最少次數，Y軸表示以軸為單位的踏面損傷比例。

從圖12可以看出，隨著進入大秦線的次數的增加，擦傷比例逐漸下降，如進入大秦線20次以上的C64K車輛擦傷比例僅為0.12%，而完全沒有進入過大秦線的C64K車輛擦傷比例為6.56%，是進入大秦線20次以上的C64K車輛擦傷比例的55倍，C62B、和C70也呈現出同樣的規律。同型貨車踏面損傷報警比例隨在大秦線通過的次數上升而大幅度降低，說明輪對踏面損傷成因主要與車輛的運用環境因素相關。車輛在大秦線通過次數越多，車輛進編組站的機會就越少，據此可以推斷大部分踏面損傷的產生與編組站作業有關。

圖12 C70、C64K和C62B通過大秦線次數與擦傷比例關系圖

6 結論及建議

全路運營貨車存在大量的踏面損傷輪對，按軸計比例約為5.6%，這些踏面損傷輪對對車輛結構及軌道結構構成嚴重危害。為提高車輛運行品質及安全，須從源頭入手抓好踏面損傷的防治。

（1）統計分析表明，編組作業是當前鐵路貨車踏面損傷形成的主要原因，只有改善編組站作業條件，才能有效減少踏面損傷的產生。

（2）機車制動不當、輪對質量問題及車輛制動機故障是造成踏面擦傷的重要原因，加強司機的操控培訓、提高輪對制造工藝水平及減少車輛制動機故障，是減少輪對踏面損傷的重要途徑。

（3）為保障貨車運輸安全，必須加強對輪對踏面損傷的實時監測，報警及故障分析，通過科技手段加大對踏面損傷輪對的治理力度。