TPDS在鐵路貨車車輪踏面損傷監測中的應用分析

李甫永，李旭偉，秦菊，陳天柱，譚佳豐

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

TPDS在鐵路貨車車輪踏面損傷監測中的應用分析

李甫永，李旭偉，秦菊，陳天柱，譚佳豐

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

利用TPDS進行鐵路貨車車輪踏面損傷的監測和判定可以減少鐵路貨車重大事故。本文介紹了TPDS測試原理、踏面損傷沖擊當量和報警標準，分析了車輪踏面損傷與軸承保持架、車輛大部件裂損的關聯性。TPDS踏面損傷一級報警的兌現率超過90%，表明TPDS具有良好的踏面損傷自動識別能力。經綜合治理，全路貨車踏面損傷大幅度下降，應用TPDS報警比例持續減低，貨車軸承保持架和相關大部件裂損類故障明顯減少。TPDS應用于鐵路貨車踏面損傷識別成效顯著，有力保障了鐵路貨車的運行安全。

TPDS 貨車車輪 踏面損傷 自動識別

車輪踏面損傷是鐵路貨車故障的重要根源，常導致轉向架零部件斷裂、軸承部件傷損，引發車輛燃切軸事故，從而造成軌道結構損傷。踏面損傷形式包括擦傷、剝離、局部凹入、碾堆、多邊形輪對、動不平衡等［1-3］，踏面損傷以往主要靠人工檢測，工作強度大且易漏檢、漏修。檢查作業人員對不同形式的踏面損傷有不同的檢測參量，如擦傷深度、剝離長度，但不能準確反映踏面損傷的危害程度，因為踏面損傷的危害程度與其形狀、位置、性狀關系密切。

貨車車輛的動力學性能、踏面狀態以及載荷分布對列車運行安全至關重要。根據我國鐵路貨車運行安全監測的需要，2003年原鐵道部規劃在全路分期建設車輛運行品質軌邊動態監測系統(Truck Performance Detection System，TPDS)［4-7］。該系統通過對輪軌間沖擊力的監測，綜合考量輪重及速度等因素，得到沖擊當量，從而對多種形式的鐵路貨車車輪踏面損傷做出科學合理的評判。

1 TPDS輪軌力測試方法

輪軌力測試廣泛采用傳統的鋼軌剪力法。該方法一般有效檢測區長度只有300～400 mm，只能測到較實際靜載或大或小的瞬時動載數據。輪軌力的檢測精度、車輪踏面損傷的捕獲率都很低。為提高檢測精度，通常增大有效檢測區長度。增大測區長度的方法主要通過增大軌枕間距或在所跨越的多根軌枕之間設置多個測區來實現。增大軌枕間距來增長測區的方法在日本、美國和德國等國家都得到較普遍的應用，但軌枕間距不可能大幅度增加，因而測區長度也不可能大幅度延長，并且枕距增大后，人為地造成軌道不平順，會直接影響檢測結果的準確度和列車通過測試區的運行狀態。此外，這種檢測方法對車輪踏面損傷的捕獲率仍然較低;在所跨越的多根軌枕之間設置多個測區的方法雖然增加了測試區的長度但檢測區斷續設置，軌枕支撐處的輪軌力無法檢測，因此，無法獲得連續的輪軌力。

TPDS克服了上述測試方法的缺點，采用了“剪力+支撐”的輪軌力連續測試方法，即移動垂直力綜合檢測方法［8］(見圖1)。該方法使連續測試區的長度達到了m級，從而在不增大軌枕間距、不惡化軌道平順性的條件下大幅增加了連續測試區的長度。

圖1移動垂直力綜合測試原理

圖1 中，P=Q+∑R，P為輪重，Q為剪力，R為壓力;l1=l3+h，l1為剪力傳感器的間距，l2為壓力傳感器的間距，l3為測試區的長度，h為鋼軌高度。

移動垂直力綜合檢測方法的基本原理是在兩剪力傳感器之間設置若干個軌下垂直壓力傳感器，組成一個綜合檢測區。兩種傳感器采集的數據通過計算機合成處理，從而得到測試區內的垂直力之和。由于有較長的連續檢測區，可測得較長時間內車輪垂直力變化的平均值，而不是波動過程的某個瞬時值，這不僅提高了檢測精度和整個輪周踏面損傷的捕捉率，還大大提高了系統適用的速度范圍。這一新方法徹底打破了常規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、車輛超載、偏載、平均軸重、通過總重等成為可能。同時，TPDS用整體性和抗軌道扭曲能力更強、平順性和穩定性更好的特殊框架式軌道結構取代測試區的普通軌道結構，從而進一步減小測量區段內軌道扭曲、高低和水平不平順，盡可能消除導致動態增量荷載誤差的根源，使測試結果更加如實反映車輛自身的動力學特征。

2 TPDS踏面損傷沖擊當量及報警標準

為了減少踏面損傷的車輪對車輛結構、軌道結構的破壞，各國都制定了車輪踏面損傷的相關標準。目前，主要是從幾何尺寸和沖擊力兩個方面規定了踏面損傷的超限標準。美國鐵道協會和加拿大國鐵公司采用幾何尺寸和絕對沖擊力雙重標準。我國目前仍采用單一的幾何尺寸標準。以幾何尺寸標準作為評判踏面損傷標準可操作性強，但由于踏面損傷形式的多樣性及復雜性，僅用描述損傷幾何形態的一個參數來衡量踏面損傷的危害程度是不科學的;絕對沖擊力標準雖然抓住了車輪踏面損傷的破壞本質，但是沒有考慮到車輛運行速度及車輛輪重因素的影響。由于踏面損傷車輪的沖擊力與速度及輪重相關，同一損傷的車輪在不同速度及不同輪重的工況下產生的沖擊力相差很大。因此，采用絕對沖擊力標準，同一踏面損傷車輪在不同工況下報警的重復性較差，不利于作業人員的檢修。

綜合考慮上述情況，TPDS對踏面損傷的評價采用沖擊當量來度量［9］。所謂沖擊當量是根據車輪對軌道結構的沖擊作用大小、速度和輪重等因素換算的度量值，它反應了踏面損傷的破壞本質。沖擊當量不僅考慮了與踏面損傷嚴重程度密切相關的輪軌沖擊力大小，還考慮沖擊力與速度和輪重的關系。因而用其評價踏面損傷更科學，兌現率高、漏判率低。

目前，TPDS踏面損傷報警級別分3級:①一級報警，沖擊當量≥23;②二級報警，沖擊當量21～22;③三級報警，沖擊當量19～20。

TPDS踏面損傷報警的兌現率為TPDS踏面損傷各級報警分別對應的車輪踏面損傷超過《鐵路貨車運用維修規程》［10］運用限度的比率，分為一級報警兌現率、二級報警兌現率、三級報警兌現率。

3 TPDS在踏面損傷監測中的應用

3.1 TPDS踏面損傷與軸承保持架裂損關聯分析

根據北京局2006年1—6月段修、列檢以及紅外線軸溫探測預報的部分鐵路貨車軸承故障，依據車號調閱TPDS的歷史監控記錄，如表1所示。可見，軸承故障與TPDS踏面損傷報警有很強的關聯性。

表1 軸承故障與TPDS踏面損傷預報關聯情況統計

3.2 TPDS預報的踏面損傷與大部件裂損關聯分析

貨車大部件如制動梁端軸裂紋、折斷等是直接威脅行車安全的一大隱患。在2006年1至6月列檢結果如表2所示。可見，制動梁端軸出現裂紋、折斷故障與TPDS預報的踏面損傷故障有著十分密切的聯系。

3.3 TPDS預報的踏面損傷報警兌現情況

為檢驗TPDS預報的踏面損傷報警兌現情況，對比了2013年下半年全路TPDS預報的踏面損傷一級報警數據和列檢人員對報警車輪檢查確認踏面損傷超過《鐵路貨車運用維修規程》運用限度的情況，如表3所示。可以看出，目前全路TPDS預報的踏面損傷一級報警每月平均為3 029輛左右，日均報警在100輛左右，踏面損傷一級報警的兌現率均達到90%以上，兌現率很高。可見，TPDS具有良好的踏面損傷自動識別能力，而且報警兌現率高，從而為貨車車輪踏面損傷的治理提供了科學手段。

對絕大部分鐵路貨車燃切軸事故、軸承故障以及大部件裂損事故分析后發現，TPDS多次預報車輛輪對處踏面損傷。從2008年開始，原鐵道部車輛管理部門制定了一系列的TPDS運用管理辦法，各級車輛運用部門根據這些辦法開展了報警輪對的全面檢修工作。通過對報警貨車輪對的復核、追蹤、處理，使得貨車踏面損傷的報警率由2008年的15.19%下降到2014年的1.57%，下降幅度達89.66%(見圖2)。與此同時，同期車輛關鍵部件裂損類典型故障也大幅下降，如側架裂損、制動梁故障等下降幅度均超過94%，TPDS踏面損傷監測功能的成功應用為車輛安全奠定了堅實的基礎。

表2 大部件裂損與TPDS預報的踏面損傷關聯情況

表3 2013年下半年TPDS預報的踏面損傷一級報警統計

圖2 TPDS踏面損傷報警率分布

4 結論

TPDS每年監測鐵路貨車近5 000萬輛。從2008年至2014年，通過對踏面損傷的綜合治理，全路貨車踏面損傷大幅度下降，報警比例持續降低，貨車軸承保持架和相關大部件裂損類故障明顯減少。實踐證明，TPDS應用于鐵路貨車踏面損傷識別成效顯著，有力保障了鐵路貨車的運行安全。

［1］扈海軍，康熊.貨車車輪踏面損傷標準的探討［J］.鐵道機車車輛，2005(3):16-18.

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［6］趙長波，扈海軍，曾宇清，等.基于TPDS的貨物列車踏面損傷分析與控制［J］.中國鐵路，2011(11):52-56.

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［9］李家林，劉慕哥，馮毅杰.車輪踏面損傷程度的識別［J］.中國鐵道科學，1999，20(1):102-107.

［10］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2010］141號鐵路貨車運用維修規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

(責任審編葛全紅)

U279.3+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.34

1003-1995(2015)05-0136-03

2015-01-20;

2015-04-01

李甫永(1978—)，男，山東萊蕪人，助理研究員，碩士。