鐵路客貨車通用運行品質軌邊動態監測系統TPDS的研制

李甫永，李旭偉，凌烈鵬，秦菊，陳天柱

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路客貨車通用運行品質軌邊動態監測系統TPDS的研制

李甫永，李旭偉，凌烈鵬，秦菊，陳天柱

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

客車車輪踏面損傷形式多樣，監測主要依靠人工，容易造成漏檢，而病害漏檢會給行車帶來安全隱患。針對監測鐵路客車車輪踏面損傷和車輛動力學性能運行品質的要求，在既有鐵路貨車TPDS的基礎上，通過優化電磁兼容設計、建立客車踏面損傷評判模型和改進測試區平臺，研制出了客貨車通用TPDS。該系統能夠識別鐵路客貨車車輛運行狀態，獲得車輪踏面損傷情況，監測車輛超偏載，為鐵路客貨車行車安全提供技術保障。

客貨通用TPDS 電磁兼容 踏面損傷

鐵路客車車輪踏面損傷監測主要依靠人工。客車車輪踏面損傷形式多樣，其中車輪失圓約占踏面損傷的30%，危害極大，且難以被人工監測出。2013年發現的客車軸承保持架裂損均與車輪失圓有關，2013年12月30日發生209P型轉向架側梁開裂的主要外因也是車輪失圓［1］。貨車車輛運行品質軌邊動態監測系統(Truck Performance Detection System，TPDS)［2-4］可以有效監測到客貨車踏面損傷，避免重大安全事故的發生，提高客貨車運營的安全性。但是原有的TPDS是為鐵路貨車運行監測而研制的，系統的抗電磁干擾能力比較差，踏面損傷評判模型和連續測試區長度在定量分析上無法滿足鐵路客車運行品質監測的要求。因此，在既有貨車TPDS的基礎上研制客貨車通用TPDS，有效監控列車運行品質，為鐵路客車和貨車的安全運行提供技術保障。

1 監測系統的解決方案

結合貨車TPDS的使用經驗［5-6］，在設計鐵路客貨車通用TPDS時，為滿足鐵路客車運行品質監測的要求，提出了以下解決方案。

1.1 優化電磁兼容設計

在鐵路上運營的貨物列車，只有機車上有少量電磁干擾源;而安裝在客車上的機電、通信、輸電線路和照明器具等電氣類設備會產生電磁能發射，對地面的TPDS探測站設備可產生較強的電磁干擾，干擾源距離輪軌力監測點距離也更近。因此，客車使用TPDS消除電磁干擾比貨車更重要，也更困難。

TPDS的輪軌力測試傳感器信號為毫伏級的小應變信號，需要經過信號傳輸和信號調理單元的放大、濾波和整形后再進行數據采集。在鐵路客車上使用的TPDS如果沿用既有貨車TPDS中的電磁干擾消除方法，會造成干擾信號混入應變監測信號中，使采集的數據失真，直接影響監測結果的正確評判，或者將干擾信號誤認為合理信號使車輛的分軸計輛發生錯誤。圖1為客車踏面損傷正常波形及電磁干擾波形。可以看出，不采取消除電磁干擾的措施，干擾波形和踏面損傷正常輪軌力波形不容易區分，容易造成踏面損傷的誤判。TPDS監測的動車組正常波形及電磁干擾波形見圖2。可見，動車組輪軌力波形中混雜了大量的電磁干擾信號，從而使自動分析軟件在分軸計輛時產生錯誤，無法生成動車組列車監測信息報文。因此，必須針對鐵路客車電磁環境研制相應的信號調理采集設備。

為了消除電磁干擾，從傳感器應變信號的采集、傳輸、放大及調理、整形濾波到數字信號的計算機處理，都進行了多層次的干擾消除處理，綜合使用了屏蔽技術、接地技術、布線技術、濾波技術和磁環抑制技術。對供電系統和接地系統也進行了改進，研制了客貨共用TPDS。升級后的信號調理采集設備采用了通用的插卡式設計，方便檢修及更換。

升級后的信號調理采集設備通過了電磁兼容試驗，并在北京鐵路局廊坊TPDS探測站進行了現場試運用，數據統計情況見圖3。

圖1 客車踏面損傷正常波形及電磁干擾波形

圖2 動車組正常波形和電磁干擾波形

圖3 TPDS信號調理采集設備升級前后丟列比對比

由圖3可見，監測的丟列比較信號調理采集設備升級前有了大幅度的下降，尤其是動車的丟列比由63%下降到了0，實現了動車的全部監測，這充分說明了抗電磁干擾措施的有效性。

1.2 建立客車踏面損傷評判模型

鐵路客車踏面損傷形式包括擦傷、剝離、局部凹入、碾堆、多邊形輪對、動不平衡等多種形式，無論哪種形式的踏面損傷都會引起輪軌間的沖擊作用，給軌道和車輛的結構帶來危害。其踏面損傷的危害程度與其形狀、位置、性狀關系密切，難以用單一幾何量來準確反映踏面損傷的危害程度。TPDS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。

既有貨車TPDS踏面損傷模型是在幾億輪次的鐵路貨車車輪監測數據分析的基礎上建立的，在貨車踏面損傷的分析中應用效果很好［7-8］。但是TPDS要在客車踏面損傷方面應用，必須重新建立客車的踏面損傷評判模型。建模時要注意以下幾點:

1)輪重差別。鐵路客車和貨車在輪重方面存在明顯差別。貨車空車輪重在2.5 t左右，重車輪重超過10 t，貨車的輪重分布主要集中在空車和重車兩頭;客車空車和重車的輪重分布差別不大，均為7 t左右。

2)速度差別。貨車運營速度不超過120 km/h，大部分貨車的運營速度在80 km/h以下，而客車的運營速度可達到120～160 km/h。TPDS采用被動測量方式，同一類車輛踏面損傷的分布應與通過探測站的速度無關。但是，采用貨車踏面損傷評判模型來評判客車踏面損傷在速度修正上存在明顯偏差，表現出與速度相關。如圖4所示，鐵路普快客車踏面損傷報警比例隨速度升高而基本單調上升。圖5為普快客車與棚車踏面損傷報警的沖擊當量平均值隨速度的變化。普快客車踏面損傷報警的沖擊當量平均值隨速度上升而明顯上升，而棚車基本與速度無關。上述分析表明，目前應用于客車踏面損傷的貨車TPDS評判模型關于速度的修正存在偏差。

圖4 普快客車踏面損傷報警比例與速度的關系

圖5 普快客車與棚車的沖擊當量平均值與速度關系的比較

3)結構差別。鐵路客車和貨車在一系懸掛上存在顯著差異。貨車是通過承載鞍傳遞載荷，而客車是通過一系彈簧傳遞載荷。

4)維修標準差別。鐵路貨車和客車在處理車輪踏面損傷方面的維修標準有明顯差別。在踏面擦傷及局部凹入深度方面，貨車運用限度是1 mm［9］，客車運用限度則為0.5 mm［10］。在踏面剝離長度方面，貨車運用限度為一處踏面剝離長度不大于50 mm，兩處踏面剝離長度均不大于40 mm;而客車運用限度為一處踏面剝離長度不大于30 mm，兩處踏面剝離長度均不大于20 mm。可見，客車踏面損傷的運用限度明顯嚴于貨車。

由于鐵路客車在車輪輪重、運行速度、車輛結構以及維修標準等方面與貨車有很大差異，研制鐵路客貨車通用TPDS時，在客貨車踏面損傷的評判上必須采用不同的評判模型。分析了2011—2012年全路貨車TPDS探測站一億輪次客車沖擊力、輪重、速度等參數的監測數據，建立了TPDS客車踏面損傷模型。

1.3 改進測試區平臺

既有貨車TPDS測試區平臺見圖6。由22根混凝土軌枕組成框架式軌道測試區平臺，可以降低線路因素對車輛輪軌力測試的影響，保證測試結果反映車輛自身的動力學特征。為有效區分貨車同一轉向架的不同輪對，每個測試區長度設定為1.6 m，共分為3個測試區，有效連續測試區長度4.8 m。貨車TPDS利用該測試區可以實現貨車蛇行失穩的大半波長監測。由于客車車輛定距和轉向架軸距較貨車長，蛇行失穩波長較貨車長，有效測試區長度須擴展至6 m才能適應客車蛇行失穩探測的需求。

圖6 既有貨車TPDS測試區平臺

另外，為了既有貨車TPDS測試區平臺在不增加硬件數量的情況下加長測試區長度，軌枕間距設計為760 mm，與標準的600 mm軌枕間距不同。而隨著鐵路運輸密度的增加，正線均采用大型養路機械進行道床養護作業。由于TPDS測試區平臺軌枕間距與標準軌枕間距存在差異，大型養路機械作業較為困難，存在測試區平臺區段道床養護失修的情況，導致TPDS垂直力監測精度下降。

鑒于此，重新研制了護輪軌型的新型軌道測試區平臺，見圖7。從測試區軌道結構可以看出，新型軌道測試區平臺取消了原軌枕端部的縱向連接，在軌枕中部采用了2根護輪軌進行縱向連接，保持了原有軌道測試區平臺的整體性和抗扭曲的性能。同時，軌枕間距由760 mm改為了普通線路的600 mm，方便了大型養路機械養護作業。為實現鐵路客貨車車輛運行狀態的同時監測，連續測試區的長度由既有的3個測試區共4.8 m，擴展為5個測試區共6.0 m。長距離連續測試區布置見圖8。新型測試區平臺既保證了系統的監測精度和踏面損傷的捕獲率，又可捕獲鐵路客貨車車輛蛇行失穩的波長信息。

圖7 客貨共用軌道測試區平臺設計

圖8 客貨共用TPDS長距離連續測試區布置

2 監測系統軟件的結構設計

2.1 探測站監測軟件的結構設計

鐵路軌邊探測站設備為無人值守、24 h不間斷工作，因此監測軟件須具備自動分析處理、無人為干預、長期穩定工作能力，同時具備設備安裝期的調試、標定、狀態測試等功能。針對設備工作情況，數據采集監測軟件主要包括動態測量、數據回放、設備測試3個主功能模塊。該數據采集監測軟件可實現數據連續采集、實時統計分析、信號波形顯示、被測參數自動輸出、設備狀態自檢等綜合系統功能。TPDS數據采集監測軟件系統結構見圖9。

2.2 客車檢修運用軟件的結構設計

目前，我國鐵路貨車和客車的運用管理機制不同。貨車是無配屬管理，貨車日常運用中存在的問題歸發生地所在鐵路局車輛段運用車間負責;而客車實行的是配屬管理，客車日常檢修運用歸配屬鐵路局車輛段的運用車間負責。因此，貨車和客車在檢修運用軟件方面的需求是不同的。既有貨車TPDS運用系統是針對貨車安全監控與管理開發的，沒有針對客車安全監控與管理的功能。因此需要研發針對TPDS客車監控管理的運用軟件系統。該軟件系統包含了配屬車輛實時監控、配屬車輛監測信息查詢、報警車輛匯總、報警車輛反饋、配屬車輛運行追蹤等功能，能夠實現過程閉環管理。客車檢修TPDS運用系統結構見圖10。

圖9 TPDS數據采集監測軟件系統結構

3 監測系統的驗證

本監測系統的抗干擾信號調理采集設備通過了電磁兼容試驗驗證，并在北京鐵路局廊坊、南昌鐵路局向塘、梁家渡、潭崗和三江鎮等TPDS探測站進行了現場驗證，效果良好。客車檢修運用軟件自2013年以來在南昌鐵路局福州車輛段進行了功能驗證，能夠實現對客車動態監測的目的，對提高客車檢修質量和運行品質起到重要作用。新型客貨車共用TPDS測試平臺和傳感器儀表等設備已于2014年12月至2015年1月在北京鐵路局平南、正定TPDS探測站進行試裝驗證。另外，還將于2015年上半年在南昌鐵路局蘆溪TPDS探測站和廣鐵集團白馬壟TPDS探測站進行試裝驗證。

圖10 客車檢修TPDS運用系統結構

4 結語

鐵路客貨車通用TPDS是一種在較高行車速度條件下，可識別鐵路客貨車車輛運行狀態、識別車輪踏面損傷、車輛超偏載計量的多功能實時監測系統。該系統功能全、精度高、穩定可靠、監測信息多部門共享。從消除電磁干擾、建立客車踏面損傷評判模型和改進測試平臺三個方面對既有貨車TPDS進行了優化，使客貨車監測精度、踏面損傷捕獲率大為提高，同時可獲得狀態不良客貨車車輛的動力學特征。鐵路客貨車通用TPDS可為鐵路客貨車運輸安全管理提供技術保障。

［1］王興華，曾宇清．TPDS對客車踏面損傷監測應用分析［J］．鐵道機車車輛，2014(10):83-86．

［2］張格明，馮毅杰，劉慕哥．車輛超偏載及運行狀態安全監測系統的研究和運用［C］//技術裝備確保行車安全學術研討會論文集．北京:中國鐵道學會，2000．

［3］馮毅杰，張格明．車輛運行狀態地面安全監測系統研制的新進展［J］．中國鐵道科學，2002(6):138-142．

［4］柴雪松，朱興紅．車輛運行狀態檢測系統(TPDS)在軌道負荷監測中的應用［J］．鐵道建筑，2008(11):93-95．

［5］李傳翔．TPDS踏面損傷報警與貨車車輪踏面損傷成因分析［J］．上海鐵道科技，2010(2):46-49．

［6］趙長波，陳雷．5T系統綜合運用探討［J］．鐵道車輛，2008 (12):18-21．

［7］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．

［8］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．

［9］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．

［10］中華人民共和國鐵道部．鐵運［2006］27號鐵路客車運用維修規程［S］．北京:中國鐵道出版社，2006．

Development of TPDS(Truck Performance Detection System)for inspecting running quality of passenger and freight wagons

LI Fuyong，LI Xuwei，LING Liepeng，QIN Ju，CHEN Tianzhu
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he tread damage forms of passenger carriage wheel are various and were mainly monitored by artificial detection，which often caused the missing of disease detection and threatened the train operation safety．For the monitoring requirements of passenger carriage wheel tread damage and vehicle dynamic mechanical properties and running performance，the new T PDS for passenger and freight based on the former T PDS of railway freight car was developed by optimizing the electromagnetic compatibility，constructing the passenger carriage wheel tread damage evaluation model and improving the test platform，which can identify the vehicle running state of the railway passenger and freight car，obtain the wheel tread damage detection，monitor the vehicle overload and unbalanced load，and provide technical support for railway vehicle operation safety．

T PDS for passenger and freight wagons;Electromagnetic compatibility;T read damage

U216．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．34

1003-1995(2015)04-0130-06

(責任審編葛全紅)

2014-11-20;

2015-02-20

中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ003)

李甫永(1978—)，男，山東萊蕪人，助理研究員，碩土。