高速動車組運行狀態地面監測系統的研制及應用分析

李旭偉

（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

高速動車組運行狀態地面監測系統的研制及應用分析

李旭偉

（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

動車組運行狀態地面監測系統主要用于識別車輪踏面損傷以及運行狀態不良的車輛，并兼有車輛偏載監測功能，是確保動車組運行安全的重要技術裝備，對預防行車事故、減少車輛及軌道部件傷損具有重要作用。文章介紹了系統測試原理及測區布置方案、系統功能及構成，以及系統在蘭新第二雙線、大西客專試驗中的應用，并利用測試數據分別對踏面損傷識別、系統垂直力測試精度進行了分析。

動車組；運行狀態不良；踏面損傷；垂直力；全連續

隨著四縱四橫高速鐵路骨干網的基本建成，我國高速鐵路發展已經由大規模建造步入長期安全運營管理與維護階段。其中，輪軌狀態的控制是車輛安全性和舒適度維護的關鍵，目前采用定期修來實現，成本較高。若能準確識別車輪踏面損傷（車輪磨耗、車輪剝離、多邊形車輪等），實現動車組輪對的狀態修，將有效提高動車組維修的經濟性。

中國鐵道科學研究院（簡稱：鐵科院）在既有有砟軌道客貨通用車輛運行品質軌邊動態監測系統（TPDS）的基礎上，攻克了無砟軌道二維傳感器技術、全連續測區測力技術、電磁兼容技術、動車組踏面損傷識別技術、動車組運行狀態識別技術，研制了動車組運行狀態地面監測系統（DTPDS），該系統是國內首創的基于無砟軌道的高速輪軌力動態監測系統，能在較高行車速度條件下自動識別動車組運行狀態、車輪踏面損傷。

1 監測系統的測試原理及測區布置方案

1.1 測試原理

車輛運行品質軌邊動態監測系統（TPDS）基于自主知識產權的 “移動垂直力綜合檢測方法”［1-4］，單元測區有效長度達到了米級，如圖1所示；為實現踏面的全輪周覆蓋以及車輛蛇行失穩波長的識別，TPDS通常采用多個單元測區連續設置、相鄰單元測區共用端部剪力傳感器的模式，如貨車TPDS采用加大軌枕間距（760 mm）的3個單元測區連續布置，每個單元測區長度1.6 m，如圖2所示。客貨通用TPDS采用標準軌枕間距（600 mm）的5個單元測區連續布置，每個單元測區長度1.2 m，如圖3所示。

圖1 輪軌垂直力測試原理圖

圖2 貨車TPDS 3單元測區連續布置圖

由于剪力傳感器存在測量過渡區，使得相鄰單元測區間有一中斷區（如圖2、圖3紅圈部分），中斷區長度約為一個軌高，中斷區個數隨單元測區的數量增加而增加。5單元測區連續布置的測量時序圖如圖4所示，從圖中看到因剪力過渡區的影響，相鄰單元測區間存在不連續現象，從而對多邊形輪對邊數的確定、運行狀態不良車輛的識別產生了一定影響。針對該問題，TPDS項目組在“移動垂直力綜合檢測方法”的基礎上，創造性地提出了一種長距離全連續輪軌垂直力測試方法，該方法在標準軌枕間距、不增加硬件的情況下通過構造非傳統＇復合測區＇來實現輪軌垂直力的全連續測量（實測時序如圖5），為輪軌力監測類設備的深入運用及輪軌作用的研究創造了條件。

圖3 客貨通用TPDS 5單元測區連續布置圖

圖4 5單元測區連續布置測量時序圖

圖5 標準枕距5單元測區TPDS對五邊形840輪對的實測時序圖

1.2 測區布置方案

動車組運行狀態地面監測系統為高速輪軌力測試設備，綜合考慮動車組車輪直徑、軸距特征以及動車組蛇行失穩波長等信息，該系統采用6個單元測區連續布置方案，且每個單元測區由4對剪力傳感器、6只二維墊板式傳感器組成，單元測區長度1.887 m，6個單元測區共計11.322 m，采用長距離全連續輪軌垂直力測試方法，從而保證了11.322 m范圍內的輪軌垂直力的全連續，為動車組車輪踏面損傷及其類別的準確識別、車輛蛇行失穩的穩定捕捉創造了有利條件。單元測區及6單元測區布置圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 單元測區布置圖

圖7 6單元測區連續布置圖

2 監測系統功能及構成

2.1 系統功能

動車組運行狀態地面監測系統是采用無砟軌道輪軌力連續測量技術，實現高速動車組運行狀態、車輪踏面損傷的動態檢測。其主要功能為：識別運動狀態不良的車輛、識別車輪踏面損傷（包括多邊形、擦傷、剝離、碾堆、動不平衡等）、車輛的偏載監測。

2.1.1 運行狀態不良車輛檢測

動車組運行狀態地面監測系統對動車組運行狀態的評判采用“分散檢測、網絡集中報警”的方法［5］，通過單次測量的連續輪軌力參數對動車組蛇行失穩特征進行自動識別評判，在此基礎上再綜合該車多探測站、多頻次的檢測結果進行綜合分析評判，從而使檢測結果能夠較真實地反映監測動車組近期的動力學性能，為動車組車輛的狀態修提供依據。

2.1.2 車輪踏面損傷檢測

車輪踏面損傷形式多樣，如多邊形輪對、擦傷、剝離、碾堆、動不平衡、局部失圓等，在動車組高速行駛過程中，微小的車輪踏面損傷都將導致輪軌間產生很大的沖擊力，從而加劇對軌道和車輛部件的傷損，如軸箱螺栓松動丟失、折斷等，嚴重的甚至造成斷軌、斷軸等惡性事故。車輪踏面損傷檢測是根據測量的全輪周范圍內的連續輪軌垂直力，采用沖擊當量［6-8］來評價損傷危害的嚴重程度，與傳統間斷測量系統相比，踏面損傷捕獲率大為提高。

2.1.3 車輛偏載檢測

車輛偏載是造成列車在小曲線半徑等軌道扭曲較大區段脫軌、傾覆的重要原因，動車組運行狀態地面監測系統可準確測量車輛輪載分布情況，從而能夠及時發現因乘客偏乘、軸箱彈簧折斷等引發的車輛偏載。

2.2 系統構成

動車組運行狀態地面監測系統由傳感器、數據采集儀、測試工控機、測點服務器、車號圖像自動識別裝置、網絡設備、無線傳輸設備、室外機柜等探測站設備以及中心管理服務器、復示終端等構成，構成示意圖如圖8所示。

圖8 系統構成示意圖

3 監測系統的應用

3.1 系統在蘭新第二雙線的應用

3.1.1 大風專項試驗

在蘭新二線大風專項試驗中，為實現動車組整車傾覆系數的測量，采用了地面輪軌力連續測量系統DTPDS，該系統安裝在蘭新二線百里風區紅層南K3018＋800下行線。在大風專項試驗中，DTPDS系統的測試數據是試驗列車逐級提速的重要參考數據之一，為試驗安全順利進行提供了有力的試驗數據保障。

3.1.2 長期監測

2016年1月25日對該臺設備進行了聯網運行，采用3G無線網絡數據傳輸，實時將監測信息傳至設在鐵科院的中心管理服務器，同時提供監測信息監控查詢平臺，從而實現了對運營動車組的長期監測。截止2016年6月底共探測1 988列18 900輛次動客車，其中動車1 687列13 520輛次，客車踏面損傷報警61輛次，部分報警信息如圖9所示。

圖9 系統監測的部分客車踏面損傷報警界面

在監測的1 687列13 520輛次動車中，按照目前踏面損傷預報標準（沖擊當量≥19進行預報）均未達到報警級別，但從監測的波形數據分析，部分動車組的車輪已經出現多邊形，沖擊力有的已接近20 k N，圖10為出現28邊形趨勢的某動車組四條輪對的輪軌力監測圖。對于上述動車組，項目組將進一步重點跟蹤監控。3.2 系統在大西客專綜合試驗中的應用

2015年5月，動車組運行狀態地面監測系統通過了大西客專綜合試驗行車試驗評審，2015年8月在大西客專忻州西下行線K180＋325處完成設備安裝調試工作，2016年3月初完成聯網，采用3G無線網絡數據傳輸，實時將監測信息傳至設在鐵科院的中心管理服務器，與蘭新第二雙線的系統接入同一監控平臺，進行統一的數據監控查詢管理。截止6月底共探測1 496列15 094輛次動車，無踏面損傷報警。系統監控設備安裝見圖11。

圖11 系統監控設備安裝圖

由于綜合試驗時，大部分時間采用同一動車組列車在大西客專進行長期、反復試驗，從而為系統垂直力即動車組車輛質量測試精度的分析提供了便利條件。每日試驗列車開行多個往返，假定每日動車組每輛車的質量基本不變，統計每日系統測試的多趟動車組質量的重復性，分析系統垂直力測試誤差。

本文統計了2016年4月7日至5月6日一個月的動車組監測數據，共計5 340輛次，速度范圍為53～289 km／h、平均速度267 km／h，按每日監測的某輛車的多次平均質量為標準質量計算該日該車的測量誤差，根據此方法一個月來監測的5 340輛次車測試誤差分布如圖12所示，從分布圖可見：系統垂直力測試誤差總體上均介入±3%范圍內，絕大部分介入±2%，說明系統具有較高的垂直力測試精度。

圖12 垂直力測試誤差分布圖

4 結束語

本文分析了自主知識產權的輪軌力連續測試技術，針對單元測試區之間存在的間斷問題提出了一種長距離全連續輪軌垂直力測試方法，并結合動車組的特點制定了無砟軌道測區布置方案。同時，闡述了動車組運行狀態地面監測系統的功能及構成，介紹了該系統在蘭新二線、大西客專上的應用，通過系統測試數據的分析，表明該系統具有較高的測試精度，同時也發現了部分動車組車輪出現了多邊形，從而為多邊形輪對的監控及檢修提供了技術手段。

［1］ 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.

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Development of EMU Performance Detection System and Applied Analysis

LI Xuwei
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

EMU performance detection system is mainly used to identify damage of wheel tread，hunting EMU and unbalanced-load，which is an important technical equipment to ensure EMU operation safety and plays an important role in preventing railway traffic accident and reducing damage of EMU or track component.This paper introduces the testing principle of the system and layout scheme of survey area，system function and composition，application in the test of the second double line of Lan Xin railway and Datong－Xi’an passenger，and analyzes identifying wheel tread damage，test precision of vertical force using the test data.

EMU；hunting；damage of wheel tread；vertical force；completely continuous

U260.11＋1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.07

1008－7842（2016）06－0025－04

5—）男，副研究員（

2016－08－01）