大秦線TPDS預報運行狀態不良車輛的原因分析

王立奇

摘 要：貨車運行狀態地面安全監測系統（TPDS）利用設在鐵路正線直線段上的軌道測試系統，通過對走行車輛在軌道上產生的輪軌力或輪對運動狀態測量，可對車輛的運行穩定性進行有效監測，從而識別運行狀態不良的車輛，目前該系統已在全路各大干支線普及應用，技術日趨成熟，對鐵路貨車運行狀態的安全監控發揮了重要作用。本文通過對太原鐵路局大秦鐵路木林探測站TPDS預報運行品質不良車輛的統計分析，就如何進一步提升車輛檢修水平，提高車輛運行品質進行了簡要分析及探討。

關鍵詞：貨車；TPDS；大秦線；運行品質；報警

貨車運行狀態地面安全監測系統（TPDS）是針對鐵路貨車空車直線段脫軌而研發的一種軌邊監測系統，它利用設在軌道結構中的檢測平臺，實時對過往車輛輪軌之間的動力學參數進行檢測，并根據檢測結果判定車輛的運行狀態，在此基礎上各TPDS探測站聯網識別運行狀態不良車輛，通過“分散檢測、集中報警、網絡監測”，實現了“聯網評判、信息共享”，極大的促進了鐵路貨車安全防范手段從人控向機控、由粗放管理向集約管理的轉變。貨車運行狀態地面安全監測系統（TPDS）安裝在直線段，可準確識別貨車是否蛇行失穩及失穩的程度，通過對運行品質不良車輛的預警、追蹤、處理，可以大大減少空車脫軌事故的發生。然而如何提高車輛檢修質量，預防TPDS預報運行狀態不良，徹底消除故障隱患，逐漸成為鐵路貨車檢修的一項難題。為此，我們對大秦線木林探測站TPDS預報運行品質不良車進行了專項調研，具體情況如下：

1 TPDS運行狀態不良聯網評判原理及既有運用限度

貨車運行狀態地面安全監測系統（TPDS）采用了板式傳感器、移動垂直力測試等新技術，實現了輪軌之間垂直力、橫向力的連續測試，再加上高平順測試平臺、車號自動識別技術等，實現了對車輛橫向動力學性能的測試功能，可準確的識別車輛的運行狀態及貨車是否蛇行失穩及失穩的程度；其特點是監測成本低、對象多、頻次高，但具體到單次監測，則包含了一些隨機因素（如沖角、編組輛數、列車縱向力等）的影響。

單個TPDS探測站對通過速度大于50km/h（有效通過）的空車進行運行狀態評分，TPDS查詢中心匯集了全路各TPDS探測站評分，并對每輛貨車進行運行狀態的“聯網評判”。TPDS“聯網評判”采用了“滑動累加”的計算方法，“滑動累加”的窗口長度為七次有效通過，即對每輛貨車采用其最近七次有效通過（空車50km/h以上）的運行狀態評分之和作為該車運行狀態聯網評分，運行狀態聯網評分表征了該車近期的動力學性能。2015年11月5日，為進一步優化TPDS預報運行品質不良貨車預警分值和檢修要求，鐵路總公司運輸局車輛部組織專家經過評審，明確了“大秦線TPDS預報分值維持不變，其他線路TPDS運行狀態不良貨車聯網報警門檻值調整為60分及以上”，超過警戒值，TPDS系統就會顯示一級報警狀態，通過對預警車輛的適時扣修，有利于消除安全隱患、提升車輛的運行品質。

2 TPDS運行狀態不良車輛數據統計

我們對管內大秦線TPDS預報運行品質不良車均進行了重點盯控，并按照“重點車”管理規定及時組織進行了扣修，同時對大秦線木林TPDS空車探測站預報的105輛運行狀態不良車輛進行了統計分析，具體情況如下：

2.1 按車型統計

C80B型車90件輛，占施修總輛數的85.7%；C80型車12輛，占施修總輛數的11.4%；C76（B、C）型車2輛，占施修總輛數的1.9%；C80BF型車1輛，占施修總輛數的1.0%。

2.2 按照檢修發現的故障情況統計

共計發現各類故障159件，具體情況為：

a“旁承技術狀態”不符合規定：共計76件，占故障總數的47.8%，其中“旁承間隙”過限68件（即：整車落成情況下，上旁承磨耗板下平面與下旁承旁承滾子之間的距離不符合5-7mm范圍），下旁承座與旁承盒縱向間隙不符合規定8件。

b輪對故障：共計67件，占故障總數的42.1%，其中輪徑差過大25件，圓周磨耗過限19件，輪緣過限17件，車輪踏面有劃痕3件，車輪踏面局部凹陷2件，車輪踏面剝離1件。

c其他故障：共計16件，占故障總數的10.1%，其中心盤螺栓松動6件，斜楔磨耗板磨耗過限6件，下心盤與心盤磨耗盤間有煤渣3件，側架立柱磨耗板磨耗過限1件。

由上分析可以看出，“旁承技術狀態不良”和“輪對踏面”故障共計143件，占了故障總數的89.9%。

3 導致車輛運行狀態不良的原因分析

貨車運行狀態地面安全監測系統（TPDS）預報運行狀態不良主要是橫向動力學特性不良，其對鐵路貨車運行狀態的評判主要采用了FRA軌道安全標準的幾個指標：軸脫軌系數和動輪比，其相關要求見表1：

從表1可以看出，如果輪軌間的橫向力過大和垂向力減載，超過一定限度時，TPDS系統便進行預警“運行狀態不良”。

3.1 從導致輪軌間“橫向力”過大的因素著手

3.1.1 同一輪對兩車輪輪徑差過大

在車輛運行過程中，同一輪對兩車輪要保持相同的線速度，線速度=角速度×車輪半徑，從理論上分析，輪對運行過程中，半徑小的車輪，其角速度也相對較大，但是由于車輪與車軸之間壓裝力的限制，同一輪對兩端大、小車輪角速度是相同的，同時由于車輪踏面可以模擬為等效錐形，這樣在車輛運行時，輪徑小的車輪要進行橫移，其輪緣要向鋼軌貼靠，輪徑差越大，輪對中心偏離軌道中心的程度也越大，輪緣貼靠鋼軌的程度及輪軌之間的橫向力也隨之增大，當輪對的橫移量產生后，使輪對的運行方式由縱向直線運動轉化為縱向與橫向運動的合成，易造成輪對蛇形運動失穩，以致輪軌橫向力變大（輪對蛇形運動原理：輪對在軌道上的蛇形運動應當保持運動穩定，即輪對中心沿軌道中心線運行，即使某些原因使輪對中心偏離軌道中心線后，也希望很快收斂到軌道中心線上；如果輪對運行時，其中心越來越偏離軌道中心，則輪對蛇形運動失穩，輪對的橫移量及搖頭角度越來越大，以致爬軌）。

3.1.2 下旁承橡膠體壓縮量不符合規定

“下旁承組成”是鐵路貨車車輛結構的重要部件，大秦線運行的重載貨車普遍采用常接觸彈性旁承（如：目前運用的轉K6型轉向架均采用JC型雙作用彈性旁承），通過提供相當比例的回轉阻力矩，常接觸旁承可以有效控制轉向架的搖頭動作。若“旁承間隙”過大、下旁承橡膠體壓縮量不足，則不能為車輛的平穩運行提供足夠的回轉阻力矩，這將導致空車動力學性能的下降（同時根據常接觸旁承的作用原理，旁承體預壓縮量不均勻時，將導致各彈性旁承的承載荷不均勻，整車的回轉阻力矩失衡，使車輛的搖頭及側滾振動加劇，因此導致TPDS聯網積分值增加）。

M車輛=M旁承+M心盤，M旁承=μND

其中：M車輛——車輛的回轉阻力矩；

M旁承——旁承回轉阻力矩；

M心盤——心盤回轉阻力矩；

Μ——上、下旁承磨耗板之間的摩擦系數；

N——上、下旁承之間的正壓力；

D——心盤中心至旁承中心的距離。

μ是基本相同的，D是相同的，而N不符合規定（在下旁承橡膠體物理性能符合規定的前提下，N可由下旁承橡膠體的壓縮量直觀得出），那么M旁承不符合規定，易造成轉向架搖頭，輪對的蛇形運動加劇，導致輪軌間橫向力加大。

根據《段規》規定，JC型旁承磨耗板上平面至滾子上部距離為14-17mm（70噸級、C76、C80型車），整車落成后，上旁承下平面與雙作用彈性下旁承滾子的間距（即“旁承間隙”）為5-7mm（C80、C80B等型敞車），這樣，下旁承橡膠體壓縮量的壓縮范圍應該為7-12mm，如果不符合這個范圍，則說明車輛的M旁承不符合規定。

3.1.3 “下旁承座與旁承盒”縱向間隙過限、下心盤螺栓松動

從常接觸彈性旁承作用原理分析，下旁承座與旁承盒縱向間隙小，對整車回轉阻力矩的影響也越小。反之，回轉阻力矩減小，TPDS聯網積分值增加。

當下心盤內有雜物、心盤螺栓緊固力矩不符合規定時，會對M心盤造成一定影響。

M車輛直接影響著車輛運行的平穩性，M車輛不符合規定，易導致輪對蛇形運動加劇，從而導致輪軌之間“橫向力”過大。

3.2 從導致輪軌間“垂向力”減載的因素著手

3.2.1 下旁承橡膠體壓縮量不均勻

下旁承橡膠體的壓縮量可以直觀反映出下旁承的受力狀態，根據作用力與反作用力的關系，也反映著車體的受力狀態，下旁承橡膠體壓縮量計算公式為：δ=A-σ

其中：δ——下旁承橡膠體壓縮量；

A——JC型旁承下旁承磨耗板上平面與滾子的距離；

σ——“旁承間隙”（即：整車狀態下上旁承磨耗板下平面與下旁承磨耗板上平面間隙）。

在下旁承橡膠體物理性能符合規定的前提下，δ不均勻，則說明下旁承承受的載荷不均勻，也說明車體所受的力不均勻，在車輛運行狀態下，車體有著上下、左右、前后運動的三維自由度，車體兩側所受的力不均勻，易導致車體左右擺動加劇，從而造成兩側車輪頻次增、減載，輪軌間的“垂向力”受影響，影響車輛的動力學性能，對車輛運行狀態造成影響。

3.2.2 同一輪對輪徑差過大

同一輪對兩車輪輪徑差過大或者全車、同一臺車車輪輪徑差過限，會導致在車輛運行時，輪徑小的車輪減載，輪徑大的車輪增載，在車輛運行時，影響輪軌間的“垂向力”。

3.2.3 摩擦副之間的配合作用、枕簧、承載鞍軸箱橡膠墊性能不良

斜楔、側架立柱磨耗板等摩擦副的配合作用及枕簧撓度、承載鞍軸箱橡膠墊的物理性能，對車體垂向力向輪軌之間的傳遞過程有緩沖作用，也直接影響著輪軌之間的“垂向力”。

綜上分析可知，導致“TPDS預報運行品質不良”是車輛各部結構的綜合因素累計所致，在這其中各種因素的權重有所不同，在特定車輛中甚至也有所差別，但綜合分析、比較來看，“下旁承組成”和“輪對”的技術狀態是關鍵性因素。

4 建議采取的措施

4.1 強化對“運行狀態不良聯網報警車輛”的扣修

車輛段運用車間、列檢作業場對于到達、始發列車運行品質不良聯網報警車輛要立即扣修；扣車時重點檢查輪對、側架導框、側架立柱磨耗板、斜楔及主摩擦板、搖枕斜楔摩擦面磨耗板、常接觸式旁承或間隙旁承、承載鞍及與承載鞍接觸的有關配件、枕簧、心盤及心盤螺栓等技術狀態，確保車輛運行安全。

4.2 強化“下旁承組成”產品質量卡控及“旁承間隙”的測量

配件入段檢驗或檢修車間對“下旁承組成”檢修時，要嚴密卡控自由狀態下“JC型旁承磨耗板上平面至滾子上部距離”，確保JC型彈性旁承產品質量合格；段修臺車落成時，嚴密卡控旁承座與旁承盒之間的縱向間隙，確保符合規定，避免由于旁承座與旁承盒之間的縱向間隙過限對車輛的“旁承回轉阻力矩”造成影響；廠修、段修、臨修車輛落成檢測時，必須保證“上旁承磨耗板下平面至下旁承滾子之間的距離”符合規定，以總體保證下旁承橡膠體壓縮量均符合規定。

4.3 嚴密卡控車鉤、牽引梁高度

車輛在廠、段、輔、臨修作業調整牽引桿、車鉤高度時，應在車輛兩端同時進行調整、測量、確認，在保證車鉤一端鉤高符合870～890mm規定尺寸的同時，還應保證牽引桿一端牽引梁上平面距軌面距離高度符合要求，以防止車輛重心偏移量過大，導致兩轉向架承受載荷不一致，從而造成輪對增、減載，影響車輛動力學性能。

4.4 加嚴輪徑差技術指標

針對“目前120km/h車輛，段修時同一臺車輪徑差不大于15mm，同一車輛輪徑差不大于30mm”的規定，制定加嚴技術措施，調整同一臺車、同一車輛的輪徑差規定，避免因為輪徑差過大導致輪對增、減載，影響車輛運行品質。

4.5 卡控輪對檢修

輪對檢修車間在對輪軸檢修時，要對輪徑、輪對內側距等關鍵尺寸逐個測量，確保車輛、轉向架、同一輪對兩車輪直徑差符合技術規定；同時對于“TPDS運行品質不良聯網報警”的鐵路貨車，運用車間、列檢作業場須全數進行扣修處理，該車扣入站修作業場后，站修對該車進行全面技術檢查，并嚴格按照段修限度對輪對進行檢修，輪對踏面等技術尺寸不符合段修限度的須組織進行更換。

4.6 強化下心盤檢修工藝的執行

廠、段修轉向架落成檢測時，要全數清掃下心盤與心盤磨耗盤之間的雜物、污物，確保下心盤組裝螺栓力矩M心盤符合規定。

參考文獻：

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