基于貨車TPDS系統的鐵路客車動力學性能分析

譚佳豐

（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081）

基于貨車TPDS系統的鐵路客車動力學性能分析

譚佳豐

（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

貨車運行品質軌旁動態監測系統（TPDS系統）提供了一種新的輪軌力測試方法，其利用整體框架結構檢測平臺不間斷測量鐵道車輛輪軌力，并對車輛運行狀態進行綜合評判。本文利用既有貨車TPDS系統的高平順平臺，對青藏線部分客車輪軌力進行測試分析，推算出青藏線客車的脫軌系數及分類特征點，并結合客車的運行特點，對青藏線客車運行狀態進行了初步評判，找出需要重點關注和追蹤的列車，從而利用貨車TPDS系統對客車動力學性能進行了探索性研究。

TPDS系統；鐵路客車；輪軌力；脫軌系數；動力學性能

列車在線路上運行時應具有良好的橫向穩定性，在低速至最高速度范圍內不容許發生蛇行失穩。如發生劇烈蛇行失穩，會產生很大的橫向輪軌作用力，對線路造成破壞，甚至會出現脫軌事故，嚴重影響運行安全［1］。因此，鐵道車輛的動力學性能一直是鐵道車輛研究的重點［2］。

近年來，基于輪軌力測量的貨車運行品質軌旁動態監測系統（TPDS系統）在全路安裝、運用，使得鐵道車輛動力學性能的地面監測技術有了很大的發展［3-4］。貨車TPDS系統提供了一種新的輪軌力測試方法，利用設在正線軌道上的整體框架結構高平順檢測平臺，實時測量并評估列車輪軌間的橫向力、垂向力及其導出參數，從而實現對列車運行時動力學性能的監測［5-7］。本文利用既有貨車 TPDS系統的高平順平臺，對青藏線部分客車運行狀態進行了測試分析，并結合客車的運行特點，對客車的動力學性能進行了探索。

1　TPDS系統原理及運用情況

1）TPDS系統測試原理

貨車空車的脫軌事故在20世紀90年代頻發，針對貨車臨界速度的蛇行失穩問題，開發了TPDS系統。車輛的運行特性研究中車輛輪軌力測量最為關鍵，但傳統地對車測試方法中測區長度短，難以消除諸如軌道不平順等引起的附加動荷載誤差。貨車TPDS系統則采用了全新的方法，在既有線路條件下設置整體框架式的高平順測試平臺，增加了測區長度，剪力傳感器和雙向板式傳感器交叉布置于平臺，構成近5 m的有效測區，剪力測試數據和板式傳感器數據通過算法合成，得到車輛通過測區時連續不間斷的輪軌力。TPDS輪軌力測試方法示意如圖1。該方法克服了傳統方法測區短，只能得到瞬時波動的缺點，極大地提高了對車輛動力學性能的把握。

圖1　TPDS系統輪軌力測試方法示意

2）TPDS系統動力學分析方法

貨車TPDS系統監測的輪軌動力學指標及處理方法是采用FRA 213軌道安全標準中的監測指標及處理方法。脫軌系數的計算公式為

式中：Q1為作用于輪緣上的橫向力；P1為作用于車輪上的垂直力；a1為通過輪緣圓弧面上的拐點所作切線與水平線的夾角；μ1為輪緣與鋼軌間的摩擦系數［8］。

式（1）是最基本的脫軌系數計算公式，實際情況中，脫軌系數的計算往往十分復雜，影響因素很多［9］。貨車TPDS系統在路內運用10多年，目前積累了大量的數據，TPDS系統脫軌系數參數來源于海量測試數據的經驗值［10］。

3）貨車TPDS系統應用情況

鐵道部運輸局自2003年開始建立全路車輛安全防范、預警5T系統，TPDS是5T系統的重要組成部分，近年逐步形成了覆蓋全路的 TPDS監測網絡。貨車TPDS在大秦線貨車運行狀態研究中已經取得很大成果，TPDS系統分析數據很好地為貨車檢修提供了參考。隨著對TPDS系統的進一步深入研究，TPDS系統逐步被應用于對客車運行狀態進行分析。

2　青藏公司客車動力學分析

青藏線運行線路長，線路復雜，對客車的整體性能要求很高，對進藏客車動力學性能的研究十分重要。本文選取了2015年9月1日到10月13日格爾木東TPDS系統的監測數據，對青藏公司擔當的 K9803，K9805列車的 51輛客車的動力學情況進行了分析。由于數據采集時TPDS系統配套的AEI設備還不具備探測客車車號的功能，下文中的車號利用 KMIS系統的交路信息匹配得到，匹配時默認KMIS開行信息中的車輛順位與TPDS監測到的前進方向順序一致。

根據格爾木東TPDS系統采集的過車數據，分析處理步驟如下述。

1）提取有效樣本

格爾木東 TPDS測點客車通過速度在 55～100 km/h之間（如圖2所示），總樣本數1 442個。鑒于主要考察車輛動力學性能，本文提取了速度≥90 km/h 的627個樣本進行分析。

2）處理樣本波形得到脫軌系數及分類點

格爾木東 TPDS測點客車取得有效樣本627個，將樣本的垂直力和水平力波形提取后，通過經驗公式計算出51輛車共627個樣本的一、二、三、四軸脫軌系數，三維分布如圖3～圖6所示，其中x坐標為客車序號，y坐標為軸脫軌系數，z坐標為分布概率。

圖2　格爾木東TPDS測點客車速度分布

圖3　樣本中一軸脫軌系數分布

圖4　樣本中二軸脫軌系數分布

圖5　樣本中三軸脫軌系數分布

627個樣本前后轉向架一、二、三、四軸共2 508個脫軌系數，見圖7。從脫軌系數的分布可以看出，采樣客車前后轉向架的軸脫軌系數都較低，采樣客車的整體情況比較好，根據樣本軸脫軌系數數據的分布，樣本的分類特征點定為0.038。

圖6　樣本中四軸脫軌系數分布

圖7　樣本軸脫軌系數分布

3）提取動力學性能較差的客車并匹配車號

以分類特征點為限界，按軸位具體分析樣本中列車的情況，找出列車一、二、三、四軸脫軌系數超過分類特征點的列車，再根據過車時間、車輛位置，在KMIS信息中將車號匹配上，結果見表1～表4。

表1　樣本中一軸脫軌系數較大的典型車輛

將一、二、三、四軸脫軌系數中大于分類特征點且比例超過50%的車定為重點列車。從表中可以看到，車號 為 352090，352102，352695，352739，354424，554863，683857的列車脫軌系數相對較大，需重點關注和追蹤。

表2　樣本中二軸脫軌系數較大的典型車輛

表3　樣本中三軸脫軌系數較大的典型車輛

表4　樣本中四軸脫軌系數較大的典型車輛

3　結論及建議

通過TPDS系統監測數據對青藏公司部分客車的動力學性能進行分析，得出如下結論：

1）被監測車輛以90 km/h以上速度通過格爾木東TPDS測點時，未見明顯蛇行運動，動力學性能相對較差的車 輛有 352090，352102，352695，352739，354424，554863，683857。應對這些車輛進行重點關注和跟蹤。

2）由于既有貨車TPDS系統測區長度不能覆蓋客車的半個蛇行波，TPDS設備及車號升級后，建議結合客貨通用TPDS系統的推廣，切實推進客車運行狀態評判研究。

［1］曾京，鄔平波.高速列車的穩定性［J］.交通運輸工程學報，2005，5（6）：1-4.

［2］王福天.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［3］曾宇清，王衛東，舒興高，等.車輛脫軌安全評判的動態限度［J］.中國鐵道科學，1999，20（4）：70-77.

［4］王衛東，曾宇清，于衛東，等.環形線貨物列車直線段脫軌試驗報告［R］.北京：鐵道部科學研究院，2000：5-28.

［5］翟婉明.貨物列車動力學性能評定標準的研究與建議方案——防脫軌安全性評定標準［J］.鐵道車輛，2002，40 （1）：13-181.

［6］翟婉明.貨物列車動力學性能評定標準的研究與建議方案——輪軌橫向力評定標準［J］.鐵道車輛，2002，40（2）：9-101.

［7］翟婉明.貨物列車動力學性能評定標準的研究與建議方案——輪軌垂向力及車鉤力的評定標準［J］.鐵道車輛，2002，40（3）：10-131.

［8］國家標準局.GB 5599—1985鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范［S］.北京：中國標準出版社，1986.

［9］鞠在云.談車輛動力學《規范》的修訂［J］.鐵道車輛，2002 （5）：25-271.

［10］鄔平波，曾京.確定車輛系統線性和非線性臨界速度的新方法［J］.鐵道車輛，2000，38（5）：1-4.

（責任審編周彥彥）

Dynamic Performance Analysis of Railway Passenger Vehicle Based on Freight Truck Performance Detection System（TPDS）

TAN Jiafeng
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Freight T ruck Performance Detection System（T PDS）presents a new test method of wheel-rail force，which continuously measures the wheel-rail force of railway vehicles by using integral frame structure detection platform and makes comprehensive evaluations for the train running state.By using high regularity platform of existing freight T PDS，wheel-rail force of partial passenger vehicle in Qinghai-T ibet line was analyzed，derailment coefficient and the classification feature point of passenger vehicle in Qinghai-T ibet line were calculated，the preliminary evaluation of passenger vehicle running state was carried out by combing with the running characteristics of passenger vehicle，and the passenger vehicles which need to be focused and tracked were determined，that means the freight T PDS should be used for exploratory study of the passenger vehicle dynamic performance.

T ruck Performance Detection System（T PDS）；Railway passenger vehicle；W heel-rail force；Derailment coefficient；Dynamic performance

譚佳豐（1978—— ），男，助理研究員，碩士。

U260.11+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.30

1003-1995（2016）07-0123-04

2016-02-24；

2016-04-19