TPDS、TADS探測客車技術研究及技術改進建議

鄧俊波

（中國鐵路武漢局集團有限公司車輛部，湖北武漢 430071）

0 引言

車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T系統(tǒng)）由車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（THDS）、車輛運行品質軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）、車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統(tǒng)（TADS）、貨車故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）、客車運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)（TCDS）等子系統(tǒng)組成。近年來，在貨車TFDS、TADS成熟運用的基礎上，開始研制并推廣鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TVDS）、動車組運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS）、動車組滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統(tǒng)（TADS-1），進一步完善了車輛運行安全監(jiān)控手段［1-2］。5T系統(tǒng)中THDS、TPDS、TADS、TFDS等貨車安全檢測子系統(tǒng)針對貨車走行部進行檢測，在既有普速鐵路上部署較為密集，是及時發(fā)現貨車走行部故障的主要手段。TEDS、TADS-1等動車組安全檢測子系統(tǒng)的應用，以及在進入動車段和動車運用所咽喉處部署的車輛故障在線監(jiān)測系統(tǒng)等，也實現了對動車組走行部故障的有效監(jiān)測［3-4］。

相對而言，普速客車（簡稱客車）運行安全監(jiān)控手段相對薄弱，TCDS是通過客車車載無線設備向地面監(jiān)控設施實時傳送客車運行數據的安全監(jiān)測設備，其檢測重點是客車供電、車下電源、軸溫報警器、制動系統(tǒng)等，對于客車走行部的檢測手段不足；TVDS在一定程度上彌補了客車走行部的安全檢測手段，實現了對客車走行部關鍵部位的圖像檢測，但對客車車輪踏面損傷和滾動圓失真、轉向架蛇行失穩(wěn)、軸承內部早期缺陷等仍缺乏有效檢測手段［5-7］。鐵路客車、貨車走行部結構有較大相似性，在客貨共線運行的實際情況下，利用既有貨車安全檢測子系統(tǒng)對客車進行兼顧探測，不僅能夠提升客車運行安全監(jiān)控能力，而且可以實現資源共享，更大限度發(fā)揮貨車安全檢測子系統(tǒng)的效用，因此開展貨車安全檢測子系統(tǒng)探測客車技術研究具有重要意義。鑒于TCDS、TVDS已具備部分走行部運行安全監(jiān)測功能，主要針對TPDS、TADS對客車探測的適應性和技術改進進行研究。

1 TPDS探測客車適應性分析及技術改進建議

1.1 適應性分析

1.1.1 電磁兼容問題

在貨物列車上，除機車上有少量干擾源外，其他車輛基本沒有。與貨車不同，客車上安裝有大量機電、通信設備，對客車運行安全起著不可或缺的作用，但電磁能量的發(fā)射對TPDS設備卻產生了較強電磁干擾。客車上的電磁干擾不僅在數量上多于貨車，且干擾源距線路與車輛相互作用的輪軌力監(jiān)測點的距離也更近，其干擾比貨車要嚴重許多。

TPDS的輪軌力測試傳感器屬于毫伏級小信號應變式測量，需經過信號傳輸和信號調理單元的放大、濾波、整形后再進行數據采集處理。在客車電氣電子設備的電磁干擾下，極易造成干擾信號混入應變檢測信號中，使采集的數據失真，甚至會對車輛計軸計輛產生干擾，影響檢測系統(tǒng)的正確評判，導致無法準確預報故障信息。

1.1.2 測試平臺問題

TPDS由22根混凝土軌枕組成框架式軌道測試平臺，軌枕間距設計為760 mm（比普通軌枕間距600 mm寬），測試平臺總長為16.27 m，其中有效測區(qū)在測試平臺中間，長度4.80 m。整個測區(qū)布置示意見圖1。

圖1 TPDS測試平臺整個測區(qū)布置示意圖

目前鐵路正線基本采用大型養(yǎng)路機械進行作業(yè)，相對于600 mm的正線軌枕間距，在大機搗固作業(yè)時，TPDS測試平臺區(qū)域需調整搗固頭間距，導致作業(yè)周期延長，作業(yè)組織較為困難。多數情況下，在TPDS測試平臺區(qū)域均采用人工搗固取代大機搗固，造成局部線路質量與鄰近線路不一致，導致設備檢測精度下降，尤其是客車運行速度高于貨車，探測數據可靠性進一步降低。

考慮到水源工程在運行過程中自身需要消耗部分原材料、原水、輔助材料以及備品備件等，建議按陶岔渠首出口新增毛供水量適當考慮計算水源工程的燃料材料及動力費。

另外，從檢測1個振動周期以上輪軌力及變化規(guī)律的要求來看，既有TPDS能保證對運行速度較低、輪對直徑較小的貨車實現檢測要求。但對于行車速度明顯提高、輪徑較大的客車而言，既有4.80 m的檢測區(qū)域長度難以實現檢測要求，這也會影響評判客車轉向架蛇行失穩(wěn)結論的準確性。

1.1.3 踏面損傷模型問題

既有TPDS踏面損傷模型建立在貨車車輪監(jiān)測數據基礎上，并結合《鐵路貨車運用維修規(guī)程》相關標準，制定報警標準。由于客貨車輪重、速度、結構均有差別，且客車對踏面損傷的運用標準明顯嚴于貨車，因此既有TPDS踏面損傷模型并不能適應客車踏面損傷方面的應用，必須重新開發(fā)客車踏面損傷報警模型，并根據《鐵路客車運用維修規(guī)程》制定相應的報警標準。

1.2 技術改進建議

1.2.1 電磁兼容解決方案

針對電磁干擾問題開展技術攻關，分析客車電磁干擾特征，從傳感器應變信號采集為起點，對信號采集、信號傳輸、信號放大及調理單元、信號整形濾波系統(tǒng)到數字信號的計算機處理，綜合使用屏蔽技術、接地技術、布線技術、濾波技術和磁環(huán)抑制技術，進行多層次干擾消除研究。同步對供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)進行改進，實現客車運行條件下TPDS設備抗電磁干擾的系統(tǒng)升級。

1.2.2 測試平臺解決方案

鑒于既有測試平臺有效測試區(qū)長度不能滿足客車探測要求，對測試平臺進行重新設計。將測試平臺軌枕間距改為600 mm，與正線一致，以保證TPDS測試區(qū)段的軌道線路得到良好養(yǎng)護維修，一方面確保區(qū)段線路質量，另一方面提高檢測系統(tǒng)檢測數據的準確性。將軌枕間距縮小后，測試區(qū)長度相應縮短，通過增加傳感器，將有效測試區(qū)長度由4.80 m增加至6.00 m，則可同時滿足客貨車檢測1個振動周期以上輪軌力及變化規(guī)律的要求，實現對客車轉向架蛇行失穩(wěn)的準確探測。

1.2.3 建立新的踏面損傷模型

通過研究客車踏面損傷沖擊力特征與貨車的差異，以及客貨車在輪重、速度、簧上質量參與沖擊程度等方面的不同，在大量分析客車TPDS監(jiān)測數據基礎上，研發(fā)客車踏面損傷模型，并根據《鐵路客車運用維修規(guī)程》的相關標準制定報警級別。

2 TADS探測客車適應性分析及技術改進建議

2.1 適應性分析

既有TADS是通過在鐵路正線軌道兩側安裝聲學傳感器陣列，采集貨物列車車輛滾動軸承發(fā)出的噪聲信號，采用聲學診斷技術和信號處理技術對采集的噪聲信號進行實時處理，重點檢測車輛滾動軸承滾子、內圈、外圈等早期故障，判別滾動軸承的工作狀態(tài)。

從客車和貨車軸承結構來說，其滾動軸承都是由內圈、外圈、滾動體和保持架等元件組成。當滾動軸承部件的滾動工作面出現故障時，在軸承運轉中滾動體碾壓到故障部位，就會產生沖擊振動，這種沖擊振動與正常情況的振動有所不同，具有很寬的頻率范圍，常能激起軸承部件的共振，引發(fā)異常聲音。因此，從TADS設備工作原理來講，能夠對客車軸承故障進行檢測，但必須考慮客貨車車輪滾動圓外徑尺寸不同及滾動軸承外形尺寸、滾子類型等的差異，且同樣要考慮電磁兼容問題。

2.1.1 車輪滾動圓外徑尺寸不同對探測的影響

當前主型貨車、客車車輪信息見表1、表2。

表1 主型貨車車輪信息

表2 主型客車車輪信息

可見，客車滾動圓外徑比貨車大，相對位于車輪滾動圓中心位置的滾動軸承比貨車滾動軸承位置僅高10～40 mm，與軸承部件故障共振產生的聲音完全在TADS聲學傳感器探測范圍之內，因此既有TADS可實現對客車滾動軸承故障聲音的采集。

2.1.2 滾動軸承外形尺寸、滾子類型差異對探測的影響

客車與貨車滾動軸承有很多相同之處，也存在不少差異。首先，貨車滾動軸承外沒有封閉作用的軸箱，而客車軸承外有封閉作用的軸箱，使得客車故障軸承的聲音品質與貨車有所差別；其次，客車滾動軸承外形尺寸與貨車也不一樣，貨車滾動軸承內圈內徑大多是150 mm，而客車大多是130 mm；再次，客車滾動軸承滾子類型與貨車也不相同，貨車滾動軸承的滾子類型都是圓錐形，而客車多為圓柱形。

因為客車與貨車滾動軸承外形尺寸、滾子類型的差異，不同故障位置的頻率特征表現也不同，貨車的判別模型無法直接應用到客車軸承故障的判別。

2.2 技術改進建議

2.2.1 建立新的客車滾動軸承故障模型

通過研究客車滾動軸承外形尺寸、滾子類型特征與貨車的差異，在大量分析客車TADS監(jiān)測數據基礎上，重新編寫和建立針對客車滾動軸承的故障特征識別算法和判別模型，實現對客車滾動軸承故障的判別。

2.2.2 電磁兼容解決方案

TADS采集信號同TPDS一樣屬于弱信號，易受電磁干擾。同樣需要在分析客車電磁干擾特征的基礎上，綜合使用屏蔽技術、接地技術、布線技術、濾波技術和磁環(huán)抑制技術等對TADS設備進行多層次干擾消除，同步對供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)進行改進，實現客車運行條件下TADS設備抗電磁干擾的系統(tǒng)升級。

2.3 存在的問題

TADS探測客車會受到車輛運行速度的限制。TADS對30～120 km/h的列車能夠有效提取聲音數據，速度太低，滾動軸承故障運行中發(fā)出的聲音太小，可能淹沒到背景噪聲中，很難提取有效信息；而速度太高，滾動軸承故障運行中發(fā)出的聲音會受多普勒畸變等多種情況影響，也很難提取有效信息。TADS對超過120 km/h運行速度客車滾動軸承的診斷還需進一步研究。

3 結束語

通過TPDS、TADS探測客車技術的適應性改進，可實現對客車車輪踏面損傷和滾動圓失真、轉向架蛇行失穩(wěn)、軸承內部早期缺陷等走行部故障的有效檢測，彌補客車走行部的安全檢測手段，提升客車運行安全監(jiān)控能力，并可實現資源共享，更大限度發(fā)揮貨車安全檢測子系統(tǒng)的效用。