TPDS在鐵路貨車車輪踏面損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

李甫永，李旭偉，秦菊，陳天柱，譚佳豐

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

TPDS在鐵路貨車車輪踏面損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

李甫永，李旭偉，秦菊，陳天柱，譚佳豐

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

利用TPDS進(jìn)行鐵路貨車車輪踏面損傷的監(jiān)測(cè)和判定可以減少鐵路貨車重大事故。本文介紹了TPDS測(cè)試原理、踏面損傷沖擊當(dāng)量和報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，分析了車輪踏面損傷與軸承保持架、車輛大部件裂損的關(guān)聯(lián)性。TPDS踏面損傷一級(jí)報(bào)警的兌現(xiàn)率超過90%，表明TPDS具有良好的踏面損傷自動(dòng)識(shí)別能力。經(jīng)綜合治理，全路貨車踏面損傷大幅度下降，應(yīng)用TPDS報(bào)警比例持續(xù)減低，貨車軸承保持架和相關(guān)大部件裂損類故障明顯減少。TPDS應(yīng)用于鐵路貨車踏面損傷識(shí)別成效顯著，有力保障了鐵路貨車的運(yùn)行安全。

TPDS 貨車車輪 踏面損傷 自動(dòng)識(shí)別

車輪踏面損傷是鐵路貨車故障的重要根源，常導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架零部件斷裂、軸承部件傷損，引發(fā)車輛燃切軸事故，從而造成軌道結(jié)構(gòu)損傷。踏面損傷形式包括擦傷、剝離、局部凹入、碾堆、多邊形輪對(duì)、動(dòng)不平衡等［1-3］，踏面損傷以往主要靠人工檢測(cè)，工作強(qiáng)度大且易漏檢、漏修。檢查作業(yè)人員對(duì)不同形式的踏面損傷有不同的檢測(cè)參量，如擦傷深度、剝離長(zhǎng)度，但不能準(zhǔn)確反映踏面損傷的危害程度，因?yàn)樘っ鎿p傷的危害程度與其形狀、位置、性狀關(guān)系密切。

貨車車輛的動(dòng)力學(xué)性能、踏面狀態(tài)以及載荷分布對(duì)列車運(yùn)行安全至關(guān)重要。根據(jù)我國(guó)鐵路貨車運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)的需要，2003年原鐵道部規(guī)劃在全路分期建設(shè)車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Truck Performance Detection System，TPDS)［4-7］。該系統(tǒng)通過對(duì)輪軌間沖擊力的監(jiān)測(cè)，綜合考量輪重及速度等因素，得到?jīng)_擊當(dāng)量，從而對(duì)多種形式的鐵路貨車車輪踏面損傷做出科學(xué)合理的評(píng)判。

1 TPDS輪軌力測(cè)試方法

輪軌力測(cè)試廣泛采用傳統(tǒng)的鋼軌剪力法。該方法一般有效檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度只有300～400 mm，只能測(cè)到較實(shí)際靜載或大或小的瞬時(shí)動(dòng)載數(shù)據(jù)。輪軌力的檢測(cè)精度、車輪踏面損傷的捕獲率都很低。為提高檢測(cè)精度，通常增大有效檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度。增大測(cè)區(qū)長(zhǎng)度的方法主要通過增大軌枕間距或在所跨越的多根軌枕之間設(shè)置多個(gè)測(cè)區(qū)來實(shí)現(xiàn)。增大軌枕間距來增長(zhǎng)測(cè)區(qū)的方法在日本、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家都得到較普遍的應(yīng)用，但軌枕間距不可能大幅度增加，因而測(cè)區(qū)長(zhǎng)度也不可能大幅度延長(zhǎng)，并且枕距增大后，人為地造成軌道不平順，會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和列車通過測(cè)試區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)。此外，這種檢測(cè)方法對(duì)車輪踏面損傷的捕獲率仍然較低;在所跨越的多根軌枕之間設(shè)置多個(gè)測(cè)區(qū)的方法雖然增加了測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度但檢測(cè)區(qū)斷續(xù)設(shè)置，軌枕支撐處的輪軌力無法檢測(cè)，因此，無法獲得連續(xù)的輪軌力。

TPDS克服了上述測(cè)試方法的缺點(diǎn)，采用了“剪力+支撐”的輪軌力連續(xù)測(cè)試方法，即移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)方法［8］(見圖1)。該方法使連續(xù)測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度達(dá)到了m級(jí)，從而在不增大軌枕間距、不惡化軌道平順性的條件下大幅增加了連續(xù)測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度。

圖1移動(dòng)垂直力綜合測(cè)試原理

圖1 中，P=Q+∑R，P為輪重，Q為剪力，R為壓力;l1=l3+h，l1為剪力傳感器的間距，l2為壓力傳感器的間距，l3為測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度，h為鋼軌高度。

移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)方法的基本原理是在兩剪力傳感器之間設(shè)置若干個(gè)軌下垂直壓力傳感器，組成一個(gè)綜合檢測(cè)區(qū)。兩種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)合成處理，從而得到測(cè)試區(qū)內(nèi)的垂直力之和。由于有較長(zhǎng)的連續(xù)檢測(cè)區(qū)，可測(cè)得較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)車輪垂直力變化的平均值，而不是波動(dòng)過程的某個(gè)瞬時(shí)值，這不僅提高了檢測(cè)精度和整個(gè)輪周踏面損傷的捕捉率，還大大提高了系統(tǒng)適用的速度范圍。這一新方法徹底打破了常規(guī)檢測(cè)裝置檢測(cè)功能單一的局面，使得同時(shí)測(cè)量車輪踏面損傷、車輛超載、偏載、平均軸重、通過總重等成為可能。同時(shí)，TPDS用整體性和抗軌道扭曲能力更強(qiáng)、平順性和穩(wěn)定性更好的特殊框架式軌道結(jié)構(gòu)取代測(cè)試區(qū)的普通軌道結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步減小測(cè)量區(qū)段內(nèi)軌道扭曲、高低和水平不平順，盡可能消除導(dǎo)致動(dòng)態(tài)增量荷載誤差的根源，使測(cè)試結(jié)果更加如實(shí)反映車輛自身的動(dòng)力學(xué)特征。

2 TPDS踏面損傷沖擊當(dāng)量及報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)

為了減少踏面損傷的車輪對(duì)車輛結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)的破壞，各國(guó)都制定了車輪踏面損傷的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，主要是從幾何尺寸和沖擊力兩個(gè)方面規(guī)定了踏面損傷的超限標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)鐵道協(xié)會(huì)和加拿大國(guó)鐵公司采用幾何尺寸和絕對(duì)沖擊力雙重標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)目前仍采用單一的幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)。以幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)判踏面損傷標(biāo)準(zhǔn)可操作性強(qiáng)，但由于踏面損傷形式的多樣性及復(fù)雜性，僅用描述損傷幾何形態(tài)的一個(gè)參數(shù)來衡量踏面損傷的危害程度是不科學(xué)的;絕對(duì)沖擊力標(biāo)準(zhǔn)雖然抓住了車輪踏面損傷的破壞本質(zhì)，但是沒有考慮到車輛運(yùn)行速度及車輛輪重因素的影響。由于踏面損傷車輪的沖擊力與速度及輪重相關(guān)，同一損傷的車輪在不同速度及不同輪重的工況下產(chǎn)生的沖擊力相差很大。因此，采用絕對(duì)沖擊力標(biāo)準(zhǔn)，同一踏面損傷車輪在不同工況下報(bào)警的重復(fù)性較差，不利于作業(yè)人員的檢修。

綜合考慮上述情況，TPDS對(duì)踏面損傷的評(píng)價(jià)采用沖擊當(dāng)量來度量［9］。所謂沖擊當(dāng)量是根據(jù)車輪對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的沖擊作用大小、速度和輪重等因素?fù)Q算的度量值，它反應(yīng)了踏面損傷的破壞本質(zhì)。沖擊當(dāng)量不僅考慮了與踏面損傷嚴(yán)重程度密切相關(guān)的輪軌沖擊力大小，還考慮沖擊力與速度和輪重的關(guān)系。因而用其評(píng)價(jià)踏面損傷更科學(xué)，兌現(xiàn)率高、漏判率低。

目前，TPDS踏面損傷報(bào)警級(jí)別分3級(jí):①一級(jí)報(bào)警，沖擊當(dāng)量≥23;②二級(jí)報(bào)警，沖擊當(dāng)量21～22;③三級(jí)報(bào)警，沖擊當(dāng)量19～20。

TPDS踏面損傷報(bào)警的兌現(xiàn)率為TPDS踏面損傷各級(jí)報(bào)警分別對(duì)應(yīng)的車輪踏面損傷超過《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》［10］運(yùn)用限度的比率，分為一級(jí)報(bào)警兌現(xiàn)率、二級(jí)報(bào)警兌現(xiàn)率、三級(jí)報(bào)警兌現(xiàn)率。

3 TPDS在踏面損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 TPDS踏面損傷與軸承保持架裂損關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)北京局2006年1—6月段修、列檢以及紅外線軸溫探測(cè)預(yù)報(bào)的部分鐵路貨車軸承故障，依據(jù)車號(hào)調(diào)閱TPDS的歷史監(jiān)控記錄，如表1所示?？梢?，軸承故障與TPDS踏面損傷報(bào)警有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

表1 軸承故障與TPDS踏面損傷預(yù)報(bào)關(guān)聯(lián)情況統(tǒng)計(jì)

3.2 TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷與大部件裂損關(guān)聯(lián)分析

貨車大部件如制動(dòng)梁端軸裂紋、折斷等是直接威脅行車安全的一大隱患。在2006年1至6月列檢結(jié)果如表2所示。可見，制動(dòng)梁端軸出現(xiàn)裂紋、折斷故障與TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷故障有著十分密切的聯(lián)系。

3.3 TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷報(bào)警兌現(xiàn)情況

為檢驗(yàn)TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷報(bào)警兌現(xiàn)情況，對(duì)比了2013年下半年全路TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷一級(jí)報(bào)警數(shù)據(jù)和列檢人員對(duì)報(bào)警車輪檢查確認(rèn)踏面損傷超過《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》運(yùn)用限度的情況，如表3所示。可以看出，目前全路TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷一級(jí)報(bào)警每月平均為3 029輛左右，日均報(bào)警在100輛左右，踏面損傷一級(jí)報(bào)警的兌現(xiàn)率均達(dá)到90%以上，兌現(xiàn)率很高?？梢?，TPDS具有良好的踏面損傷自動(dòng)識(shí)別能力，而且報(bào)警兌現(xiàn)率高，從而為貨車車輪踏面損傷的治理提供了科學(xué)手段。

對(duì)絕大部分鐵路貨車燃切軸事故、軸承故障以及大部件裂損事故分析后發(fā)現(xiàn)，TPDS多次預(yù)報(bào)車輛輪對(duì)處踏面損傷。從2008年開始，原鐵道部車輛管理部門制定了一系列的TPDS運(yùn)用管理辦法，各級(jí)車輛運(yùn)用部門根據(jù)這些辦法開展了報(bào)警輪對(duì)的全面檢修工作。通過對(duì)報(bào)警貨車輪對(duì)的復(fù)核、追蹤、處理，使得貨車踏面損傷的報(bào)警率由2008年的15.19%下降到2014年的1.57%，下降幅度達(dá)89.66%(見圖2)。與此同時(shí)，同期車輛關(guān)鍵部件裂損類典型故障也大幅下降，如側(cè)架裂損、制動(dòng)梁故障等下降幅度均超過94%，TPDS踏面損傷監(jiān)測(cè)功能的成功應(yīng)用為車輛安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表2 大部件裂損與TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷關(guān)聯(lián)情況

表3 2013年下半年TPDS預(yù)報(bào)的踏面損傷一級(jí)報(bào)警統(tǒng)計(jì)

圖2 TPDS踏面損傷報(bào)警率分布

4 結(jié)論

TPDS每年監(jiān)測(cè)鐵路貨車近5 000萬輛。從2008年至2014年，通過對(duì)踏面損傷的綜合治理，全路貨車踏面損傷大幅度下降，報(bào)警比例持續(xù)降低，貨車軸承保持架和相關(guān)大部件裂損類故障明顯減少。實(shí)踐證明，TPDS應(yīng)用于鐵路貨車踏面損傷識(shí)別成效顯著，有力保障了鐵路貨車的運(yùn)行安全。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U279.3+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.34

1003-1995(2015)05-0136-03

2015-01-20;

2015-04-01

李甫永(1978—)，男，山東萊蕪人，助理研究員，碩士。