鐵路客車運行狀態(tài)地面監(jiān)測方法及驗證*

田光榮, 于衛(wèi)東, 劉茂朕, 張瑞芳,3, 肖 齊, 陸 航

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081;3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

眾所周知，空車蛇行失穩(wěn)已然成為危及我國干線提速過程中行車安全的嚴(yán)重隱患，列車脫軌事故是危害鐵路運輸安全的嚴(yán)重事故。以輪軌力地面連續(xù)測量為基礎(chǔ)的車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)在動態(tài)監(jiān)測貨車運行狀態(tài)方面發(fā)揮了積極的作用，其中運行狀態(tài)不良(橫向穩(wěn)定性)報警車輛年均扣修約1 200輛，為貨車提速和達(dá)速奠定了堅實的基礎(chǔ)。

目前對于貨車的蛇行失穩(wěn)監(jiān)測主要依靠地面監(jiān)測方法，而對于客車的蛇行失穩(wěn)監(jiān)測主要是依靠車載方式進(jìn)行，主要原因在貨車屬無源系統(tǒng)。對于客車而言，目前主要是依靠客車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)(TCDS)，具體是通過在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上安裝加速度傳感器，實時采集構(gòu)架的橫向振動信號，并提取構(gòu)架橫向振動特征，通過全列橫向?qū)Ρ燃案鹘宦窋?shù)據(jù)縱向分析，當(dāng)監(jiān)測到構(gòu)架在特定工況下的橫向振動信號發(fā)生異常時，即判定該車構(gòu)架橫向振動狀態(tài)關(guān)注。該方法是參照了UIC 518的相關(guān)規(guī)定。對于鐵路客車地面監(jiān)測而言，從數(shù)據(jù)對比性、檢修經(jīng)濟(jì)性等多個方面考慮，可參考現(xiàn)行貨車運行狀態(tài)不良地面監(jiān)測方法對客車的運行狀態(tài)實施監(jiān)控。國外針對客車轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性監(jiān)測也主要是依靠車載方式進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)參照UIC的規(guī)定。

利用大數(shù)據(jù)方法，對鐵路客車運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，借鑒鐵路貨車運行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的成熟經(jīng)驗，耦合以車載監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，以多系統(tǒng)耦合分析技術(shù)來展開鐵路客車運行狀態(tài)不良的地面監(jiān)測技術(shù)及評估方法的研究，為鐵路客車安全運行提供保障，且進(jìn)一步改善運維經(jīng)濟(jì)性，為鐵路客車實現(xiàn)健康管理奠定基礎(chǔ)。

1 客車運行狀態(tài)地面監(jiān)測基礎(chǔ)分析

1.1 輪軌力地面監(jiān)測技術(shù)運用效果

(1)輪軌力地面連續(xù)測量

對比國內(nèi)外的輪軌力檢測方法，為滿足檢測要求，項目組確定采用自主知識產(chǎn)權(quán)的TPDS輪軌力連續(xù)測試關(guān)鍵技術(shù)，包括輪軌垂向力和輪軌橫向力兩部分。“移動垂直力綜合檢測新方法”可在不增大軌枕間距、不惡化軌道平順性的條件下即可大幅度增加有效檢測區(qū)長度。因為采用了較長的高平順性測試平臺和連續(xù)測量輪軌垂直、橫向荷載技術(shù)，從測試的輪軌力波形、量值大小可捕獲蛇行失穩(wěn)車輛的主要動力學(xué)特征。

(2)客車踏面損傷監(jiān)測功能的運用

目前全路聯(lián)網(wǎng)運用的TPDS設(shè)備已超過140套，覆蓋了80%左右的客車(年監(jiān)測2 500萬輛次左右)，近年的探測總量變化趨勢如圖1所示。

TPDS探測客車踏面損傷及處理結(jié)果如圖2所示(注：其中2014年左右TPDS開始探測客車，故處理數(shù)據(jù)量小，存在誤差)，以2018年為例，TPDS踏面損傷報警處理率超過97%，其中根據(jù)TPDS報警旋修輪對年均超過20 000余條，其中多邊形輪對約30%。客車踏面損傷報警功能的應(yīng)用是客車A1修從20萬km延長至30萬km的重要保障措施之一，客車同時根據(jù)KMIS數(shù)據(jù)顯示：近年來裂紋故障下降90%以上，且TPDS客車運用相關(guān)內(nèi)容已納入新版《鐵路客車運用維修規(guī)程》。

圖1 TPDS年探測客車數(shù)量

圖2 TPDS探測客車踏面損傷報警輛數(shù)及處理輪數(shù)

1.2 探測基礎(chǔ)分析

車輛蛇行時左右輪交替沖擊鋼軌，在一個蛇行周期內(nèi)將出現(xiàn)兩個幅值接近、方向相反的峰值，即：若在左右鋼軌上連續(xù)測量橫向力，只要測區(qū)長度大于半個蛇行波的長度，就可以得到一個正峰值或負(fù)峰值，撲捉到蛇行特征?？紤]到貨車蛇行波長8～9 m，TPDS測區(qū)長度設(shè)置為4.8 m即可發(fā)現(xiàn)處于蛇行失穩(wěn)狀態(tài)。TPDS長度設(shè)置的原則是有效測區(qū)長度大于0.5倍蛇行波長，其長度應(yīng)根據(jù)監(jiān)測對象的特性來設(shè)置，對于客貨通用TPDS設(shè)備的測區(qū)長度，設(shè)置為6.0 m。

客車蛇行失穩(wěn)主頻在4～5 Hz，針對80～160 km/h的運行速度，客貨通用TPDS設(shè)備的6 m測區(qū)長度是能夠滿足其蛇行失穩(wěn)半波長的要求，如圖3所示。

圖3 蛇行波長變化關(guān)系

目前，客貨通用TPDS設(shè)備接入了KMIS系統(tǒng)，通過車號識別設(shè)備，TPDS系統(tǒng)可以自動采集通過列車的車次和車號信息，將檢測信息與車號匹配后，以車號為索引，可以實現(xiàn)車輛、輪位、軸位的精確定位，從而為車輛故障的跟蹤監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。識別率見圖4所示。

圖4 2017年全路車號識別率分布

圖4給出的是TPDS設(shè)備對客車車號的識別率的結(jié)果，可知全路TPDS設(shè)備基本上車號識別率在80%～100%之間，集中在90%～100%平均識別率為98.31%。

TPDS為了有效區(qū)分同一轉(zhuǎn)向架的不同車軸，每個測試區(qū)長度設(shè)定為1.6 m，由2根測試軌枕、4只二維板式傳感器、2對剪力傳感器構(gòu)成。為了檢測貨車轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)，有效測試區(qū)長度共4.8 m，分為3個測區(qū)。為滿足探測客車需求，客貨通用TPDS設(shè)備測區(qū)長度增長到6 m，布置如圖5所示。

圖5 既有客貨通用TPDS探測站測區(qū)布置圖

綜合以上分析可知，客貨通用TPDS設(shè)備具備探測客車運行狀態(tài)不良的基礎(chǔ)，是可行的。

2 客車運行狀態(tài)地面監(jiān)測技術(shù)及評估方法

2.1 總體技術(shù)方案

TPDS探測客車運行狀態(tài)不良的工作首先是針對性的進(jìn)行物理層面的分析，也即適用于該項功能運用的分析，在此基礎(chǔ)上通過客貨通用TPDS探測設(shè)備收集到的客車通過數(shù)據(jù)(以輪軌橫向力和垂向力為主，同時包含相關(guān)時間、速度和車號等基本信息)，基于大數(shù)據(jù)分析建立客車運行狀態(tài)評判模型，并通過相關(guān)信息進(jìn)行持續(xù)修正，在單次評分的基礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)評判。

TPDS能實時在線地監(jiān)測通過車輛輪軌間動力學(xué)參數(shù)，需要強(qiáng)調(diào)的是TPDS監(jiān)測的是車輛通過高平順監(jiān)測平臺時的輪軌相互作用。高平順監(jiān)測平臺穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)剔出了軌道不平順對測試結(jié)果的影響，使監(jiān)測結(jié)果更多地反映了車輛本身的特性。TPDS對貨車運行狀態(tài)的評判采用了美國FRA軌道安全標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)，運用實踐表明結(jié)果科學(xué)合理，因此客車運行狀態(tài)評判時繼續(xù)沿用FRA的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 技術(shù)路線示意圖

2.2 運行狀態(tài)不良評分策略總體技術(shù)方案

TPDS是利用地面固定設(shè)施對移動設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測的安全設(shè)備，其特點是監(jiān)測對象眾多、監(jiān)測頻次高，但單次輪軌間相互作用的監(jiān)測結(jié)果不可避免包含一定隨機(jī)因素。在充分借鑒貨車運行狀態(tài)不良監(jiān)測功能實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出客貨通用TPDS設(shè)備探測客車運行狀態(tài)不良的評判的基本原則是“分散檢測、集中報警”，具體過程包括：①探測站數(shù)據(jù)采集；②參數(shù)計算；③探測站評分；④聯(lián)網(wǎng)評判四4個步驟。

圖7 TPDS客車運行狀態(tài)不良監(jiān)測及評判步驟

由圖8中可以看出，在分析對象(50～180 km/h)的約6萬客車通過數(shù)據(jù)樣本中，通過速度較高且較為集中的范圍是80～100 km/h、110～120 km/h，分別的占比約為44%、24%，故制定80 km/h為有效通過速度。單個TPDS探測站對通過速度大于80 km/h(有效通過)的客車進(jìn)行運行狀態(tài)評分，TPDS查詢中心匯集了全路TPDS探測站評分，在此基礎(chǔ)上對每輛客車進(jìn)行運行狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)評判。TPDS聯(lián)網(wǎng)評判采用了“滑動累加”的方法，“滑動累加”的窗口長度為7次有效通過，即對每輛客車采用其最近7次有效通過的運行狀態(tài)評分之和作為該車運行狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)評分，運行狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)評分表征了該車近期的動力學(xué)性能。TPDS聯(lián)網(wǎng)評判中滑動平均“窗口”長度的選取考慮兩個因素，其一隨機(jī)因素的剔出，TPDS探測站級評分及對應(yīng)的運行狀態(tài)積分不可避免包含隨機(jī)因素，因此滑動平均窗口越長，聯(lián)網(wǎng)積分包含的因素越少；其二數(shù)據(jù)的實效性，貨車運行狀態(tài)在一個動態(tài)變化過程中，太久的數(shù)據(jù)對表征目前的貨車運行狀態(tài)意義不大。但是對于客車而言，其有固定配屬，檢修有保障，且大部分時間運行在相對固定的區(qū)段，雖然目前全路近150套TPDS設(shè)備中僅約40余套為客貨通用TPDS設(shè)備(注：目前正逐步技改為客貨通用設(shè)備)，即具備探測客車運行狀態(tài)不良的條件，但是從運用角度出發(fā)，7天的窗口函數(shù)是滿足要求的。

對于貨車的運行狀態(tài)不良監(jiān)測，前期的積分是110分，后期逐步修訂為60分。對于鐵路客車而言，從客貨車輛速度差異、結(jié)構(gòu)差異以及運用和維修差異入手考慮，其運行狀態(tài)不良積分閾值初步分析確定為60分。

圖8 客貨通過TPDS設(shè)備客車通過主要速度分布

2.3 評判模型的建立

在充分總結(jié)貨車運行狀態(tài)不良TPDS評判方法及模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合客車的結(jié)構(gòu)特點和運用實際，建立了客車運行狀態(tài)不良評判模型，并利用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。流程示意圖如圖9所示。

3 客車運行狀態(tài)不良數(shù)據(jù)分析及驗證

以某典型車載探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該車在TCDS專家系統(tǒng)的橫向和縱向比較中發(fā)現(xiàn)異常，即“構(gòu)架橫向振動狀態(tài)關(guān)注”，如圖10～圖11所示，該車在同列中橫向振動特征的對比結(jié)果，其幅值明顯大于其他車輛，特別是速度級更高的區(qū)段。

圖9 評判模型建立流程

圖10 同列車構(gòu)架橫向振動特征對比

圖11 同列車構(gòu)架橫向振動特征隨速度變化趨勢

圖12 TPDS輪軌力監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖12給出的是地面TPDS探測站測量得到的該車的輪軌力數(shù)據(jù)，從中可知該車輪軌橫向力存在橫向交替振蕩特征，垂向力也有交替增減載的現(xiàn)象，符合蛇行失穩(wěn)的特征定義。從這個角度出發(fā)，地面TPDS設(shè)備對于車輛橫向失穩(wěn)(運行狀態(tài)不良)的監(jiān)測與車載TCDS的監(jiān)測結(jié)果在一定程度上是吻合的。

通過維修履歷可知，該車A2修時一位轉(zhuǎn)向架輪徑差為4.5 mm(注：《客車運用維修規(guī)程》中的規(guī)定為≤10 mm)。輪徑差過大，導(dǎo)致車輛橫向振動加劇，同時也加劇了車輪磨耗(二位軸踏面圓周磨耗為3.5 mm和4.0 mm)。后續(xù)對該車更換了全部輪對，恢復(fù)上線后轉(zhuǎn)向架橫向振動特征恢復(fù)正常。

在更換輪對后地面TPDS設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果可知橫向力和垂向力均正常。對比分析也可知，輪徑差是造成轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性變差的原因之一。在更換輪對之后，由于輪徑差和踏面圓周磨耗引起的輪軌力異常明顯減小，最為顯著的整個測區(qū)內(nèi)橫向力的變化趨勢，其周期性往復(fù)振蕩的趨勢明顯較小，可知在更換輪對之后車載構(gòu)架橫向加速度監(jiān)測結(jié)果和地面輪軌力的監(jiān)測結(jié)果均有效降低，二者具有較好的一致性。這與前期TPDS探測貨車運行狀態(tài)不良的維修策略是存在一致性。因此，針對TPDS客車運行狀態(tài)不良報警的車輛，針對性的維修策略即為輪對旋修，后期將進(jìn)一步通過仿真分析予以驗證，同時將分析懸掛參數(shù)等的影響。

4 結(jié) 論

(1)從文中的對比分析結(jié)果可知，以輪軌力地面連續(xù)測量為基礎(chǔ)的方法作為客車運行狀態(tài)地面監(jiān)測的技術(shù)手段是合理、可行的；

(2)以地面輪軌力為基礎(chǔ)，在對客車單次通過探測站的運行狀態(tài)進(jìn)行有效評分的基礎(chǔ)上，通過制定“分散監(jiān)測、集中報警”的客車運行狀態(tài)不良監(jiān)測技術(shù)方案及評估方法是具備可實施性的，且通過車載振動測試等予以了有效驗證；

(3)結(jié)合運行狀態(tài)不良車輛的動力學(xué)指標(biāo)分析、檢修技術(shù)作業(yè)記錄及仿真分析可知，輪徑差和轉(zhuǎn)向架一系橫向定位剛度是影響客車運行狀態(tài)不良的主要因素之一。