李旭偉

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

高速動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用分析

李旭偉

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于識(shí)別車輪踏面損傷以及運(yùn)行狀態(tài)不良的車輛，并兼有車輛偏載監(jiān)測(cè)功能，是確保動(dòng)車組運(yùn)行安全的重要技術(shù)裝備，對(duì)預(yù)防行車事故、減少車輛及軌道部件傷損具有重要作用。文章介紹了系統(tǒng)測(cè)試原理及測(cè)區(qū)布置方案、系統(tǒng)功能及構(gòu)成，以及系統(tǒng)在蘭新第二雙線、大西客專試驗(yàn)中的應(yīng)用，并利用測(cè)試數(shù)據(jù)分別對(duì)踏面損傷識(shí)別、系統(tǒng)垂直力測(cè)試精度進(jìn)行了分析。

動(dòng)車組；運(yùn)行狀態(tài)不良；踏面損傷；垂直力；全連續(xù)

隨著四縱四橫高速鐵路骨干網(wǎng)的基本建成，我國(guó)高速鐵路發(fā)展已經(jīng)由大規(guī)模建造步入長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)階段。其中，輪軌狀態(tài)的控制是車輛安全性和舒適度維護(hù)的關(guān)鍵，目前采用定期修來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本較高。若能準(zhǔn)確識(shí)別車輪踏面損傷（車輪磨耗、車輪剝離、多邊形車輪等），實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組輪對(duì)的狀態(tài)修，將有效提高動(dòng)車組維修的經(jīng)濟(jì)性。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱：鐵科院）在既有有砟軌道客貨通用車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）的基礎(chǔ)上，攻克了無(wú)砟軌道二維傳感器技術(shù)、全連續(xù)測(cè)區(qū)測(cè)力技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、動(dòng)車組踏面損傷識(shí)別技術(shù)、動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，研制了動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DTPDS），該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的基于無(wú)砟軌道的高速輪軌力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能在較高行車速度條件下自動(dòng)識(shí)別動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)、車輪踏面損傷。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試原理及測(cè)區(qū)布置方案

1.1 測(cè)試原理

車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 “移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)方法”［1-4］，單元測(cè)區(qū)有效長(zhǎng)度達(dá)到了米級(jí)，如圖1所示；為實(shí)現(xiàn)踏面的全輪周覆蓋以及車輛蛇行失穩(wěn)波長(zhǎng)的識(shí)別，TPDS通常采用多個(gè)單元測(cè)區(qū)連續(xù)設(shè)置、相鄰單元測(cè)區(qū)共用端部剪力傳感器的模式，如貨車TPDS采用加大軌枕間距（760 mm）的3個(gè)單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置，每個(gè)單元測(cè)區(qū)長(zhǎng)度1.6 m，如圖2所示?？拓浲ㄓ肨PDS采用標(biāo)準(zhǔn)軌枕間距（600 mm）的5個(gè)單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置，每個(gè)單元測(cè)區(qū)長(zhǎng)度1.2 m，如圖3所示。

圖1 輪軌垂直力測(cè)試原理圖

圖2 貨車TPDS 3單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置圖

由于剪力傳感器存在測(cè)量過(guò)渡區(qū)，使得相鄰單元測(cè)區(qū)間有一中斷區(qū)（如圖2、圖3紅圈部分），中斷區(qū)長(zhǎng)度約為一個(gè)軌高，中斷區(qū)個(gè)數(shù)隨單元測(cè)區(qū)的數(shù)量增加而增加。5單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置的測(cè)量時(shí)序圖如圖4所示，從圖中看到因剪力過(guò)渡區(qū)的影響，相鄰單元測(cè)區(qū)間存在不連續(xù)現(xiàn)象，從而對(duì)多邊形輪對(duì)邊數(shù)的確定、運(yùn)行狀態(tài)不良車輛的識(shí)別產(chǎn)生了一定影響。針對(duì)該問(wèn)題，TPDS項(xiàng)目組在“移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)方法”的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了一種長(zhǎng)距離全連續(xù)輪軌垂直力測(cè)試方法，該方法在標(biāo)準(zhǔn)軌枕間距、不增加硬件的情況下通過(guò)構(gòu)造非傳統(tǒng)＇復(fù)合測(cè)區(qū)＇來(lái)實(shí)現(xiàn)輪軌垂直力的全連續(xù)測(cè)量（實(shí)測(cè)時(shí)序如圖5），為輪軌力監(jiān)測(cè)類設(shè)備的深入運(yùn)用及輪軌作用的研究創(chuàng)造了條件。

圖3 客貨通用TPDS 5單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置圖

圖4 5單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置測(cè)量時(shí)序圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)枕距5單元測(cè)區(qū)TPDS對(duì)五邊形840輪對(duì)的實(shí)測(cè)時(shí)序圖

1.2 測(cè)區(qū)布置方案

動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為高速輪軌力測(cè)試設(shè)備，綜合考慮動(dòng)車組車輪直徑、軸距特征以及動(dòng)車組蛇行失穩(wěn)波長(zhǎng)等信息，該系統(tǒng)采用6個(gè)單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置方案，且每個(gè)單元測(cè)區(qū)由4對(duì)剪力傳感器、6只二維墊板式傳感器組成，單元測(cè)區(qū)長(zhǎng)度1.887 m，6個(gè)單元測(cè)區(qū)共計(jì)11.322 m，采用長(zhǎng)距離全連續(xù)輪軌垂直力測(cè)試方法，從而保證了11.322 m范圍內(nèi)的輪軌垂直力的全連續(xù)，為動(dòng)車組車輪踏面損傷及其類別的準(zhǔn)確識(shí)別、車輛蛇行失穩(wěn)的穩(wěn)定捕捉創(chuàng)造了有利條件。單元測(cè)區(qū)及6單元測(cè)區(qū)布置圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 單元測(cè)區(qū)布置圖

圖7 6單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能及構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)功能

動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用無(wú)砟軌道輪軌力連續(xù)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)、車輪踏面損傷的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。其主要功能為：識(shí)別運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不良的車輛、識(shí)別車輪踏面損傷（包括多邊形、擦傷、剝離、碾堆、動(dòng)不平衡等）、車輛的偏載監(jiān)測(cè)。

2.1.1 運(yùn)行狀態(tài)不良車輛檢測(cè)

動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)判采用“分散檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)集中報(bào)警”的方法［5］，通過(guò)單次測(cè)量的連續(xù)輪軌力參數(shù)對(duì)動(dòng)車組蛇行失穩(wěn)特征進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別評(píng)判，在此基礎(chǔ)上再綜合該車多探測(cè)站、多頻次的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)判，從而使檢測(cè)結(jié)果能夠較真實(shí)地反映監(jiān)測(cè)動(dòng)車組近期的動(dòng)力學(xué)性能，為動(dòng)車組車輛的狀態(tài)修提供依據(jù)。

2.1.2 車輪踏面損傷檢測(cè)

車輪踏面損傷形式多樣，如多邊形輪對(duì)、擦傷、剝離、碾堆、動(dòng)不平衡、局部失圓等，在動(dòng)車組高速行駛過(guò)程中，微小的車輪踏面損傷都將導(dǎo)致輪軌間產(chǎn)生很大的沖擊力，從而加劇對(duì)軌道和車輛部件的傷損，如軸箱螺栓松動(dòng)丟失、折斷等，嚴(yán)重的甚至造成斷軌、斷軸等惡性事故。車輪踏面損傷檢測(cè)是根據(jù)測(cè)量的全輪周范圍內(nèi)的連續(xù)輪軌垂直力，采用沖擊當(dāng)量［6-8］來(lái)評(píng)價(jià)損傷危害的嚴(yán)重程度，與傳統(tǒng)間斷測(cè)量系統(tǒng)相比，踏面損傷捕獲率大為提高。

2.1.3 車輛偏載檢測(cè)

車輛偏載是造成列車在小曲線半徑等軌道扭曲較大區(qū)段脫軌、傾覆的重要原因，動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量車輛輪載分布情況，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)因乘客偏乘、軸箱彈簧折斷等引發(fā)的車輛偏載。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、測(cè)試工控機(jī)、測(cè)點(diǎn)服務(wù)器、車號(hào)圖像自動(dòng)識(shí)別裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無(wú)線傳輸設(shè)備、室外機(jī)柜等探測(cè)站設(shè)備以及中心管理服務(wù)器、復(fù)示終端等構(gòu)成，構(gòu)成示意圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)在蘭新第二雙線的應(yīng)用

3.1.1 大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)

在蘭新二線大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)中，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組整車傾覆系數(shù)的測(cè)量，采用了地面輪軌力連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)DTPDS，該系統(tǒng)安裝在蘭新二線百里風(fēng)區(qū)紅層南K3018＋800下行線。在大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)中，DTPDS系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)是試驗(yàn)列車逐級(jí)提速的重要參考數(shù)據(jù)之一，為試驗(yàn)安全順利進(jìn)行提供了有力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保障。

3.1.2 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

2016年1月25日對(duì)該臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，采用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)信息傳至設(shè)在鐵科院的中心管理服務(wù)器，同時(shí)提供監(jiān)測(cè)信息監(jiān)控查詢平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。截止2016年6月底共探測(cè)1 988列18 900輛次動(dòng)客車，其中動(dòng)車1 687列13 520輛次，客車踏面損傷報(bào)警61輛次，部分報(bào)警信息如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的部分客車踏面損傷報(bào)警界面

在監(jiān)測(cè)的1 687列13 520輛次動(dòng)車中，按照目前踏面損傷預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)（沖擊當(dāng)量≥19進(jìn)行預(yù)報(bào)）均未達(dá)到報(bào)警級(jí)別，但從監(jiān)測(cè)的波形數(shù)據(jù)分析，部分動(dòng)車組的車輪已經(jīng)出現(xiàn)多邊形，沖擊力有的已接近20 k N，圖10為出現(xiàn)28邊形趨勢(shì)的某動(dòng)車組四條輪對(duì)的輪軌力監(jiān)測(cè)圖。對(duì)于上述動(dòng)車組，項(xiàng)目組將進(jìn)一步重點(diǎn)跟蹤監(jiān)控。3.2 系統(tǒng)在大西客專綜合試驗(yàn)中的應(yīng)用

2015年5月，動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)了大西客專綜合試驗(yàn)行車試驗(yàn)評(píng)審，2015年8月在大西客專忻州西下行線K180＋325處完成設(shè)備安裝調(diào)試工作，2016年3月初完成聯(lián)網(wǎng)，采用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)信息傳至設(shè)在鐵科院的中心管理服務(wù)器，與蘭新第二雙線的系統(tǒng)接入同一監(jiān)控平臺(tái)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)監(jiān)控查詢管理。截止6月底共探測(cè)1 496列15 094輛次動(dòng)車，無(wú)踏面損傷報(bào)警。系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備安裝見(jiàn)圖11。

圖11 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備安裝圖

由于綜合試驗(yàn)時(shí)，大部分時(shí)間采用同一動(dòng)車組列車在大西客專進(jìn)行長(zhǎng)期、反復(fù)試驗(yàn)，從而為系統(tǒng)垂直力即動(dòng)車組車輛質(zhì)量測(cè)試精度的分析提供了便利條件。每日試驗(yàn)列車開(kāi)行多個(gè)往返，假定每日動(dòng)車組每輛車的質(zhì)量基本不變，統(tǒng)計(jì)每日系統(tǒng)測(cè)試的多趟動(dòng)車組質(zhì)量的重復(fù)性，分析系統(tǒng)垂直力測(cè)試誤差。

本文統(tǒng)計(jì)了2016年4月7日至5月6日一個(gè)月的動(dòng)車組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共計(jì)5 340輛次，速度范圍為53～289 km／h、平均速度267 km／h，按每日監(jiān)測(cè)的某輛車的多次平均質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計(jì)算該日該車的測(cè)量誤差，根據(jù)此方法一個(gè)月來(lái)監(jiān)測(cè)的5 340輛次車測(cè)試誤差分布如圖12所示，從分布圖可見(jiàn)：系統(tǒng)垂直力測(cè)試誤差總體上均介入±3%范圍內(nèi)，絕大部分介入±2%，說(shuō)明系統(tǒng)具有較高的垂直力測(cè)試精度。

圖12 垂直力測(cè)試誤差分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輪軌力連續(xù)測(cè)試技術(shù)，針對(duì)單元測(cè)試區(qū)之間存在的間斷問(wèn)題提出了一種長(zhǎng)距離全連續(xù)輪軌垂直力測(cè)試方法，并結(jié)合動(dòng)車組的特點(diǎn)制定了無(wú)砟軌道測(cè)區(qū)布置方案。同時(shí)，闡述了動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能及構(gòu)成，介紹了該系統(tǒng)在蘭新二線、大西客專上的應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，表明該系統(tǒng)具有較高的測(cè)試精度，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了部分動(dòng)車組車輪出現(xiàn)了多邊形，從而為多邊形輪對(duì)的監(jiān)控及檢修提供了技術(shù)手段。

［1］ 張格明，馮毅杰，劉慕哥.車輛超偏載及運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和運(yùn)用［C］∥技術(shù)裝備確保行車安全學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)，2000.

［2］ 馮毅杰，張格明.車輛運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制的新進(jìn)展［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，（6）：138-142.

［3］ 柴雪松，朱興紅.車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)（TPDS）在軌道負(fù)荷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008，（11）：93-95.

［4］ 李甫永，李旭偉，秦 菊，等.TPDS在鐵路貨車車輪踏面損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析［J］.鐵道建筑，2015，（5）：136-138.

［5］ 于衛(wèi)東，曾宇清.車輛安全監(jiān)測(cè)裝置仿真測(cè)試的隨機(jī)試驗(yàn)分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2003，23（2）：46-49.

［6］ 扈海軍，康 熊.貨車車輪踏面損傷標(biāo)準(zhǔn)的探討［J］.鐵道機(jī)車車輛，2005，25（3）：16-18.

［7］ 李甫永，李旭偉，凌烈鵬，等.鐵路客貨車通用運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPDS的研制［J］.鐵道建筑，2015，（4）：130-134.

［8］ 趙長(zhǎng)波，扈海軍，曾宇清，等.基于TPDS的貨物列車踏面損傷分析與控制［J］.中國(guó)鐵路，2011，（11）：52-56.

Development of EMU Performance Detection System and Applied Analysis

LI Xuwei
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

EMU performance detection system is mainly used to identify damage of wheel tread，hunting EMU and unbalanced-load，which is an important technical equipment to ensure EMU operation safety and plays an important role in preventing railway traffic accident and reducing damage of EMU or track component.This paper introduces the testing principle of the system and layout scheme of survey area，system function and composition，application in the test of the second double line of Lan Xin railway and Datong－Xi’an passenger，and analyzes identifying wheel tread damage，test precision of vertical force using the test data.

EMU；hunting；damage of wheel tread；vertical force；completely continuous

U260.11＋1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.07

1008－7842（2016）06－0025－04

5—）男，副研究員（

2016－08－01）