田光榮, 于衛(wèi)東, 劉茂朕, 張瑞芳,3, 肖 齊, 陸 航

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081;2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)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(chē)蛇行失穩(wěn)已然成為危及我國(guó)干線提速過(guò)程中行車(chē)安全的嚴(yán)重隱患，列車(chē)脫軌事故是危害鐵路運(yùn)輸安全的嚴(yán)重事故。以輪軌力地面連續(xù)測(cè)量為基礎(chǔ)的車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)方面發(fā)揮了積極的作用，其中運(yùn)行狀態(tài)不良(橫向穩(wěn)定性)報(bào)警車(chē)輛年均扣修約1 200輛，為貨車(chē)提速和達(dá)速奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前對(duì)于貨車(chē)的蛇行失穩(wěn)監(jiān)測(cè)主要依靠地面監(jiān)測(cè)方法，而對(duì)于客車(chē)的蛇行失穩(wěn)監(jiān)測(cè)主要是依靠車(chē)載方式進(jìn)行，主要原因在貨車(chē)屬無(wú)源系統(tǒng)。對(duì)于客車(chē)而言，目前主要是依靠客車(chē)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)(TCDS)，具體是通過(guò)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上安裝加速度傳感器，實(shí)時(shí)采集構(gòu)架的橫向振動(dòng)信號(hào)，并提取構(gòu)架橫向振動(dòng)特征，通過(guò)全列橫向?qū)Ρ燃案鹘宦窋?shù)據(jù)縱向分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)到構(gòu)架在特定工況下的橫向振動(dòng)信號(hào)發(fā)生異常時(shí)，即判定該車(chē)構(gòu)架橫向振動(dòng)狀態(tài)關(guān)注。該方法是參照了UIC 518的相關(guān)規(guī)定。對(duì)于鐵路客車(chē)地面監(jiān)測(cè)而言，從數(shù)據(jù)對(duì)比性、檢修經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面考慮，可參考現(xiàn)行貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良地面監(jiān)測(cè)方法對(duì)客車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控。國(guó)外針對(duì)客車(chē)轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)也主要是依靠車(chē)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(duì)鐵路客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，借鑒鐵路貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟經(jīng)驗(yàn)，耦合以車(chē)載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，以多系統(tǒng)耦合分析技術(shù)來(lái)展開(kāi)鐵路客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的地面監(jiān)測(cè)技術(shù)及評(píng)估方法的研究，為鐵路客車(chē)安全運(yùn)行提供保障，且進(jìn)一步改善運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性，為鐵路客車(chē)實(shí)現(xiàn)健康管理奠定基礎(chǔ)。

1 客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)分析

1.1 輪軌力地面監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)用效果

(1)輪軌力地面連續(xù)測(cè)量

對(duì)比國(guó)內(nèi)外的輪軌力檢測(cè)方法，為滿足檢測(cè)要求，項(xiàng)目組確定采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TPDS輪軌力連續(xù)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)，包括輪軌垂向力和輪軌橫向力兩部分?！耙苿?dòng)垂直力綜合檢測(cè)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(cè)區(qū)長(zhǎng)度。因?yàn)椴捎昧溯^長(zhǎng)的高平順性測(cè)試平臺(tái)和連續(xù)測(cè)量輪軌垂直、橫向荷載技術(shù)，從測(cè)試的輪軌力波形、量值大小可捕獲蛇行失穩(wěn)車(chē)輛的主要?jiǎng)恿W(xué)特征。

(2)客車(chē)踏面損傷監(jiān)測(cè)功能的運(yùn)用

目前全路聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用的TPDS設(shè)備已超過(guò)140套，覆蓋了80%左右的客車(chē)(年監(jiān)測(cè)2 500萬(wàn)輛次左右)，近年的探測(cè)總量變化趨勢(shì)如圖1所示。

TPDS探測(cè)客車(chē)踏面損傷及處理結(jié)果如圖2所示(注：其中2014年左右TPDS開(kāi)始探測(cè)客車(chē)，故處理數(shù)據(jù)量小，存在誤差)，以2018年為例，TPDS踏面損傷報(bào)警處理率超過(guò)97%，其中根據(jù)TPDS報(bào)警旋修輪對(duì)年均超過(guò)20 000余條，其中多邊形輪對(duì)約30%?？蛙?chē)踏面損傷報(bào)警功能的應(yīng)用是客車(chē)A1修從20萬(wàn)km延長(zhǎng)至30萬(wàn)km的重要保障措施之一，客車(chē)同時(shí)根據(jù)KMIS數(shù)據(jù)顯示：近年來(lái)裂紋故障下降90%以上，且TPDS客車(chē)運(yùn)用相關(guān)內(nèi)容已納入新版《鐵路客車(chē)運(yùn)用維修規(guī)程》。

圖1 TPDS年探測(cè)客車(chē)數(shù)量

圖2 TPDS探測(cè)客車(chē)踏面損傷報(bào)警輛數(shù)及處理輪數(shù)

1.2 探測(cè)基礎(chǔ)分析

車(chē)輛蛇行時(shí)左右輪交替沖擊鋼軌，在一個(gè)蛇行周期內(nèi)將出現(xiàn)兩個(gè)幅值接近、方向相反的峰值，即：若在左右鋼軌上連續(xù)測(cè)量橫向力，只要測(cè)區(qū)長(zhǎng)度大于半個(gè)蛇行波的長(zhǎng)度，就可以得到一個(gè)正峰值或負(fù)峰值，撲捉到蛇行特征?？紤]到貨車(chē)蛇行波長(zhǎng)8～9 m，TPDS測(cè)區(qū)長(zhǎng)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(zhǎng)度設(shè)置的原則是有效測(cè)區(qū)長(zhǎng)度大于0.5倍蛇行波長(zhǎng)，其長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的特性來(lái)設(shè)置，對(duì)于客貨通用TPDS設(shè)備的測(cè)區(qū)長(zhǎng)度，設(shè)置為6.0 m。

客車(chē)蛇行失穩(wěn)主頻在4～5 Hz，針對(duì)80～160 km/h的運(yùn)行速度，客貨通用TPDS設(shè)備的6 m測(cè)區(qū)長(zhǎng)度是能夠滿足其蛇行失穩(wěn)半波長(zhǎng)的要求，如圖3所示。

圖3 蛇行波長(zhǎng)變化關(guān)系

目前，客貨通用TPDS設(shè)備接入了KMIS系統(tǒng)，通過(guò)車(chē)號(hào)識(shí)別設(shè)備，TPDS系統(tǒng)可以自動(dòng)采集通過(guò)列車(chē)的車(chē)次和車(chē)號(hào)信息，將檢測(cè)信息與車(chē)號(hào)匹配后，以車(chē)號(hào)為索引，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、輪位、軸位的精確定位，從而為車(chē)輛故障的跟蹤監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。識(shí)別率見(jiàn)圖4所示。

圖4 2017年全路車(chē)號(hào)識(shí)別率分布

圖4給出的是TPDS設(shè)備對(duì)客車(chē)車(chē)號(hào)的識(shí)別率的結(jié)果，可知全路TPDS設(shè)備基本上車(chē)號(hào)識(shí)別率在80%～100%之間，集中在90%～100%平均識(shí)別率為98.31%。

TPDS為了有效區(qū)分同一轉(zhuǎn)向架的不同車(chē)軸，每個(gè)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定為1.6 m，由2根測(cè)試軌枕、4只二維板式傳感器、2對(duì)剪力傳感器構(gòu)成。為了檢測(cè)貨車(chē)轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)，有效測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度共4.8 m，分為3個(gè)測(cè)區(qū)。為滿足探測(cè)客車(chē)需求，客貨通用TPDS設(shè)備測(cè)區(qū)長(zhǎng)度增長(zhǎng)到6 m，布置如圖5所示。

圖5 既有客貨通用TPDS探測(cè)站測(cè)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(cè)客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的基礎(chǔ)，是可行的。

2 客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)技術(shù)及評(píng)估方法

2.1 總體技術(shù)方案

TPDS探測(cè)客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的工作首先是針對(duì)性的進(jìn)行物理層面的分析，也即適用于該項(xiàng)功能運(yùn)用的分析，在此基礎(chǔ)上通過(guò)客貨通用TPDS探測(cè)設(shè)備收集到的客車(chē)通過(guò)數(shù)據(jù)(以輪軌橫向力和垂向力為主，同時(shí)包含相關(guān)時(shí)間、速度和車(chē)號(hào)等基本信息)，基于大數(shù)據(jù)分析建立客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)判模型，并通過(guò)相關(guān)信息進(jìn)行持續(xù)修正，在單次評(píng)分的基礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)評(píng)判。

TPDS能實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測(cè)通過(guò)車(chē)輛輪軌間動(dòng)力學(xué)參數(shù)，需要強(qiáng)調(diào)的是TPDS監(jiān)測(cè)的是車(chē)輛通過(guò)高平順監(jiān)測(cè)平臺(tái)時(shí)的輪軌相互作用。高平順監(jiān)測(cè)平臺(tái)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)剔出了軌道不平順對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更多地反映了車(chē)輛本身的特性。TPDS對(duì)貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)判采用了美國(guó)FRA軌道安全標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)，運(yùn)用實(shí)踐表明結(jié)果科學(xué)合理，因此客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)判時(shí)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(yùn)行狀態(tài)不良評(píng)分策略總體技術(shù)方案

TPDS是利用地面固定設(shè)施對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的安全設(shè)備，其特點(diǎn)是監(jiān)測(cè)對(duì)象眾多、監(jiān)測(cè)頻次高，但單次輪軌間相互作用的監(jiān)測(cè)結(jié)果不可避免包含一定隨機(jī)因素。在充分借鑒貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良監(jiān)測(cè)功能實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出客貨通用TPDS設(shè)備探測(cè)客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的評(píng)判的基本原則是“分散檢測(cè)、集中報(bào)警”，具體過(guò)程包括：①探測(cè)站數(shù)據(jù)采集；②參數(shù)計(jì)算；③探測(cè)站評(píng)分；④聯(lián)網(wǎng)評(píng)判四4個(gè)步驟。

圖7 TPDS客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良監(jiān)測(cè)及評(píng)判步驟

由圖8中可以看出，在分析對(duì)象(50～180 km/h)的約6萬(wàn)客車(chē)通過(guò)數(shù)據(jù)樣本中，通過(guò)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(guò)速度。單個(gè)TPDS探測(cè)站對(duì)通過(guò)速度大于80 km/h(有效通過(guò))的客車(chē)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分，TPDS查詢(xún)中心匯集了全路TPDS探測(cè)站評(píng)分，在此基礎(chǔ)上對(duì)每輛客車(chē)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)評(píng)判。TPDS聯(lián)網(wǎng)評(píng)判采用了“滑動(dòng)累加”的方法，“滑動(dòng)累加”的窗口長(zhǎng)度為7次有效通過(guò)，即對(duì)每輛客車(chē)采用其最近7次有效通過(guò)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分之和作為該車(chē)運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)評(píng)分，運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)評(píng)分表征了該車(chē)近期的動(dòng)力學(xué)性能。TPDS聯(lián)網(wǎng)評(píng)判中滑動(dòng)平均“窗口”長(zhǎng)度的選取考慮兩個(gè)因素，其一隨機(jī)因素的剔出，TPDS探測(cè)站級(jí)評(píng)分及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)積分不可避免包含隨機(jī)因素，因此滑動(dòng)平均窗口越長(zhǎng)，聯(lián)網(wǎng)積分包含的因素越少；其二數(shù)據(jù)的實(shí)效性，貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，太久的數(shù)據(jù)對(duì)表征目前的貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)意義不大。但是對(duì)于客車(chē)而言，其有固定配屬，檢修有保障，且大部分時(shí)間運(yùn)行在相對(duì)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(cè)客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的條件，但是從運(yùn)用角度出發(fā)，7天的窗口函數(shù)是滿足要求的。

對(duì)于貨車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)不良監(jiān)測(cè)，前期的積分是110分，后期逐步修訂為60分。對(duì)于鐵路客車(chē)而言，從客貨車(chē)輛速度差異、結(jié)構(gòu)差異以及運(yùn)用和維修差異入手考慮，其運(yùn)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(guò)TPDS設(shè)備客車(chē)通過(guò)主要速度分布

2.3 評(píng)判模型的建立

在充分總結(jié)貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良TPDS評(píng)判方法及模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合客車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)用實(shí)際，建立了客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良評(píng)判模型，并利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。流程示意圖如圖9所示。

3 客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證

以某典型車(chē)載探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該車(chē)在TCDS專(zhuān)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(dòng)狀態(tài)關(guān)注”，如圖10～圖11所示，該車(chē)在同列中橫向振動(dòng)特征的對(duì)比結(jié)果，其幅值明顯大于其他車(chē)輛，特別是速度級(jí)更高的區(qū)段。

圖9 評(píng)判模型建立流程

圖10 同列車(chē)構(gòu)架橫向振動(dòng)特征對(duì)比

圖11 同列車(chē)構(gòu)架橫向振動(dòng)特征隨速度變化趨勢(shì)

圖12 TPDS輪軌力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖12給出的是地面TPDS探測(cè)站測(cè)量得到的該車(chē)的輪軌力數(shù)據(jù)，從中可知該車(chē)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(gè)角度出發(fā)，地面TPDS設(shè)備對(duì)于車(chē)輛橫向失穩(wěn)(運(yùn)行狀態(tài)不良)的監(jiān)測(cè)與車(chē)載TCDS的監(jiān)測(cè)結(jié)果在一定程度上是吻合的。

通過(guò)維修履歷可知，該車(chē)A2修時(shí)一位轉(zhuǎn)向架輪徑差為4.5 mm(注：《客車(chē)運(yùn)用維修規(guī)程》中的規(guī)定為≤10 mm)。輪徑差過(guò)大，導(dǎo)致車(chē)輛橫向振動(dòng)加劇，同時(shí)也加劇了車(chē)輪磨耗(二位軸踏面圓周磨耗為3.5 mm和4.0 mm)。后續(xù)對(duì)該車(chē)更換了全部輪對(duì)，恢復(fù)上線后轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)特征恢復(fù)正常。

在更換輪對(duì)后地面TPDS設(shè)備的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知橫向力和垂向力均正常。對(duì)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(duì)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(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)橫向力的變化趨勢(shì)，其周期性往復(fù)振蕩的趨勢(shì)明顯較小，可知在更換輪對(duì)之后車(chē)載構(gòu)架橫向加速度監(jiān)測(cè)結(jié)果和地面輪軌力的監(jiān)測(cè)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(cè)貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的維修策略是存在一致性。因此，針對(duì)TPDS客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良報(bào)警的車(chē)輛，針對(duì)性的維修策略即為輪對(duì)旋修，后期將進(jìn)一步通過(guò)仿真分析予以驗(yàn)證，同時(shí)將分析懸掛參數(shù)等的影響。

4 結(jié) 論

(1)從文中的對(duì)比分析結(jié)果可知，以輪軌力地面連續(xù)測(cè)量為基礎(chǔ)的方法作為客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測(cè)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(duì)客車(chē)單次通過(guò)探測(cè)站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)分的基礎(chǔ)上，通過(guò)制定“分散監(jiān)測(cè)、集中報(bào)警”的客車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良監(jiān)測(cè)技術(shù)方案及評(píng)估方法是具備可實(shí)施性的，且通過(guò)車(chē)載振動(dòng)測(cè)試等予以了有效驗(yàn)證；

(3)結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)不良車(chē)輛的動(dòng)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(chē)運(yùn)行狀態(tài)不良的主要因素之一。