铁路客货车通用运行品质轨边动态监测系统TPDS的研制

李甫永，李旭伟，凌烈鹏，秦菊，陈天柱

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

铁路客货车通用运行品质轨边动态监测系统TPDS的研制

李甫永，李旭伟，凌烈鹏，秦菊，陈天柱

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

客车车轮踏面损伤形式多样，监测主要依靠人工，容易造成漏检，而病害漏检会给行车带来安全隐患。针对监测铁路客车车轮踏面损伤和车辆动力学性能运行品质的要求，在既有铁路货车TPDS的基础上，通过优化电磁兼容设计、建立客车踏面损伤评判模型和改进测试区平台，研制出了客货车通用TPDS。该系统能够识别铁路客货车车辆运行状态，获得车轮踏面损伤情况，监测车辆超偏载，为铁路客货车行车安全提供技术保障。

客货通用TPDS 电磁兼容 踏面损伤

铁路客车车轮踏面损伤监测主要依靠人工。客车车轮踏面损伤形式多样，其中车轮失圆约占踏面损伤的30%，危害极大，且难以被人工监测出。2013年发现的客车轴承保持架裂损均与车轮失圆有关，2013年12月30日发生209P型转向架侧梁开裂的主要外因也是车轮失圆［1］。货车车辆运行品质轨边动态监测系统(Truck Performance Detection System，TPDS)［2-4］可以有效监测到客货车踏面损伤，避免重大安全事故的发生，提高客货车运营的安全性。但是原有的TPDS是为铁路货车运行监测而研制的，系统的抗电磁干扰能力比较差，踏面损伤评判模型和连续测试区长度在定量分析上无法满足铁路客车运行品质监测的要求。因此，在既有货车TPDS的基础上研制客货车通用TPDS，有效监控列车运行品质，为铁路客车和货车的安全运行提供技术保障。

1 监测系统的解决方案

结合货车TPDS的使用经验［5-6］，在设计铁路客货车通用TPDS时，为满足铁路客车运行品质监测的要求，提出了以下解决方案。

1.1 优化电磁兼容设计

在铁路上运营的货物列车，只有机车上有少量电磁干扰源;而安装在客车上的机电、通信、输电线路和照明器具等电气类设备会产生电磁能发射，对地面的TPDS探测站设备可产生较强的电磁干扰，干扰源距离轮轨力监测点距离也更近。因此，客车使用TPDS消除电磁干扰比货车更重要，也更困难。

TPDS的轮轨力测试传感器信号为毫伏级的小应变信号，需要经过信号传输和信号调理单元的放大、滤波和整形后再进行数据采集。在铁路客车上使用的TPDS如果沿用既有货车TPDS中的电磁干扰消除方法，会造成干扰信号混入应变监测信号中，使采集的数据失真，直接影响监测结果的正确评判，或者将干扰信号误认为合理信号使车辆的分轴计辆发生错误。图1为客车踏面损伤正常波形及电磁干扰波形。可以看出，不采取消除电磁干扰的措施，干扰波形和踏面损伤正常轮轨力波形不容易区分，容易造成踏面损伤的误判。TPDS监测的动车组正常波形及电磁干扰波形见图2。可见，动车组轮轨力波形中混杂了大量的电磁干扰信号，从而使自动分析软件在分轴计辆时产生错误，无法生成动车组列车监测信息报文。因此，必须针对铁路客车电磁环境研制相应的信号调理采集设备。

为了消除电磁干扰，从传感器应变信号的采集、传输、放大及调理、整形滤波到数字信号的计算机处理，都进行了多层次的干扰消除处理，综合使用了屏蔽技术、接地技术、布线技术、滤波技术和磁环抑制技术。对供电系统和接地系统也进行了改进，研制了客货共用TPDS。升级后的信号调理采集设备采用了通用的插卡式设计，方便检修及更换。

升级后的信号调理采集设备通过了电磁兼容试验，并在北京铁路局廊坊TPDS探测站进行了现场试运用，数据统计情况见图3。

图1 客车踏面损伤正常波形及电磁干扰波形

图2 动车组正常波形和电磁干扰波形

图3 TPDS信号调理采集设备升级前后丢列比对比

由图3可见，监测的丢列比较信号调理采集设备升级前有了大幅度的下降，尤其是动车的丢列比由63%下降到了0，实现了动车的全部监测，这充分说明了抗电磁干扰措施的有效性。

1.2 建立客车踏面损伤评判模型

铁路客车踏面损伤形式包括擦伤、剥离、局部凹入、碾堆、多边形轮对、动不平衡等多种形式，无论哪种形式的踏面损伤都会引起轮轨间的冲击作用，给轨道和车辆的结构带来危害。其踏面损伤的危害程度与其形状、位置、性状关系密切，难以用单一几何量来准确反映踏面损伤的危害程度。TPDS通过对轮轨间冲击力的监测，综合考量轮重及速度等因素，得到冲击当量，从而对多种形式的踏面损伤做出合理、一致的评判，因而评判踏面损伤的危害程度更为科学。

既有货车TPDS踏面损伤模型是在几亿轮次的铁路货车车轮监测数据分析的基础上建立的，在货车踏面损伤的分析中应用效果很好［7-8］。但是TPDS要在客车踏面损伤方面应用，必须重新建立客车的踏面损伤评判模型。建模时要注意以下几点:

1)轮重差别。铁路客车和货车在轮重方面存在明显差别。货车空车轮重在2.5 t左右，重车轮重超过10 t，货车的轮重分布主要集中在空车和重车两头;客车空车和重车的轮重分布差别不大，均为7 t左右。

2)速度差别。货车运营速度不超过120 km/h，大部分货车的运营速度在80 km/h以下，而客车的运营速度可达到120～160 km/h。TPDS采用被动测量方式，同一类车辆踏面损伤的分布应与通过探测站的速度无关。但是，采用货车踏面损伤评判模型来评判客车踏面损伤在速度修正上存在明显偏差，表现出与速度相关。如图4所示，铁路普快客车踏面损伤报警比例随速度升高而基本单调上升。图5为普快客车与棚车踏面损伤报警的冲击当量平均值随速度的变化。普快客车踏面损伤报警的冲击当量平均值随速度上升而明显上升，而棚车基本与速度无关。上述分析表明，目前应用于客车踏面损伤的货车TPDS评判模型关于速度的修正存在偏差。

图4 普快客车踏面损伤报警比例与速度的关系

图5 普快客车与棚车的冲击当量平均值与速度关系的比较

3)结构差别。铁路客车和货车在一系悬挂上存在显著差异。货车是通过承载鞍传递载荷，而客车是通过一系弹簧传递载荷。

4)维修标准差别。铁路货车和客车在处理车轮踏面损伤方面的维修标准有明显差别。在踏面擦伤及局部凹入深度方面，货车运用限度是1 mm［9］，客车运用限度则为0.5 mm［10］。在踏面剥离长度方面，货车运用限度为一处踏面剥离长度不大于50 mm，两处踏面剥离长度均不大于40 mm;而客车运用限度为一处踏面剥离长度不大于30 mm，两处踏面剥离长度均不大于20 mm。可见，客车踏面损伤的运用限度明显严于货车。

由于铁路客车在车轮轮重、运行速度、车辆结构以及维修标准等方面与货车有很大差异，研制铁路客货车通用TPDS时，在客货车踏面损伤的评判上必须采用不同的评判模型。分析了2011—2012年全路货车TPDS探测站一亿轮次客车冲击力、轮重、速度等参数的监测数据，建立了TPDS客车踏面损伤模型。

1.3 改进测试区平台

既有货车TPDS测试区平台见图6。由22根混凝土轨枕组成框架式轨道测试区平台，可以降低线路因素对车辆轮轨力测试的影响，保证测试结果反映车辆自身的动力学特征。为有效区分货车同一转向架的不同轮对，每个测试区长度设定为1.6 m，共分为3个测试区，有效连续测试区长度4.8 m。货车TPDS利用该测试区可以实现货车蛇行失稳的大半波长监测。由于客车车辆定距和转向架轴距较货车长，蛇行失稳波长较货车长，有效测试区长度须扩展至6 m才能适应客车蛇行失稳探测的需求。

图6 既有货车TPDS测试区平台

另外，为了既有货车TPDS测试区平台在不增加硬件数量的情况下加长测试区长度，轨枕间距设计为760 mm，与标准的600 mm轨枕间距不同。而随着铁路运输密度的增加，正线均采用大型养路机械进行道床养护作业。由于TPDS测试区平台轨枕间距与标准轨枕间距存在差异，大型养路机械作业较为困难，存在测试区平台区段道床养护失修的情况，导致TPDS垂直力监测精度下降。

鉴于此，重新研制了护轮轨型的新型轨道测试区平台，见图7。从测试区轨道结构可以看出，新型轨道测试区平台取消了原轨枕端部的纵向连接，在轨枕中部采用了2根护轮轨进行纵向连接，保持了原有轨道测试区平台的整体性和抗扭曲的性能。同时，轨枕间距由760 mm改为了普通线路的600 mm，方便了大型养路机械养护作业。为实现铁路客货车车辆运行状态的同时监测，连续测试区的长度由既有的3个测试区共4.8 m，扩展为5个测试区共6.0 m。长距离连续测试区布置见图8。新型测试区平台既保证了系统的监测精度和踏面损伤的捕获率，又可捕获铁路客货车车辆蛇行失稳的波长信息。

图7 客货共用轨道测试区平台设计

图8 客货共用TPDS长距离连续测试区布置

2 监测系统软件的结构设计

2.1 探测站监测软件的结构设计

铁路轨边探测站设备为无人值守、24 h不间断工作，因此监测软件须具备自动分析处理、无人为干预、长期稳定工作能力，同时具备设备安装期的调试、标定、状态测试等功能。针对设备工作情况，数据采集监测软件主要包括动态测量、数据回放、设备测试3个主功能模块。该数据采集监测软件可实现数据连续采集、实时统计分析、信号波形显示、被测参数自动输出、设备状态自检等综合系统功能。TPDS数据采集监测软件系统结构见图9。

2.2 客车检修运用软件的结构设计

目前，我国铁路货车和客车的运用管理机制不同。货车是无配属管理，货车日常运用中存在的问题归发生地所在铁路局车辆段运用车间负责;而客车实行的是配属管理，客车日常检修运用归配属铁路局车辆段的运用车间负责。因此，货车和客车在检修运用软件方面的需求是不同的。既有货车TPDS运用系统是针对货车安全监控与管理开发的，没有针对客车安全监控与管理的功能。因此需要研发针对TPDS客车监控管理的运用软件系统。该软件系统包含了配属车辆实时监控、配属车辆监测信息查询、报警车辆汇总、报警车辆反馈、配属车辆运行追踪等功能，能够实现过程闭环管理。客车检修TPDS运用系统结构见图10。

图9 TPDS数据采集监测软件系统结构

3 监测系统的验证

本监测系统的抗干扰信号调理采集设备通过了电磁兼容试验验证，并在北京铁路局廊坊、南昌铁路局向塘、梁家渡、潭岗和三江镇等TPDS探测站进行了现场验证，效果良好。客车检修运用软件自2013年以来在南昌铁路局福州车辆段进行了功能验证，能够实现对客车动态监测的目的，对提高客车检修质量和运行品质起到重要作用。新型客货车共用TPDS测试平台和传感器仪表等设备已于2014年12月至2015年1月在北京铁路局平南、正定TPDS探测站进行试装验证。另外，还将于2015年上半年在南昌铁路局芦溪TPDS探测站和广铁集团白马垄TPDS探测站进行试装验证。

图10 客车检修TPDS运用系统结构

4 结语

铁路客货车通用TPDS是一种在较高行车速度条件下，可识别铁路客货车车辆运行状态、识别车轮踏面损伤、车辆超偏载计量的多功能实时监测系统。该系统功能全、精度高、稳定可靠、监测信息多部门共享。从消除电磁干扰、建立客车踏面损伤评判模型和改进测试平台三个方面对既有货车TPDS进行了优化，使客货车监测精度、踏面损伤捕获率大为提高，同时可获得状态不良客货车车辆的动力学特征。铁路客货车通用TPDS可为铁路客货车运输安全管理提供技术保障。

［1］王兴华，曾宇清．TPDS对客车踏面损伤监测应用分析［J］．铁道机车车辆，2014(10):83-86．

［2］张格明，冯毅杰，刘慕哥．车辆超偏载及运行状态安全监测系统的研究和运用［C］//技术装备确保行车安全学术研讨会论文集．北京:中国铁道学会，2000．

［3］冯毅杰，张格明．车辆运行状态地面安全监测系统研制的新进展［J］．中国铁道科学，2002(6):138-142．

［4］柴雪松，朱兴红．车辆运行状态检测系统(TPDS)在轨道负荷监测中的应用［J］．铁道建筑，2008(11):93-95．

［5］李传翔．TPDS踏面损伤报警与货车车轮踏面损伤成因分析［J］．上海铁道科技，2010(2):46-49．

［6］赵长波，陈雷．5T系统综合运用探讨［J］．铁道车辆，2008 (12):18-21．

［7］扈海军，康熊．货车车轮踏面损伤标准的探讨［J］．铁道机车车辆，2005(3):16-18．

［8］赵长波，扈海军，曾宇清，等．基于TPDS的货物列车踏面损伤分析与控制［J］．中国铁路，2011(11):52-56．

［9］中华人民共和国铁道部．铁运［2010］141号铁路货车运用维修规程［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［10］中华人民共和国铁道部．铁运［2006］27号铁路客车运用维修规程［S］．北京:中国铁道出版社，2006．

Development of TPDS(Truck Performance Detection System)for inspecting running quality of passenger and freight wagons

LI Fuyong，LI Xuwei，LING Liepeng，QIN Ju，CHEN Tianzhu
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he tread damage forms of passenger carriage wheel are various and were mainly monitored by artificial detection，which often caused the missing of disease detection and threatened the train operation safety．For the monitoring requirements of passenger carriage wheel tread damage and vehicle dynamic mechanical properties and running performance，the new T PDS for passenger and freight based on the former T PDS of railway freight car was developed by optimizing the electromagnetic compatibility，constructing the passenger carriage wheel tread damage evaluation model and improving the test platform，which can identify the vehicle running state of the railway passenger and freight car，obtain the wheel tread damage detection，monitor the vehicle overload and unbalanced load，and provide technical support for railway vehicle operation safety．

T PDS for passenger and freight wagons;Electromagnetic compatibility;T read damage

U216．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．34

1003-1995(2015)04-0130-06

(责任审编葛全红)

2014-11-20;

2015-02-20

中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ003)

李甫永(1978—)，男，山东莱芜人，助理研究员，硕土。