基于地面轮轨力监测数据的铁路货车服役性能研究*

2019-01-29田光荣于卫东喻冰春

铁道机车车辆 2018年6期

田光荣, 于卫东, 肖齐, 蒋荟, 喻冰春

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081;2 中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081)

截止2017年底，国铁货车保有量近80万辆。相比于动车组和客车，货车由于结构和性能参数、运用工况等原因，其动力学性能在一个服役周期中呈现较大的离散性。随着中国铁路总公司“强基达标、提质增效”主题的提出，全面揭示通用货车服役性能演变规律及其关键影响因素，对于保障货运安全、制定合理维修周期、改进货车设计具有重要意义。

由于货车结构性能的离散性，要全面分析通用货车服役性能的演变规律，首先需要的就是大样本的数据源。全路超过7 000台套的车辆安全监控设备为此提供了有力的条件。对于铁路货车动力学性能，车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)为服役性能的分析提供了坚实的研究基础。目前我国铁路已基本建成了覆盖干线的TPDS监测网络，到2017年底，全路已建成的138套联网运用TPDS设备，近年的年监测频次如图1所示。2016年全路TPDS探测站共监测铁路车辆83 383 741辆次，其中运行状态不良报警1 259辆次，TPDS在保障货车安全运营方面发挥了重要作用。

图1 TPDS年监测频次统计

TPDS是利用设在铁路直线段上的轨道监测系统，动态检测通过列车轮轨间的横、垂向作用力，实现对车轮踏面损伤、超偏载的自动检测和识别；同时通过对车辆轮轨动力学特性的分析，对货车运行状态进行分级评判、联网报警。

鉴于上述TPDS监测样本数和功能，以此分析研究铁路货车服役性能成为了可能。同时，货车运行状态是否良好关系到运行安全性，对于运行状态的监测成为了研究货车服役性能的有效方法。

1 研究方法

TPDS是一种利用地面固定设施对移动设备进行监测的安全设备，重要的一点是对货车运行状态进行分级评判、联网报警，其特点是监测成本低、对象多、频次高，但具体到单次监测则包含了一些随机因素(如冲角、编组、列车纵向力等)的影响。因此，TPDS对货车运行状态评判的总体原则是"分散检测、集中报警"，具体过程包括①探测站数据采集；②基本参数计算；③探测站评分；④联网评判4个步骤。单个TPDS探测站对通过速度大于50 km/h(有效通过)的空车进行运行状态评分，TPDS查询中心汇集了全路TPDS探测站评分，在此基础上对每辆货车进行运行状态的联网评判。TPDS联网评判采用了“滑动累加”的方法，“滑动累加”的窗口长度为7次有效通过，即对每辆货车采用其最近7次有效通过(空车50 km/h以上)的运行状态评分之和作为该车运行状态联网评分，运行状态联网评分表征了该车近期的动力学性能。图2给出了2011—2016年TPDS运行状态不良报警数的比较结果。根据相关数据可知，通用货车中保有量最大车型为敞车，因此以敞车为研究

对象，分析其服役性能演变规律。汇总分析预警车辆故障原因，确定引起车辆预警典型故障，制定相应的改进和控制措施，指导车辆造修及运用管理，保证车辆运行性能稳定，为车辆运营速度进一步提高积累经验。整个分析思路和方法如图3所示。

图2 2011—2016年度TPDS运行状态不良报警数比较(分车型)

图3 TPDS分析货车服役性能演变规律流程图

主要技术路线：利用全年段修到期车，查询TPDS监测数据，匹配HMIS厂段修日期，得到每一辆车上一个运用周期内每月TPDS 联网积分、TPDS单次评分的平均值及最大值，按车型、段修期、运用时间进行分类统计分析，得到铁路货车(根据目前货车的保有量，敞车占比最大，因此仅以敞车为例进行分析)服役动力学演变规律。同时，结合TPDS运行状态大值车辆的专项质量调研，深入分析TPDS运行状态大值车辆分解检测结果，明确TPDS运行状态大值车辆的检修项点以及故障原因，并提出调整TPDS运行状态不良运用报警限度、明确检修内容等建议，以满足货车提速、达速安全保障的需求，同时在全面揭示铁路货车服役性能的基础上逐步实现货车与故障预测和健康管理。

2 监测大数据分析

2.1 货车服役性能演变规律分析

利用2015—2016年的段修到期敞车，车型包括C62AK、C62BK、C64H、C64K、C64T、C70、C70C、C70E、C70EH、C70H、C80、C80B、C80BH等，各车型检修数量见表1～表2所示。

表1 2015年敞车检修数据统计

根据表1和表2对比可知，在2015和2016两个年度的对比中，同一车型的列检数基本维持在一个水平状态，少数的不一致主要是因为货车保有量中各车型年度的变化量以及运用的不同需求所引起。

根据图3所示的分析方法，选取部分保有量大的敞车(轴重分别涵盖21 t、23 t、25 t)作为分析对象，以2016年度为例，以TPDS监测结果作为基础，分析敞车服役性能演变规律。根据前述章节的分析方法，得到每一车型联网积分大于等于50车辆辆数及比例、最近段修期内联网积分最大值的平均值、以及最近段修期内每月联网积分大于等于50车辆辆数、月联网积分最大值均值、单次积分大值(≥15)车辆辆数(注：评分分为1～6级，1级代表车辆横向晃动或减载严重，2～5级依次变化，6级代表车辆未见明显横向晃动或减载，各级对应分值如表3所示)。

表2 2016年敞车检修数据统计

表3 探测站评分与状态积分

图4 主型敞车月联网积分最大值均值对比

根据图4所示的结果可知，随着运用时间的增加，总体上各型敞车的月联网积分最大值均值均呈现不断增大的趋势。对于21 t轴重的C64K在到达第18个月左右(1.5年)的时候达到最大值，后续减小；对于23 t轴重的C70在到达第24个月(2年)左右的时候达到最大值，后续减小，正对应各自的段修周期，说明段修作业以及更换磨耗严重轮对的临修作业，可以有效恢复各型敞车动力学性能。换言之，其服役周期内性能在一个段修周期内随着运行时间的累积会发生较大的变化，且不同车型之间由于结构和性能参数的不同也会存在差异。具有明显差异的是C80型货车，其在第12个月左右的时候达到了联网积分的最大值，在第24个月左右时又一次达到峰值附近，也即1年左右是其服役性能的变化周期，但是C80货车的段修周期是2年，因此初步分析认为是在1年左右其运行状态不良联网积分报警，进而进行扣修，扣修之后其积分下降，即动力学性能恢复正常，这一点从前期在大秦线开展的运行状态不良报警货车质量分解及追踪的数据中得到了佐证。

此外，利用货车健康管理PHM系统相关功能展开分析，图5、图6分别给出了1.5年和2年段修期货车其TPDS运行积分随运用时长的变化趋势。可以看出，其总体变化趋势与图4接近(个别车型存在差异)，同时也可知不同段修期货车其积分均值之间会存在较大的差异，初步分析认为是与车辆结构和性能参数、运用工况存在关联。

图5 货车运行积分随运用时长变化趋势(段修期1.5年)

图6 货车运行积分随运用时长变化趋势(段修期2年)

2.2 TPDS运行状态不良积分分布统计

TPDS运行状态不良报警的门槛值是运行状态不良积分达到110(注：国铁货车前期标准，目前已采用60分为阈值，大秦线采用的仍是110分)年涉及货车仅几百辆。新的60分值条件下，2016年全路运行状态不良报警1 259辆次。为了更好地保障货车提速和达速的安全性，以下对2016年非大秦线运行状态不良积分40以上按车型(主要以C64K和C70系列车)分别进行统计，结果如图7所示。

可知，积分占比最高的为40～50分区间，进而可推断现行标准即最近7次累积联网积分60分的合理性，既保证了运行安全性，又避免产生因不合理的报警和扣修而引起运输效率的下降。

图7 2016年TPDS系统运行状态不良积分统计

2.3 检修故障分析

结合在广州和北京集中开展的两次根据货车TPDS运行状态不良积分开展的质量分解工作可知，轮径差和旁承预压缩量不足是导致货车运行状态不良的主要因素，如图8、图9所示。通过进一步的检修故障分析结果得到段修周期内轮轴类故障随运用时长的变化关系，如图10所示。此变化趋势能较好的对应于前述分析的运行状态不良积分的变化趋势。