基于地面輪軌力監測數據的鐵路貨車服役性能研究*

田光榮, 于衛東, 肖 齊, 蔣 薈, 喻冰春

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081;2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所， 北京 100081)

截止2017年底，國鐵貨車保有量近80萬輛。相比于動車組和客車，貨車由于結構和性能參數、運用工況等原因，其動力學性能在一個服役周期中呈現較大的離散性。隨著中國鐵路總公司“強基達標、提質增效”主題的提出，全面揭示通用貨車服役性能演變規律及其關鍵影響因素，對于保障貨運安全、制定合理維修周期、改進貨車設計具有重要意義。

由于貨車結構性能的離散性，要全面分析通用貨車服役性能的演變規律，首先需要的就是大樣本的數據源。全路超過7 000臺套的車輛安全監控設備為此提供了有力的條件。對于鐵路貨車動力學性能，車輛運行品質軌邊動態監測系統(TPDS)為服役性能的分析提供了堅實的研究基礎。目前我國鐵路已基本建成了覆蓋干線的TPDS監測網絡，到2017年底，全路已建成的138套聯網運用TPDS設備，近年的年監測頻次如圖1所示。2016年全路TPDS探測站共監測鐵路車輛83 383 741輛次，其中運行狀態不良報警1 259輛次，TPDS在保障貨車安全運營方面發揮了重要作用。

圖1 TPDS年監測頻次統計

TPDS是利用設在鐵路直線段上的軌道監測系統，動態檢測通過列車輪軌間的橫、垂向作用力，實現對車輪踏面損傷、超偏載的自動檢測和識別；同時通過對車輛輪軌動力學特性的分析，對貨車運行狀態進行分級評判、聯網報警。

鑒于上述TPDS監測樣本數和功能，以此分析研究鐵路貨車服役性能成為了可能。同時，貨車運行狀態是否良好關系到運行安全性，對于運行狀態的監測成為了研究貨車服役性能的有效方法。

1 研究方法

TPDS是一種利用地面固定設施對移動設備進行監測的安全設備，重要的一點是對貨車運行狀態進行分級評判、聯網報警，其特點是監測成本低、對象多、頻次高，但具體到單次監測則包含了一些隨機因素(如沖角、編組、列車縱向力等)的影響。因此，TPDS對貨車運行狀態評判的總體原則是"分散檢測、集中報警"，具體過程包括①探測站數據采集；②基本參數計算；③探測站評分；④聯網評判4個步驟。單個TPDS探測站對通過速度大于50 km/h(有效通過)的空車進行運行狀態評分，TPDS查詢中心匯集了全路TPDS探測站評分，在此基礎上對每輛貨車進行運行狀態的聯網評判。TPDS聯網評判采用了“滑動累加”的方法，“滑動累加”的窗口長度為7次有效通過，即對每輛貨車采用其最近7次有效通過(空車50 km/h以上)的運行狀態評分之和作為該車運行狀態聯網評分，運行狀態聯網評分表征了該車近期的動力學性能。圖2給出了2011—2016年TPDS運行狀態不良報警數的比較結果。根據相關數據可知，通用貨車中保有量最大車型為敞車，因此以敞車為研究

對象，分析其服役性能演變規律。匯總分析預警車輛故障原因，確定引起車輛預警典型故障，制定相應的改進和控制措施，指導車輛造修及運用管理，保證車輛運行性能穩定，為車輛運營速度進一步提高積累經驗。整個分析思路和方法如圖3所示。

圖2 2011—2016年度TPDS運行狀態不良報警數比較(分車型)

圖3 TPDS分析貨車服役性能演變規律流程圖

主要技術路線：利用全年段修到期車，查詢TPDS監測數據，匹配HMIS廠段修日期，得到每一輛車上一個運用周期內每月TPDS 聯網積分、TPDS單次評分的平均值及最大值，按車型、段修期、運用時間進行分類統計分析，得到鐵路貨車(根據目前貨車的保有量，敞車占比最大，因此僅以敞車為例進行分析)服役動力學演變規律。同時，結合TPDS運行狀態大值車輛的專項質量調研，深入分析TPDS運行狀態大值車輛分解檢測結果，明確TPDS運行狀態大值車輛的檢修項點以及故障原因，并提出調整TPDS運行狀態不良運用報警限度、明確檢修內容等建議，以滿足貨車提速、達速安全保障的需求，同時在全面揭示鐵路貨車服役性能的基礎上逐步實現貨車與故障預測和健康管理。

2 監測大數據分析

2.1 貨車服役性能演變規律分析

利用2015—2016年的段修到期敞車，車型包括C62AK、C62BK、C64H、C64K、C64T、C70、C70C、C70E、C70EH、C70H、C80、C80B、C80BH等，各車型檢修數量見表1～表2所示。

表1 2015年敞車檢修數據統計

根據表1和表2對比可知，在2015和2016兩個年度的對比中，同一車型的列檢數基本維持在一個水平狀態，少數的不一致主要是因為貨車保有量中各車型年度的變化量以及運用的不同需求所引起。

根據圖3所示的分析方法，選取部分保有量大的敞車(軸重分別涵蓋21 t、23 t、25 t)作為分析對象，以2016年度為例，以TPDS監測結果作為基礎，分析敞車服役性能演變規律。根據前述章節的分析方法，得到每一車型聯網積分大于等于50車輛輛數及比例、最近段修期內聯網積分最大值的平均值、以及最近段修期內每月聯網積分大于等于50車輛輛數、月聯網積分最大值均值、單次積分大值(≥15)車輛輛數(注：評分分為1～6級，1級代表車輛橫向晃動或減載嚴重，2～5級依次變化，6級代表車輛未見明顯橫向晃動或減載，各級對應分值如表3所示)。

表2 2016年敞車檢修數據統計

表3 探測站評分與狀態積分

圖4 主型敞車月聯網積分最大值均值對比

根據圖4所示的結果可知，隨著運用時間的增加，總體上各型敞車的月聯網積分最大值均值均呈現不斷增大的趨勢。對于21 t軸重的C64K在到達第18個月左右(1.5年)的時候達到最大值，后續減小；對于23 t軸重的C70在到達第24個月(2年)左右的時候達到最大值，后續減小，正對應各自的段修周期，說明段修作業以及更換磨耗嚴重輪對的臨修作業，可以有效恢復各型敞車動力學性能。換言之，其服役周期內性能在一個段修周期內隨著運行時間的累積會發生較大的變化，且不同車型之間由于結構和性能參數的不同也會存在差異。具有明顯差異的是C80型貨車，其在第12個月左右的時候達到了聯網積分的最大值，在第24個月左右時又一次達到峰值附近，也即1年左右是其服役性能的變化周期，但是C80貨車的段修周期是2年，因此初步分析認為是在1年左右其運行狀態不良聯網積分報警，進而進行扣修，扣修之后其積分下降，即動力學性能恢復正常，這一點從前期在大秦線開展的運行狀態不良報警貨車質量分解及追蹤的數據中得到了佐證。

此外，利用貨車健康管理PHM系統相關功能展開分析，圖5、圖6分別給出了1.5年和2年段修期貨車其TPDS運行積分隨運用時長的變化趨勢。可以看出，其總體變化趨勢與圖4接近(個別車型存在差異)，同時也可知不同段修期貨車其積分均值之間會存在較大的差異，初步分析認為是與車輛結構和性能參數、運用工況存在關聯。

圖5 貨車運行積分隨運用時長變化趨勢(段修期1.5年)

圖6 貨車運行積分隨運用時長變化趨勢(段修期2年)

2.2 TPDS運行狀態不良積分分布統計

TPDS運行狀態不良報警的門檻值是運行狀態不良積分達到110(注：國鐵貨車前期標準，目前已采用60分為閾值，大秦線采用的仍是110分)年涉及貨車僅幾百輛。新的60分值條件下，2016年全路運行狀態不良報警1 259輛次。為了更好地保障貨車提速和達速的安全性，以下對2016年非大秦線運行狀態不良積分40以上按車型(主要以C64K和C70系列車)分別進行統計，結果如圖7所示。

可知，積分占比最高的為40～50分區間，進而可推斷現行標準即最近7次累積聯網積分60分的合理性，既保證了運行安全性，又避免產生因不合理的報警和扣修而引起運輸效率的下降。

圖7 2016年TPDS系統運行狀態不良積分統計

2.3 檢修故障分析

結合在廣州和北京集中開展的兩次根據貨車TPDS運行狀態不良積分開展的質量分解工作可知，輪徑差和旁承預壓縮量不足是導致貨車運行狀態不良的主要因素，如圖8、圖9所示。通過進一步的檢修故障分析結果得到段修周期內輪軸類故障隨運用時長的變化關系，如圖10所示。此變化趨勢能較好的對應于前述分析的運行狀態不良積分的變化趨勢。

圖8 輪徑差統計結果

3 結 論

通過利用地面輪軌力監測數據，對以敞車為代表的通用貨車動力學性能演變規律深入分析，得到如下結論：

(1)通過TPDS地面輪軌力監測數據可對貨車服役性能進行較為有效的監測和追蹤，為保證運行安全和提供檢修建議奠定堅實的基礎；

(2)貨車服役動力學性能的演變規律與運用周期內的周轉量、速度、車型密切相關，通過對通用貨車服役動力學性能的TPDS統計參數的對比分析，可以給合理制定維修周期、優化維修標準及車輛設計提供技術支持；

(3)現行TPDS關于貨車運行狀態不良積分的報警閾值是合理的，可有效監測橫向穩定性較差的車輛；

(4)結合TPDS運行狀態不良積分和專項質量分解的結果，可針對性地指導貨車檢修工作。

圖9 旁承預壓縮量統計結果

圖10 段修周期內輪軸類故障按月統計圖