TPDS、TADS探测客车技术研究及技术改进建议

邓俊波

（中国铁路武汉局集团有限公司车辆部，湖北武汉 430071）

0 引言

车辆运行安全监控系统（5T系统）由车辆轴温智能探测系统（THDS）、车辆运行品质轨边动态监测系统（TPDS）、车辆滚动轴承故障轨边声学诊断系统（TADS）、货车故障动态图像检测系统（TFDS）、客车运行状态安全监测系统（TCDS）等子系统组成。近年来，在货车TFDS、TADS成熟运用的基础上，开始研制并推广铁路客车故障轨旁图像检测系统（TVDS）、动车组运行故障动态图像检测系统（TEDS）、动车组滚动轴承故障轨边声学诊断系统（TADS-1），进一步完善了车辆运行安全监控手段［1-2］。5T系统中THDS、TPDS、TADS、TFDS等货车安全检测子系统针对货车走行部进行检测，在既有普速铁路上部署较为密集，是及时发现货车走行部故障的主要手段。TEDS、TADS-1等动车组安全检测子系统的应用，以及在进入动车段和动车运用所咽喉处部署的车辆故障在线监测系统等，也实现了对动车组走行部故障的有效监测［3-4］。

相对而言，普速客车（简称客车）运行安全监控手段相对薄弱，TCDS是通过客车车载无线设备向地面监控设施实时传送客车运行数据的安全监测设备，其检测重点是客车供电、车下电源、轴温报警器、制动系统等，对于客车走行部的检测手段不足；TVDS在一定程度上弥补了客车走行部的安全检测手段，实现了对客车走行部关键部位的图像检测，但对客车车轮踏面损伤和滚动圆失真、转向架蛇行失稳、轴承内部早期缺陷等仍缺乏有效检测手段［5-7］。铁路客车、货车走行部结构有较大相似性，在客货共线运行的实际情况下，利用既有货车安全检测子系统对客车进行兼顾探测，不仅能够提升客车运行安全监控能力，而且可以实现资源共享，更大限度发挥货车安全检测子系统的效用，因此开展货车安全检测子系统探测客车技术研究具有重要意义。鉴于TCDS、TVDS已具备部分走行部运行安全监测功能，主要针对TPDS、TADS对客车探测的适应性和技术改进进行研究。

1 TPDS探测客车适应性分析及技术改进建议

1.1 适应性分析

1.1.1 电磁兼容问题

在货物列车上，除机车上有少量干扰源外，其他车辆基本没有。与货车不同，客车上安装有大量机电、通信设备，对客车运行安全起着不可或缺的作用，但电磁能量的发射对TPDS设备却产生了较强电磁干扰。客车上的电磁干扰不仅在数量上多于货车，且干扰源距线路与车辆相互作用的轮轨力监测点的距离也更近，其干扰比货车要严重许多。

TPDS的轮轨力测试传感器属于毫伏级小信号应变式测量，需经过信号传输和信号调理单元的放大、滤波、整形后再进行数据采集处理。在客车电气电子设备的电磁干扰下，极易造成干扰信号混入应变检测信号中，使采集的数据失真，甚至会对车辆计轴计辆产生干扰，影响检测系统的正确评判，导致无法准确预报故障信息。

1.1.2 测试平台问题

TPDS由22根混凝土轨枕组成框架式轨道测试平台，轨枕间距设计为760 mm（比普通轨枕间距600 mm宽），测试平台总长为16.27 m，其中有效测区在测试平台中间，长度4.80 m。整个测区布置示意见图1。

图1 TPDS测试平台整个测区布置示意图

目前铁路正线基本采用大型养路机械进行作业，相对于600 mm的正线轨枕间距，在大机捣固作业时，TPDS测试平台区域需调整捣固头间距，导致作业周期延长，作业组织较为困难。多数情况下，在TPDS测试平台区域均采用人工捣固取代大机捣固，造成局部线路质量与邻近线路不一致，导致设备检测精度下降，尤其是客车运行速度高于货车，探测数据可靠性进一步降低。

考虑到水源工程在运行过程中自身需要消耗部分原材料、原水、辅助材料以及备品备件等，建议按陶岔渠首出口新增毛供水量适当考虑计算水源工程的燃料材料及动力费。

另外，从检测1个振动周期以上轮轨力及变化规律的要求来看，既有TPDS能保证对运行速度较低、轮对直径较小的货车实现检测要求。但对于行车速度明显提高、轮径较大的客车而言，既有4.80 m的检测区域长度难以实现检测要求，这也会影响评判客车转向架蛇行失稳结论的准确性。

1.1.3 踏面损伤模型问题

既有TPDS踏面损伤模型建立在货车车轮监测数据基础上，并结合《铁路货车运用维修规程》相关标准，制定报警标准。由于客货车轮重、速度、结构均有差别，且客车对踏面损伤的运用标准明显严于货车，因此既有TPDS踏面损伤模型并不能适应客车踏面损伤方面的应用，必须重新开发客车踏面损伤报警模型，并根据《铁路客车运用维修规程》制定相应的报警标准。

1.2 技术改进建议

1.2.1 电磁兼容解决方案

针对电磁干扰问题开展技术攻关，分析客车电磁干扰特征，从传感器应变信号采集为起点，对信号采集、信号传输、信号放大及调理单元、信号整形滤波系统到数字信号的计算机处理，综合使用屏蔽技术、接地技术、布线技术、滤波技术和磁环抑制技术，进行多层次干扰消除研究。同步对供电系统和接地系统进行改进，实现客车运行条件下TPDS设备抗电磁干扰的系统升级。

1.2.2 测试平台解决方案

鉴于既有测试平台有效测试区长度不能满足客车探测要求，对测试平台进行重新设计。将测试平台轨枕间距改为600 mm，与正线一致，以保证TPDS测试区段的轨道线路得到良好养护维修，一方面确保区段线路质量，另一方面提高检测系统检测数据的准确性。将轨枕间距缩小后，测试区长度相应缩短，通过增加传感器，将有效测试区长度由4.80 m增加至6.00 m，则可同时满足客货车检测1个振动周期以上轮轨力及变化规律的要求，实现对客车转向架蛇行失稳的准确探测。

1.2.3 建立新的踏面损伤模型

通过研究客车踏面损伤冲击力特征与货车的差异，以及客货车在轮重、速度、簧上质量参与冲击程度等方面的不同，在大量分析客车TPDS监测数据基础上，研发客车踏面损伤模型，并根据《铁路客车运用维修规程》的相关标准制定报警级别。

2 TADS探测客车适应性分析及技术改进建议

2.1 适应性分析

既有TADS是通过在铁路正线轨道两侧安装声学传感器阵列，采集货物列车车辆滚动轴承发出的噪声信号，采用声学诊断技术和信号处理技术对采集的噪声信号进行实时处理，重点检测车辆滚动轴承滚子、内圈、外圈等早期故障，判别滚动轴承的工作状态。

从客车和货车轴承结构来说，其滚动轴承都是由内圈、外圈、滚动体和保持架等元件组成。当滚动轴承部件的滚动工作面出现故障时，在轴承运转中滚动体碾压到故障部位，就会产生冲击振动，这种冲击振动与正常情况的振动有所不同，具有很宽的频率范围，常能激起轴承部件的共振，引发异常声音。因此，从TADS设备工作原理来讲，能够对客车轴承故障进行检测，但必须考虑客货车车轮滚动圆外径尺寸不同及滚动轴承外形尺寸、滚子类型等的差异，且同样要考虑电磁兼容问题。

2.1.1 车轮滚动圆外径尺寸不同对探测的影响

当前主型货车、客车车轮信息见表1、表2。

表1 主型货车车轮信息

表2 主型客车车轮信息

可见，客车滚动圆外径比货车大，相对位于车轮滚动圆中心位置的滚动轴承比货车滚动轴承位置仅高10～40 mm，与轴承部件故障共振产生的声音完全在TADS声学传感器探测范围之内，因此既有TADS可实现对客车滚动轴承故障声音的采集。

2.1.2 滚动轴承外形尺寸、滚子类型差异对探测的影响

客车与货车滚动轴承有很多相同之处，也存在不少差异。首先，货车滚动轴承外没有封闭作用的轴箱，而客车轴承外有封闭作用的轴箱，使得客车故障轴承的声音品质与货车有所差别；其次，客车滚动轴承外形尺寸与货车也不一样，货车滚动轴承内圈内径大多是150 mm，而客车大多是130 mm；再次，客车滚动轴承滚子类型与货车也不相同，货车滚动轴承的滚子类型都是圆锥形，而客车多为圆柱形。

因为客车与货车滚动轴承外形尺寸、滚子类型的差异，不同故障位置的频率特征表现也不同，货车的判别模型无法直接应用到客车轴承故障的判别。

2.2 技术改进建议

2.2.1 建立新的客车滚动轴承故障模型

通过研究客车滚动轴承外形尺寸、滚子类型特征与货车的差异，在大量分析客车TADS监测数据基础上，重新编写和建立针对客车滚动轴承的故障特征识别算法和判别模型，实现对客车滚动轴承故障的判别。

2.2.2 电磁兼容解决方案

TADS采集信号同TPDS一样属于弱信号，易受电磁干扰。同样需要在分析客车电磁干扰特征的基础上，综合使用屏蔽技术、接地技术、布线技术、滤波技术和磁环抑制技术等对TADS设备进行多层次干扰消除，同步对供电系统和接地系统进行改进，实现客车运行条件下TADS设备抗电磁干扰的系统升级。

2.3 存在的问题

TADS探测客车会受到车辆运行速度的限制。TADS对30～120 km/h的列车能够有效提取声音数据，速度太低，滚动轴承故障运行中发出的声音太小，可能淹没到背景噪声中，很难提取有效信息；而速度太高，滚动轴承故障运行中发出的声音会受多普勒畸变等多种情况影响，也很难提取有效信息。TADS对超过120 km/h运行速度客车滚动轴承的诊断还需进一步研究。

3 结束语

通过TPDS、TADS探测客车技术的适应性改进，可实现对客车车轮踏面损伤和滚动圆失真、转向架蛇行失稳、轴承内部早期缺陷等走行部故障的有效检测，弥补客车走行部的安全检测手段，提升客车运行安全监控能力，并可实现资源共享，更大限度发挥货车安全检测子系统的效用。