路況與地鐵車輛振動關系的測試分析研究

張華超，張小棟，曹廣忠

（1.西北工業大學動力與能源學院，陜西 西安 710072；2.深圳大學機電與控制工程學院，廣東 深圳 518060）

0 引 言

車輛振動是評價車輛性能的一個重要指標，地鐵車輛振動不但影響旅客乘車的舒適度，使駕駛員迅速疲勞，對車輛行駛安全性構成極大的威脅，而且能夠引起軌道車輛某些部件的早期疲勞損壞，從而降低軌道車輛的使用壽命，在一定程度上制約了軌道交通的發展。影響車輛振動的因素很多，如車輛自身的減振性能、行車速度、行車線路狀況等[1]。該文根據實際測量到的振動數據，對車輛振動與行車線路狀況之間的關系做出分析。

1 理論分析

地鐵車輛是一個多自由度的振動系統，作用于該系統的各種激擾力使其產生復雜的振動過程。引起車輛振動主要原因可以概括為：

（1）與軌道有關的激振因素，如軌道接頭處的輪軌沖擊、軌道的不平順性等。

（2）與車輛結構有關的激振因素，如車輪偏心、車輪不均質等[2]。

另外，車輛動力設備和其他懸掛在車體上的輔助電氣設備，如牽引電機、空調等產生的振動也會對車輛振動產生很大的影響。車輛振動模型如圖1所示。

圖1 地鐵車輛振動模型

其中：K1、K2——一系和二系彈簧的剛度；

C1、C2——輪對與轉向架和轉向架與車體之間的阻尼系數；

M1、M2——轉向架和車體的質量。

振動加速度有效值作為振動強度指標，表征了各個測點上振動的大小。其定義為

式中：arms——加速度有效值，m·s-2；

a（t）——加速度時程，m·s-2；

T——加速度持續時間，s。

可以通過檢測車輛在運行過程中的振動加速度來評估車輛振動情況[3]。

2 測點選擇

軌道不平順是車輛振動的主要來源之一。軌道不平順引起的隨機激勵導致轉向架的振動，并通過轉向架傳遞到車體，引起車體振動是地鐵車輛振動產生的主要原因。

根據機車車輛隨機振動分析的有限單元法研究[4]，車體振動加速度分布在兩轉向架和車體中心處幅值最大，所以選取1位端轉向架部位地板a1點和車廂中央地板a2點2個垂向振動最明顯的部位（如圖2所示），采集這2個部位在不同路況下運行時的垂向振動信號，通過分析其垂向振動加速度有效值的變化，準確的判斷不同路況條件下車輛振動加速度的變化情況，得出正確結論。

圖2 測點分布

3 測試系統搭建

為完成該次測試，選用INV3018A型24位4通道智能信號采集分析儀和LC0156A型ICP振動加速度傳感器以及1臺PC機組建了振動測試系統，軟件測試平臺采用與信號采集儀配套的DASP-V10智能數據采集和信號處理軟件。

4 測試方案

（1）測點分布，如圖2所示。

（2）測試工況。以深圳地鐵某線作為實驗運行線路，以軌道的不平順性作為激勵輸入，采集地鐵車輛在60km/h勻速狀態下全程運行的振動信號。

測試過程中，保證除路況以外其他引起振動的干擾因素保持最低水平，車輛在整個運行過程中空載，不必要的輔助設備（如廣播等）關閉。

5 測試結果分析

作為參照，需要采集車輛在平直路段上以60 km/h勻速運行的振動信號。測試采集了地鐵車輛在試車線上平直路段運行的振動數據作為參照。地鐵車輛在試車線上的振動信號如圖3所示。

圖3 試車線平直線路運行的時域圖

數據采集過程中取3種不同路況：（1）坡度為3‰的下坡處，轉彎半徑為400m、長度為350m的彎道；（2）無彎道，坡度為10‰的下坡路段；（3）無彎道，坡度為10‰的上坡路段。采集這3種路況下60 km/h勻速運行的振動信號，并將這3種情況下采集的振動信與在試車線上采集的信號進行分析比較。

5.1 幅值域分析

3種路況下采集到的60 km/h勻速運行的時域信號圖如圖4所示。

試車線和3種其他路況下運行的總有效值統計比較如表1所示。

由有效值統計列表和振動信號時域圖可以看出，在上、下坡路況條件下運行的地鐵車輛的振動量級相對于平直的試車線有明顯的增加，同時有坡度和彎道情況下的振動量級更大。這說明車輛運行線路狀況對車輛振動量級影響顯著。

表1 不同路況下有效值統計

5.2 頻域分析

將試車線及3種其他路況條件下采集的振動信號做FFT自譜分析，得到各種狀態運行下車輛振動頻率的能量分布。

試車線上運行時振動的自功率譜如圖5所示。其他3種路況下車輛振動信號的自功率譜如圖6所示。

取測點1上的數據，做4種線路狀態下振動信號的倍頻程分析比較如圖7所示。

圖7 1號測點4種路況的倍頻程分析對比

由功率譜可以看出，在平直路段上，車輛振動能量主要分布在0～50Hz內。在非平直路段上行駛過程中，能量分布向較高頻轉移，主要集中在50～200Hz。由于車廂中部懸掛有空壓機、制動電阻等電氣設備，使得車廂中央部分在彎道運行過程時產生大量包含復雜頻率的振動信號，且包含能量較大[5]。

由圖7可以看出，非平直路段運行的地鐵車輛，其在100Hz頻率上振動量級最大。不同路況下100 Hz頻率上的振動量級大小順序如圖7所示為：

下坡彎道>直道下坡>直道上坡>平直路段

6 結束語

該次測試中，共對4列不同的地鐵車輛各3個車廂進行了相同條件下的實驗，車輛振動信號表現出以下規律：

（1）車輛在非平直線路上行駛時，振動增大明顯，其中彎道行駛過程中振動增大最明顯。這是因為輪對與鋼軌的接觸面之間存在切向力，在一定條件下，這種切向力的激勵作用越明顯，使得車輛的振動加速度越大，這種振動屬于車輛的自激振動[6-7]。

（2）車輛在上下坡運行過程中，振動量級也有較大幅度增加，坡度越大振動加速度越大；下坡產生時振動大于上坡產生的振動，這是因為在下坡過程中，要保持勻速必須對車輛由一個制動力以抵消重力分量。深圳市地鐵車輛采用動力制動方式，制動時將牽引電機變為發電機，發電機產生電能由制動電阻以熱的形式散發掉，這一過程中需要使用電扇對其進行強制散熱，從而引起車體特別是車廂中央部位的振動增大[8]。

（3）地鐵車輛在非平直線路運行時，振動能量主要集中在50～200 Hz，其中轉向架上100 Hz左右包含能量最大，車廂中部由于結構和輔助設備影響頻率成分復雜，能量分布較為分散[9]。

[1] 王伯銘.城市軌道交通車輛工程[M].成都：西南交通大學出版社，2007（9）：170-195.

[2] 陳澤深，王成國.鐵道車輛動力學與控制[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[3] 曾青中，韓增盛.城市軌道交通車輛[M].成都：西南交通大學出版社，2006.

[4] 向俊.機車車輛隨機振動分析的有限單元法研究[J].長沙鐵道學院學報，1995，13（4）：38-45.

[5] 賀啟庸，倪純雙，王衛東.多體系統動力學與車輛動力學[J].鐵道車輛，1995（1）：38-42.

[6]潘昌實，謝正光.地鐵區間隧道列車振動測試與分析[J].土木程學報，1990，23（2）：21-28

[7] 王保堅.地鐵車輛振動分析及解決方法[J].電力機車與城軌車輛，2009，32（3）：50-51.

[8] Stribersky A，Moster F，Rulka W.Structural dynamics and ridecomfort of a rail vehicle system[J].Advances in Engineering Software，2002（33）：541-552.

[9] Merovitch L.Elements of vibration analtisi[M].New York：Mcgraw-hall Book Company，1975.