跨座式單軌交通軌道梁剛度對乘坐舒適性影響研究

劉　國

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

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跨座式單軌交通軌道梁剛度對乘坐舒適性影響研究

劉國

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

Study on the Influence of Track-beam Stiffness on Straddle Monorail Transit Ride Comfort

LIU Guo

摘要參考已有車橋系統空間耦合振動模型，研究某市跨座式單軌交通Z206-25梁，利用fortran90軟件編寫程序。參考高速鐵路評價方法，基于Sperling指標和車體加速度值評價車輛乘坐舒適性，研究軌道梁豎向與橫向剛度的變化對車輛乘坐舒適性的影響。結果表明，軌道梁剛度對車輛乘坐舒適性影響很大，并且采用不同的評判準則，軌道梁剛度與乘坐舒適性之間的關系不同，有必要進一步研究軌道梁的剛度限值。

關鍵詞跨座式單軌交通車橋系統軌道梁剛度乘坐舒適性

跨座式單軌交通走行系統為膠輪-軌道梁形式，經濟性好，能滿足不同地形要求，可適應小曲線，使其可成為山區城市主要的交通形式之一[1]。2000年日本的單軌交通技術推廣到中國，目前在我國一些城市已得到了運用與發展[2-3]。

目前對車輛乘坐舒適性的研究多集中在鐵路方面，文獻[4，5]比較系統地論述了鐵路列車運行安全性和乘坐舒適性的控制因素和評價指標。已有的研究成果很少著重于跨座式單軌交通系統，文獻[6]以ISO2631為評判指標，研究了車輛行駛于單軌組合梁上的乘坐舒適性；馬繼兵[7，8]以ISO2631、UIC513和GB5594—35為評判指標，分別以平穩性和舒適度評判跨座式單軌交通乘坐舒適性。

已有的車橋振動成果表明，運行在橋上的列車舒適性受橋梁剛度的影響很大[9]，而我國規范尚未確立跨座式單軌交通軌道梁剛度和舒適性的關系，為保證橋上列車旅客乘坐舒適性，有必要開展對兩者關系的研究，便于更深入的探討跨座式單軌交通軌道梁的剛度限值。參考高速鐵路車輛評判方式，采用車體加速度和Sperling值兩項指標，研究軌道梁橫向剛度與豎向剛度的變化對車輛乘坐舒適性的影響。

1車輛-軌道梁空間耦合振動

1.1車輛及橋梁模型

參考已有模型，車體和轉向架均為剛體，車輛等速運行在軌道梁上，且軌道面與輪胎密貼，走形部阻尼為黏性阻尼，轉向架小位移運動于基本位置附近。軌道梁模型體系為簡支梁，采用空間梁單元擬合。

1.2車橋耦合模型

輪胎小變形認為是線性變化的，參考文獻[7]中建立輪胎模型的假設，根據彈性系統動力學總勢能不變值原理及形成矩陣的“對號入座”法則，建立車橋系統空間耦合振動方程。

2乘坐舒適性評價標準

我國現行的高速鐵路豎向加速度不大于0.13g，水平加速度不大于0.10g，Sperling舒適度指標采用表1中客車相關指標。

3軌道梁剛度對乘坐舒適性的影響

參考已有車橋系統空間耦合振動模型，研究某市跨座式單軌交通Z206-25梁。車輛參數參考文獻[10]，軌道不平順采用文獻[10]中日本譜，利用fortran90自編程序進行車輛-軌道梁動力響應分析。

表1　我國機車車輛的平穩性指標Wz

為了討論軌道梁剛度變化對車輛乘坐舒適性的影響，首先需要探討Sperling指標和車體加速度這兩種標準的關系。在保持其他參數不變的條件下，分別選取不同的軌道梁橫向剛度和豎向剛度值的變化，研究其對車輛乘坐舒適性的影響。保持車輛速度為正常速度30 km/h，選取下列幾種不同剛度的軌道梁工況。

橫向剛度：軌道梁豎向剛度不變，橫向剛度由原軌道梁剛度值的0.5倍增加到2.0倍，共16種工況。

豎向剛度：軌道梁橫向剛度不變，豎向剛度由原軌道梁剛度值的0.5倍增加到2.0倍，共16種工況。

圖1　軌道梁剛度對Wz值的影響

圖2　軌道梁剛度對車體加速度值的影響

分別計算這幾種工況的車輛乘坐舒適性指標Wz值和車體加速度值，如圖1和圖2所示。圖1、圖2分別為軌道梁橫向剛度，豎向剛度對車輛乘坐舒適性和車體加速度值的影響曲線。由圖1(a)可知，軌道梁橫向剛度的改變對車輛豎向乘坐舒適性無影響，對橫向乘坐舒適性則有顯著影響，且當橫向剛度增加時，橫向乘坐Wz值并非完全增大；由圖2(a)可知，軌道梁橫向剛度的改變對車體豎向加速度值無影響，對橫向加速度值則有顯著影響。

由圖1(b)、圖2(b)可知，車輛橫向加速度值和乘坐舒適性不受軌道梁豎向剛度變化的影響，而軌道梁剛度對車輛豎向乘坐舒適性和豎向加速度值則有顯著影響，隨著剛度的增加，豎向乘坐Wz值減小，豎向加速度值變小。

對比圖1(a)與圖2(a)可知，在車速為30 km/h時，橫向剛度系數在0.7～1.1區間內，軌道梁橫向剛度值的變化對車輛橫向乘坐舒適性指標Wz值與對加速度值的影響不一致。這表明在分析軌道梁剛度對車輛乘坐舒適性的影響時，采用車輛加速度和Sperling評判標準有所區別。

為了進一步對比分析車輛乘坐舒適性指標Wz值和車輛加速度值兩種標準的關系，現計算車速為60 km/h時，上述幾種不同軌道梁剛度下車輛乘坐舒適性指標Wz值和車體加速度值隨剛度值變化的情況，如圖3和圖4所示。

圖3　60 km/h時軌道梁剛度對Wz的影響

圖4　60 km/h時軌道梁剛度對車體加速度值的影響

對比圖3(a)與圖1(a)、圖3(b)與圖1(b)可知，當車速由30 km/h增加到60 km/h時，車輛乘坐Wz值隨著軌道梁剛度的改變變化更明顯；對比圖4(a)與圖2(a)、圖4(b)與圖2(b)可知，當車速由30 km/h增加到60 km/h時，車輛加速度值隨著軌道梁剛度的改變，變化更明顯。由圖3(a)可知，在軌道梁橫向剛度系數為0.5、0.6時，車輛橫向乘坐舒適性指標Wz值分別為2.306和2.198，按照Sperling評價標準車輛乘坐舒適性為優秀，而由圖4(a)可知，在軌道梁橫向剛度系數為0.5、0.6時，車輛橫向加速度值分別為1.334和1.027，已經超過高速鐵路橫向加速限值0.10g的要求，即符合Sperling評價標準而不符合高速鐵路加速度限值要求。

車輛時速為30 km的幾種工況結果表明，在探討軌道梁剛度對車輛乘坐舒適性的影響時，基于Sperling指標和車體加速度標準有所區別；由車輛時速60 km、橫向剛度系數為0.5、0.6時分析結果表明，舒適性指標滿足Sperling指標而無法滿足高速鐵路加速度限值要求。綜上可知，軌道梁剛度對車輛乘坐舒適性影響很大，并且采用不同的評判準則，軌道梁剛度與乘坐舒適性之間的關系不同，有必要進一步研究軌道梁的剛度限值。

4結論

(1)軌道梁橫向剛度變化時，車輛橫向乘坐舒適性變化很大，豎向舒適性變化很小；軌道梁豎向剛度變化時，車輛豎向乘坐舒適性變化很大，橫向舒適性變化很小。

(2)由車輛時速60 km、軌道梁橫向剛度系數為0.5、0.6的分析結果表明，車輛橫向乘坐舒適性符合Sperling標準而不符合高速鐵路加速度限值要求。

(3)軌道梁剛度對車輛乘坐舒適性影響很大，并且采用不同的評判準則，軌道梁剛度與乘坐舒適性之間的關系不一樣，有必要進一步研究軌道梁的剛度限值。

參考文獻

[1]李應紅.城市軌道交通的功能與定位[J].鐵道勘察，2007(5)：10-12

[2]王省茜.跨座式單軌鐵路的特點及其應用前景[J].中國鐵道科學,2004，25(1):131-135

[3]中國國際工程咨詢公司，建設部地鐵與輕軌研究中心，重慶市軌道交通總公司.城市單軌交通國際高級論壇論文集[C].北京:中國鐵道出版社，2005

[4]曾慶元，郭向榮.列車橋梁時變系統振動分析理論及應用[M].北京:中國鐵道出版社，1999

[5]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學[M].北京:中國鐵道出版社，1997

[6]Chang Hun Lee， Chul Woo Kim， et al. Dynamic response analysis of monorail bridges under moving trains and riding comfort of trains[J]. Engineering Structures， 2005，27(14):1999-2013

[7]馬繼兵，蒲黔輝，夏招廣.跨座式單軌交通系統車輛的乘坐舒適性性能測試與分析[J].都市快軌交通,2006，19(6):46-50

[8]馬繼兵.跨座式單軌交通系統靜動力行為研究[D].成都：西南交通大學，2008

[9]周智輝，曾慶元，向俊.橋梁橫向剛度對橋上列車走行安全性的影響[J].鐵道工程與科學學報，2005，2(2):30-33

[10]Lee C H， Kawatani M， et al. Dynamic response of a monorail steel bridge under a moving train[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006，294:562-579

中圖分類號：U232； U260.11+1； U211

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2016)01-0085-03

作者簡介：劉國(1989—)，男，2014年畢業于中南大學，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-11-23