地鐵隧道清洗車動力學性能研究

徐 凱， 李 芾， 安 琪

(西南交通大學 機械工程學院， 四川成都 610031)

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地鐵隧道清洗車動力學性能研究

徐 凱， 李 芾， 安 琪

(西南交通大學 機械工程學院， 四川成都 610031)

隨著地鐵的飛速發展，地鐵隧道清洗車在隧道清洗工作上起到了舉足輕重的作用。在對地鐵隧道清洗車進行設計時，通過SIMPACK多體系統動力學軟件，對地鐵隧道清洗車進行了動力學分析。分析結果表明，該地鐵隧道清洗車的蛇行臨界速度大于車輛的構造速度80 km/h的要求，在美國V級譜激勵下，運行平穩性滿足優級標準，曲線通過性能滿足要求。

地鐵； 隧道清洗車； 動力學性能

隨著我國經濟的飛速發展，城市交通的擁堵問題以及環境的保護逐漸成為了社會和人類關注的重點。相比于傳統的公共交通工具，地鐵最大化的利用了地下空間，在運量上遠超過公交車，且能源消耗，污染等遠低于公交車，這些特點使得地鐵成為了許多城市重點發展的公共交通工具。當地鐵隧道完成施工時，隧道內各壁面、軌道以及路基等部位會殘留許多灰塵等污垢，隨著運營時間的推進，地鐵車輛運行時制動磨耗等因素產生的污垢都將停留在隧道中。這些污垢附著在軌道扣件以及電氣設備上，如果沒有對這些污垢進行及時處理，將會對電氣設備的正常運行造成影響，使其運行靈敏度下降，地鐵故障率和維修成本將大大增加，嚴重時還將造成事故的發生。因此，使用地鐵隧道清洗車對隧道進行定時清洗可以緩解上述問題，并美化地鐵環境。本文對地鐵隧道清洗車的動力學性能進行研究，以期對地鐵隧道清洗車的發展具有一些指導意義。

1 隧道清洗車的基本結構

隧道清洗車的轉向架采用兩系彈簧懸掛的方式。輪對采用錐形橡膠堆彈簧定位方式，由錐形橡膠堆提供一系垂向剛度及車輛運行時所需要的縱向和橫向定位剛度。由于隧道清洗車和普通地鐵車輛不同，隧道清洗車載重較大且具有偏載等特性，因此轉向架的二系懸掛也與普通地鐵車輛有所不同，沒有采用成本較高和維護方面較難的空氣彈簧，改由橡膠堆、橫向液壓減振器等組成。車體和構架之間采用Z字型拉桿完成牽引工作。車體和構架之間設置彈性橫向止擋來抑制車體的大幅度橫向位移。根據最高運行速度和該車輛行駛時制動距離的要求，轉向架的基礎制動裝置采用單側踏面制動方式。該地鐵隧道清洗車具體技術參數如表1所示。

表1 地鐵隧道清洗車技術參數

2 動力學計算模型

運用SIMPACK多體動力學軟件對地鐵隧道清潔車進行動力學建模，考慮車體、構架、輪對等部件為剛體，對其減振器和橫向止擋進行非線性建模，其非線性特性如圖1所示。

由于轉向架系統中存在輪軌接觸等非線性因素，車輛的垂向運動和橫向運動耦合在一起，因此在計算模型中將橫向和垂向的運動綜合起來作為一個大系統考慮，系統橫向和垂向共有27個自由度，動力學計算模型如圖2所示。

3 動力學性能分析

根據運營要求，地鐵車輛的動力學性能應符合GB- 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》相關標準要求，其與UIC 518(Testing and approval of railway vehicle from the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Ride quality)存在一定的異同，二者之間存在諸多相通之處，故同時采用上述兩個標準進行評定，主要動力學性能評定指標為：車輛運行穩定性，車輛運行平穩性和曲線通過性能等。

圖1 減振器及橫向止擋非線性特性

圖2 動力學計算模型

3.1 車輛運行穩定性分析

根據UIC 515規定，當車輛以最高運行速度運行時，在4～8 Hz范圍內，若連續出現6個大于8 m/s2的峰值，則認為車輛運行失穩。根據UIC 518規定，應在100 m范圍內，以10 m為窗口對構架橫向振動加速度的均方根(RMS，Root Mean Square)值進行滑動平均，加速度最大值應小于其限值。UIC 518規定，每根輪軸的輪軌導向力之和應小于其限值。

根據上述判定方法，對地鐵隧道清洗車的車輛運行穩定性進行分析計算，計算結果如圖3所示。

圖3 車輛運行穩定性指標

計算結果表明，地鐵隧道清洗車在空重車情況下的臨界速度均遠遠大于車輛的構造速度80 km/h；在車輛以90 km/h運行時，車輛的構架橫向加速度RMS和輪軌導向力之和RMS均小于UIC 518中規定的限值，滿足地鐵隧道清洗車的運行穩定性要求。

3.2 車輛運行平穩性分析

車輛所受到的外力是由于軌道對輪對的強迫位移激振而引起的，此處采用美國V級軌道譜作為線路激擾。根據GB 5599-1985規定，客車運行平穩性采用車體上心盤(轉向架中心)偏離橫向1 000 mm處地板面上的最大橫向加速度、最大垂向加速度、橫向平穩性指標和垂向平穩性指標來表示。而UIC 518中規定加速度測量點則在轉向架中心銷上部，即不偏離1 000 mm，此處則按照GB 5599-1985的規定選取測量點，這種選取對于UIC 518來說是偏于危險的。

根據上述判定方法，對地鐵隧道清洗車的車輛運行平穩性進行分析計算，計算結果如圖4所示。

圖4 車輛運動平穩性指標

計算結果表明，地鐵隧道清洗車空重車狀態下在美國ⅴ級線路上運行時，在90 km/h速度范圍內，最大橫向加速度ay和最大垂向加速度az均小于UIC 518規定的限制值2.5 m/s2；橫向平穩性指標Wzy和垂向平穩性指標Wzz均達到GB 5599-1985的優級標準，滿足運行要求。

3.3 曲線通過安全性分析

在計算曲線通過安全性時，將由直線段、緩和曲線和圓曲線3種曲線來組成。在車輛從直線段進入緩和曲線再進入圓曲線的過程中，會受到很多外界激擾因素的影響，且對車輛系統不同部位的作用各不相同，且隨著曲線距離而不斷變化。

在研究車輛曲線通過安全性時，考慮的內容包括輪軌橫向力、輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數和輪重減載率。計算方法為讓地鐵隧道清洗車空重車模型通過一段帶激勵的設置有直線、超高的緩和曲線和圓曲線組成的線路，根據獲取的輪軌間的作用力來評定各項曲線通過性能動力學指標。

計算曲線通過時，根據實際使用情況下不同線路曲線半徑設置了不同的超高和緩和曲線，具體的線路條件如表2所示。根據地下鐵道設計規范相關規定，線路未平衡離心加速度不超過0.4 m/s2，故最大欠超高取60 mm。

地鐵隧道清洗車空重車的曲線通過安全性分析結果如圖5和圖6所示。

表2 曲線通過線路設置

圖5 空車曲線通過安全性指標

圖6 重車曲線通過安全性指標

在半徑300,350,400,600 m和800 m曲線上，地鐵隧道清洗車空重車在以表2設置速度下運行，其輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、輪軌垂向力P、脫軌系數Q/P、輪重減載率△P/P都在GB 5599-1985的標準之內，車輛曲線通過安全性滿足要求。

4 結 論

介紹了地鐵隧道清洗車的基本結構，采用二系橡膠堆代替傳統地鐵車輛的空氣彈簧，并通過SIMPACK多體動力學軟件對地鐵隧道清洗車進行了建模，并對其動力學性能進行仿真計算。計算結果表明，地鐵隧道清洗車空重車車輛在新輪新軌情況下，臨界速度均較高，能滿足運行要求；當踏面等效錐度磨耗至0.2,0.25,0.3和0.35時，空重車車輛也均能滿足運行要求。地鐵隧道清洗車空重車車輛在美國V級線路上運行時，在90 km/h速度范圍內，輪軸導向力RMS和構架橫向振動加速度RMS均小于UIC 518的規定的限制值，在以90 km/h速度運行時，最大構架橫向振動加速度在4～8 Hz頻率內小于UIC 515的規定的限制值，滿足運行要求。地鐵隧道清洗車空重車車輛在美國V級線路上運行時，在90 km/h速度范圍內，最大橫向加速度ay和最大垂向加速度az均小于UIC 518規定的限制值2.5 m/s2，橫向平穩性指標Wzy和垂向平穩性指標Wzz均達到GB 5599-1985的優級標準。在半徑300 ,350,400,600 m和800 m曲線上，地鐵隧道清洗車輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、脫軌系數Q/P、輪重減載率△P/P都在GB 5599-1985的標準之內，車輛曲線通過安全性滿足要求。經過線路試驗表明，該地鐵隧道清潔車所有動力學性能均與計算預測接近，滿足運行要求；在運營過程中，其性能優良，運營狀況良好。因此，該地鐵隧道清洗車滿足運行動力學性能要求，在我國地鐵隧道清洗裝備發展中具備較好的應用和發展前途。

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Research on Dynamic Performance of Subway Tunnel Cleaning Vehicle

XUKai，LIFu，ANQi

(Department of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

With the fast development of urban, the subway tunnel cleaning vehicle plays an important role in the tunnel cleaning. When designing the subway tunnel cleaning vehicle, the subway tunnel cleaning vehicle was simulated in SIMPACK to analyze the dynamic performance. The results showed that the critical speed of the subway tunnel cleaning vehicle was above the design speed 80km/h and that the running stability and the curve negotiation meted the requirement in American V excitation level.

subway；tunnel cleaning vehicle；dynamic performance

男，博士生(

2016-06-13)

1008-7842 (2016) 05-0130-05

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.30