某型地鐵車輛運行穩(wěn)定性研究

黃楨國，李子嘉，鄔平波

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2. 龍游縣公路港航與運輸管理中心，浙江 衢州 324400； 3. 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

隨著城市人口的急劇增加，公共交通的發(fā)展越來越受到人們的重視。自從1863年倫敦大都會鐵路的開通運營將這種快速、安全的交通方式帶入人們的視野后，近些年中國的地鐵運營里程呈現(xiàn)爆發(fā)式地增長，但是一系列問題的出現(xiàn)諸如噪聲過大、車體晃動或抖動以及磨耗劇烈等問題成為地鐵這種新式交通方式發(fā)展中的隱患。為此，國內(nèi)外許多學(xué)者針對地鐵列車運行安全性和平穩(wěn)性做了很多研究。曾京等[1]建立了具有17自由度的車輛系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，研究了車鉤力以及曲線半徑對車輛臨界速度的影響。石懷龍等[2]針對高速列車已有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)和比對，從中得出適用于當(dāng)下列車的動力學(xué)指標(biāo)評價方法。池茂儒等[3]通過對存在輪徑差的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行受力分析, 把輪徑差對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響劃分成3個區(qū)域分別進(jìn)行分析。路兵[4]分析了各個懸掛參數(shù)對車輛非線性臨界速度的影響，并詳述了臨界速度的仿真計算方法。蔡文鋒等[5]建立了考慮懸浮控制系統(tǒng)的車輛動力學(xué)模型，對列車在直線段快速運行時的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究。XING L L等[6]建立了CRH2C車輛模型并對名義等效錐度和Hopf分叉類型進(jìn)行分析，得出了輪軌相互作用的非線性特征和列車非線性穩(wěn)定性之間的關(guān)系。GONG C C等[7]建立一種分析及預(yù)測運營車發(fā)車密度過高引起的軌道橫向劣化的方法，并探討不同類型車輛、行車速度以及輪軌關(guān)系對軌道橫向劣化的影響。馬衛(wèi)華等[8]通過輪軌非對稱接觸現(xiàn)象，研究其對機(jī)車運行平穩(wěn)性以及曲線通過能力的影響。AUCIELLO J等[9]提出了一種新型的輪軌接觸點檢測的半解析方法，可以將復(fù)雜的輪軌關(guān)系簡化為一個標(biāo)量方程，并可用數(shù)值方法求解。POLACH O[10]論證了接觸非線性對鐵路車輛穩(wěn)定極限性能的影響，并用兩個參數(shù)描述了輪軌接觸幾何關(guān)系。徐士恒等[11]針對貨運動車組的特點在傳統(tǒng)多剛體模型的基礎(chǔ)上，考慮集裝器的結(jié)構(gòu)、布置和安裝方式，在SIMPACK中建立更近實際的“車-貨”耦合動力學(xué)仿真模型。

本文通過型式試驗測得數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析，得到列車在實際線路上運行時的狀態(tài)參數(shù)。列車運行時的安全性指標(biāo)包括脫軌系數(shù)、輪重減載率以及輪軸橫向力等，舒適性指標(biāo)即車體sperling平穩(wěn)性指數(shù)[12]，蛇行運動穩(wěn)定性通過構(gòu)架端部橫向加速度數(shù)據(jù)來判斷。優(yōu)良的曲線通過性能以及直線運行穩(wěn)定性是軌道車輛動力學(xué)發(fā)展永恒的目標(biāo)，故所設(shè)置的工況應(yīng)包括曲線以及直線，以便于對列車進(jìn)行全方位的研究。

1 研究對象

所研究對象為一列六編組地鐵AH型車輛，采用四動兩拖的編組方式，頭尾為拖車，如圖1所示。該車輛設(shè)計最高運營速度80km/h，動力學(xué)試驗車輛為TC1車、MP1車，兩車1軸各加裝1條測力輪對來檢測輪軌力的數(shù)值變化。試驗前被試車輛完成了5420km的運行磨合，以保持最佳的輪軌接觸狀態(tài)。

圖1 被測車輛示意圖

2 研究內(nèi)容

2.1 對列車運行安全性進(jìn)行研究

試驗采用測力輪對法獲取輪軌橫向、垂向力，計算脫軌系數(shù)、輪重減載率等并進(jìn)行脫軌安全性評估。輪軌力信號傳輸采用集流環(huán)裝置，實時數(shù)據(jù)通過線纜傳回數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行儲存以便后續(xù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。根據(jù)GB5599—1985[13]規(guī)定，相關(guān)參數(shù)計算采用以下公式。

脫軌系數(shù)：

Q/P≤0.8

式中:Q為輪軌橫向力，kN；P為輪軌垂向力，kN。

輪重減載率:

輪軸橫向力：

H≤α(10+P0/3),α=1

式中P0為凈軸重，kg。

1)試驗結(jié)果

表1、表2給出了被試車在空車(AW0)工況下直線和曲線的運行穩(wěn)定性(安全性)評價指標(biāo)最大值統(tǒng)計。試驗結(jié)果表明：被試TC1車及MP1車的脫軌系數(shù)最大值分別為0.79、0.79；輪重減載率最大值分別為0.38、0.40；輪軸橫向力最大值分別為22.36kN、23.14kN；構(gòu)架橫向加速度最大值分別為3.05m/s2、3.22m/s2。

表1 直線工況運行穩(wěn)定性(安全性)評價指標(biāo)

表2 曲線工況運行穩(wěn)定性(安全性)評價指標(biāo)

TC1車與MP1車脫軌系數(shù)最大值出現(xiàn)在R525m曲線、R525m/R300m曲線；輪重減載率分別出現(xiàn)在R525m/R300m、R300m曲線；輪軸橫向力最大值均出現(xiàn)在R300m曲線；構(gòu)架橫向加速度最大值出現(xiàn)在直線、R300m曲線，且動車的輪軸橫向力以及構(gòu)架橫向加速度明顯大于拖車。

表3和表4分別給出了被試車超員(AW3)工況下直線和曲線的運行穩(wěn)定性(安全性)評價指標(biāo)最大值統(tǒng)計。試驗結(jié)果表明：被試TC1車及MP1車在空氣彈簧正常工況的脫軌系數(shù)最大值分別為0.65、0.70；輪重減載率最大值分別為0.38、0.35；輪軸橫向力最大值分別為26.47kN、29.19kN；構(gòu)架橫向加速度最大值分別為3.86m/s2、3.81m/s2。

表3 直線工況運行穩(wěn)定性(安全性)評價指標(biāo)

表4 曲線工況運行穩(wěn)定性(安全性)評價指標(biāo)

TC1與MP1車脫軌系數(shù)最大值均出現(xiàn)在R300m曲線；輪重減載率最大值均出現(xiàn)在R300m曲線；輪軸橫向力最大值均出現(xiàn)在R300m曲線；構(gòu)架橫向加速度最大值分別出現(xiàn)在直線和R525m曲線。

2) 脫軌系數(shù)速度級分析

對比AW0以及AW3兩種工況可得，列車在空車通過曲線時的脫軌系數(shù)數(shù)值最大，處于危險區(qū)域，故對該工況(曲線半徑300m)進(jìn)行相應(yīng)的速度級分析，可以得出圖2。

圖2 不同速度級下脫軌系數(shù)變化圖(AW0)

由圖2可知，各個速度級下的脫軌系數(shù)接近于上限0.8，較為危險。這種情況較容易出現(xiàn)在客流量較少的站間區(qū)段內(nèi)。由曲線可以看出在速度低于60kmph時，拖車的脫軌系數(shù)要大于動車的；在70kmph時脫軌系數(shù)達(dá)到頂峰；隨著速度的繼續(xù)提高，脫軌系數(shù)又呈下降趨勢。總體上來說，在高速區(qū)段，動車的脫軌系數(shù)要高于拖車的。

結(jié)合實際情況分析，列車在客流量較多的區(qū)間運行時，運行工況可以達(dá)到AW2甚至AW3，那么就有必要對AW3情況下列車通過小曲線(曲線半徑300m)的工況進(jìn)行速度級的分析，得到折線圖如圖3所示。

圖3 不同速度級下脫軌系數(shù)變化圖(AW3)

由圖3可得，兩種車型的脫軌系數(shù)隨著速度的增加是在遞減的。整體上看，在此種工況下動車的脫軌系數(shù)值大于拖車的。在列車以低于50kmph的速度運行時，脫軌系數(shù)值處在一個較高的范圍之內(nèi)，最高達(dá)到了0.7，距離0.8的上限很近，比較危險。當(dāng)速度處在50～60kmph時，脫軌系數(shù)達(dá)到了穩(wěn)定，基本不隨著速度的改變而發(fā)生明顯的變化；在高于60kmph時，脫軌系數(shù)繼續(xù)下降，拖車的下降速度較動車來說更為劇烈一些。

綜合以上觀點可以得出結(jié)論，地鐵運營公司在試運行期間應(yīng)做好市場調(diào)研，對不同人流量的站間區(qū)段進(jìn)行劃分，在人流量較少的區(qū)段，可以采取以60kmph的最高運行時速來運行，在人流量較大的區(qū)域，則可以達(dá)到70kmph，這樣設(shè)計不僅可以降低列車脫軌風(fēng)險，還可以在一定程度上降低運營成本。

2.2 對列車運行平穩(wěn)性進(jìn)行研究

運行平穩(wěn)性測試在車體地板的振動加速度。參照執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)分別計算橫、垂平穩(wěn)性指標(biāo)。車體振動加速度采用加速度傳感器測定，測點位于TC1與MP1車前后轉(zhuǎn)向架中心上方左側(cè)/右側(cè)1m處車體地板。表5為平穩(wěn)性指標(biāo)等級表。

表5 平穩(wěn)性指標(biāo)等級表

1) 列車運行平穩(wěn)性試驗結(jié)果

表6和表7分別給出了被試車在空車(AW0)工況下直線和曲線的運行平穩(wěn)性指標(biāo)最大值統(tǒng)計。試驗結(jié)果表明：被試TC 1車及MP1 車在正常工況橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值分別為2.43、2.48，均出現(xiàn)在R525m曲線中；垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值分別為2.22、2.26，均出現(xiàn)在直線中。

表6 直線工況下運行平穩(wěn)性試驗結(jié)果

表7 曲線工況下運行平穩(wěn)性試驗結(jié)果

表8和表9分別給出了被試車在超員(AW3)工況下直線和曲線的運行平穩(wěn)性指標(biāo)最大值統(tǒng)計。試驗結(jié)果表明：被試TC1 車及MP1車在正常工況橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值分別為2.31、2.28，均出現(xiàn)在R525m曲線中；垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值分別為2.16、2.13，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值出現(xiàn)在直線、直線/R525m曲線中。

表8 直線工況運行平穩(wěn)性指標(biāo)

表9 曲線工況運行平穩(wěn)性指標(biāo)

2) 速度級分析

結(jié)合表5到表8的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，在通過曲線工況下一位端處橫向平穩(wěn)性是最差的，最高達(dá)到了2.48，故對其空、重車兩種工況進(jìn)行速度級分析，得到結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4-圖5可知，無論車體載質(zhì)量如何，一位端橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都是隨著速度的增加而逐漸變大的，可以說速度越高，帶來的必然結(jié)果就是平穩(wěn)性的降低。但是不同載重下，動車和拖車的表現(xiàn)卻存在明顯的差異。在空車情況下動車的平穩(wěn)性始終大于拖車，重車情況下結(jié)果卻恰好相反。從數(shù)值上來講，重車的平穩(wěn)性要好于空車，所以在客流量較少的區(qū)域，列車運行要綜合考慮確定運行速度，以保證列車運行平穩(wěn)舒適。

圖4 一位端橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度變化圖(AW0)

圖5 一位端橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度變化圖(AW3)

3 結(jié)語

安全性評估和平穩(wěn)性評估決定著列車的運行質(zhì)量。在空車(AW0)工況下通過小曲線時，列車的脫軌系數(shù)較大，處在限值邊緣，這種情況在動車上表現(xiàn)尤其明顯。運行平穩(wěn)性方面，空車通過小曲線時的平穩(wěn)性指標(biāo)較大一些，這種情況出現(xiàn)在拖車上，重車工況時反而比動車的平穩(wěn)性惡劣一些。地鐵公司為了給旅客提供舒適的服務(wù)，要綜合考慮客流因素，合理地確定列車運行時速，將旅客安全平穩(wěn)地送往目的地。