地鐵車輛振動異常問題探討

摘 要：城市地鐵運行技術和車輛性能雖然越來越成熟，但車輛異常振動仍是地鐵行業中的一大困擾。文章通過車輛本身和行車路況兩者之間的聯系，對地鐵發生異常振動的實質因素進行分析，并提出了一些解決措施以助于地鐵安全穩定的運行。

關鍵詞：地鐵車輛；振動因素；改進

1 產生振動的理論分析

1.1 地鐵振動的主要來源

地鐵產生的振動主要來源于地鐵列車輪對與鋼軌間的相互作用，長時間的相互作用力會使輪軌發生磨損，有的列車輪子會出現失圓甚至產生扁疤的現象，鋼軌也會因為長期磨損而產生波浪型損耗。在地鐵運行的過程中，車輪和鋼軌之間產生的相互作用力會造成車輛和鋼軌、道床之間的振動，主要包含兩種情況：一種是橫向振動，是由于輪軌之間橫向縫隙和車輪在軌道方向水平運行不穩定的作用力下產生的強迫振動，在慣性的作用下，車輪會產生不改變其運動方向的情況，從而會產生偏移軌道中心線的趨勢；另一種是垂向振動，豎向振動的產生是由于隨機性激勵（軌道不平）、周期性激勵（車輪偏心）和輪軌之間發生碰撞等引起的。

1.2 地鐵振動的傳播情況

地鐵振動的傳播是一種很復雜的波動現象，包括縱波、橫波和表面波，其中以表面波占主導地位。傳播過程當中，波的能量會有所擴散被各種不同介質吸收，由于傳播介質不同，地鐵產生振動會發出不同程度的噪聲，這種噪聲被分為空氣聲和固體聲兩種形式。所謂空氣聲就是通過空氣進行傳播的噪聲，而列車軌道系統撞擊震動通過軌道、道床、隧道和鋼筋混凝土等傳播到地表建筑物上引起的振動被稱為固體聲。

2 產生振動的主要因素

2.1 列車本身方面

在車輛結構方面的影響振動因素有車輪偏心和車輪材質不均等。另外，車輛上的一些輔助設備（動力設備、電氣設備、牽引電機、空調）等產生的振動也對車輛產生振動有一定的影響。

衡量車輛振動大小的重要指標之一就是振動加速度，因此，通過對車輛運行時的振動加速度的檢測對車輛振動進行評估，如圖1所示，在車輛不同位置安裝傳感器（振動加速度）。圖1（a）中傳感器安裝于軸箱位置，可直接測出輪軌的加速度；圖1（b）當中的傳感器安裝于車廂上，可測出經一、二系簧減振之后的加速度；圖1（c）中的傳感器安裝于轉向架上，可測出經一系簧減振之后加速度。通過對以上三個位置進行檢測，真實地反映出了車輛的初始振動以及最終的振動。可通過車輛在運行時振動加速度進行檢測來評估車輛的振動情況。

2.2 行駛路線方面

2.2.1 低接頭影響

低接頭發生壓堆、破損及馬鞍型狀況，會增加車輛的沖擊力。接頭搗固不實存在空吊板、接頭抗壓的承受力減弱、軌枕失效以及軌縫過大、還有軌頭不平等都是造成車輛振動的主要因素，也是車輛的垂向加速度變大的直接原因。

2.2.2 波磨影響

鋼軌波磨指的是軌頭頂面及側面的波浪形因磨損不均產生的變形，波磨范圍越大，影響也會大。這樣會使鋼軌的更換量和軌道維護產生的費用增加，進一步引發噪聲污染等環境問題，也限制了列車的提速車速問題，對行車安全埋下了了安全隱患。

2.2.3 曲線超高

車輛行駛于曲線軌道上會產生平衡離心力，在曲線軌道設超高，借助車子自身重力及水平分力來抵消離心力，以滿足內外兩股鋼軌均勻受力。垂直磨耗基本相等使得離心加速度減小，以達到增加乘客的舒適感，并提高列車在全線路穩定、安全的行駛。

3 測試數據

根據TB/T2360-93《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》和GB5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》對加速度試驗數據進行了處理。按6s為一個分段，分別計算了每個通道每段中的平均值、峰值和谷值。對所有數據均采用高通濾波以消除曲線信號、零漂和趨勢項的影響，并采用帶阻濾波消除50Hz工頻干擾。其中軸箱和牽引電機相關通道加速度最大值，方差和均方根值計算結果如表1所示。從測試結果和表1所處理的通道而言：軸箱橫向加速度最大值為13.3g，縱向加速度最大值為19.7g，軸箱垂向加速度最大值為43.7g；電機橫向加速度最大值為5.3g，電機縱向加速度最大值為5.9g，電機垂向加速度最大值為4.6g。數據表明，深圳地鐵一號線測試列車轉向架軸箱振動情況正常，而由于此型號牽引電機抗振設計邊界條件為各方向5g，若經常工作在5g以上的環境勢必影響其使用壽命。

4 地鐵振動的解決措施

4.1 對列車進行合理改進

（1）對車輛的一、二系簧剛度值及阻尼系數進行調整，車輛的垂向振動以及對軌道的作用力與轉向懸掛一系、二系彈簧裝置，選擇適當參數以減小車體振動的加速值來減少地鐵車廂的振動。（2）對牽引和制動參數進行合理設置，來改善地鐵在進站或出站時因急劇變化產生的輪軌作用力對軌道造成波磨的不良影響。（3）正確調整地鐵的運行速度，避免因轉彎速度不穩定、輪軌應力不集中給軌道帶來損害，也應注意因速度太快引起的車輛劇烈跳動。

4.2 對軌道進行合理改進

（1）加強對軌道打磨的周期和時間，對波磨發展快的區段要注重周期性的打磨，消除軌道的頂面的不平順現象，來減小振動。（2）鋼軌低接頭區段進行處理，用自動化鋼軌線上焊修設備可消滅軌道的焊接部位不平順的情況，減小車輪對軌道沖擊力量來減少振動。

5 結束語

隨著人們對生活質量和居住環境要求的不斷提高，地鐵振動所引發種種危害俞加凸現。因此，城市地鐵大興修建的同時，應該做好遠期規劃，并在施工過程中，積極采取多種避振和隔振措施。另外，地鐵振動的輻射范圍以內的建筑要做好加固基礎，采取彈性元件來進行隔振等措施。城市交通發展離不開地鐵，因此，要創造科學、合理及健康的環境共人們居住，需要有關部門共同努力和政府管理部門來監督，也需要廣大居民乃至全社會的共同關注，才能控制地鐵振動給人類居住環境帶來的負面影響。

參考文獻

[1]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.

[2]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.