廣州地鐵2號(hào)線車輛振動(dòng)試驗(yàn)分析

鄧 鋒，張三多

（廣州市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510440）

廣州地鐵2號(hào)線車輛振動(dòng)試驗(yàn)分析

鄧 鋒，張三多

（廣州市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510440）

文章針對(duì)廣州地鐵 2 號(hào)線部分區(qū)間在車輛通過(guò)時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)大、噪聲大的情況，開展了車輛振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)比不同區(qū)間的振動(dòng)差異，評(píng)估車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。根據(jù)各區(qū)間振動(dòng)情況，分析造成列車振動(dòng)的原因并提出改善措施。

地鐵車輛；振動(dòng)；平穩(wěn)性；改善措施

1　振動(dòng)試驗(yàn)

廣州地鐵 2 號(hào)線行車線路為嘉禾望崗站—廣州南站，整體為南北 S 型走向，全長(zhǎng) 31.8 km，共設(shè) 24 座車站、1 個(gè)車輛段和 1 個(gè)停車場(chǎng)。列車為南車株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)制造，運(yùn)營(yíng)時(shí)速為 80 km/h，列車全部為 A 型車，采用“四動(dòng)兩拖”6 節(jié)編組形式。試驗(yàn)時(shí)，列車跟隨尾班車，以 ATO 模式運(yùn)行一個(gè)往返，停站不開門。

根據(jù)測(cè)量列車在運(yùn)行過(guò)程所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度來(lái)分析在不同區(qū)間車輛的振動(dòng)差異，試驗(yàn)加速度傳感器采用瑞士 KISTLER 公司生產(chǎn)的量程為 5g 和 500g 加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是奧地利 DEWESOFT 公司的 DEWE 測(cè)試儀，加速度傳感器安裝在左右軸箱以及客室內(nèi)轉(zhuǎn)向架中心上方左側(cè) 1 000 mm 處，如圖 1 所示。將加速度傳感器與 DEWE-5000 測(cè)試主機(jī)相連，測(cè)試系統(tǒng)如圖 2 所示。軸箱振動(dòng)加速度信號(hào)采樣頻率設(shè)為 1 000 Hz，客室振動(dòng)加速度信號(hào)采樣頻率設(shè)為500 Hz，車輛速度信號(hào)采樣頻率設(shè)為 100 Hz，將每個(gè)線路區(qū)間的采樣數(shù)據(jù)作為 1 個(gè)數(shù)據(jù)段。

圖 1 傳感器安裝位置（單位：mm）

圖 2 車輛振動(dòng)加速度測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2　振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2.1振動(dòng)數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1振動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理的目的是將振動(dòng)測(cè)試中采集到的數(shù)據(jù)盡可能地還原成實(shí)際振動(dòng)情況，主要方法如下：

（1）消除多項(xiàng)式趨勢(shì)項(xiàng)。由于傳感器隨著溫度的變化會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，以及傳感器受周圍環(huán)境的干擾，使得最后得到的數(shù)據(jù)與基線偏離，并且這種偏離會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此，需要消除這種變化趨勢(shì)，常用的消除趨勢(shì)項(xiàng)的方法為多項(xiàng)式最小二乘法。

（2）平滑處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)往往會(huì)疊加有噪聲信號(hào)，而隨機(jī)產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻帶較寬，有時(shí)高頻成分占了很大的比例，會(huì)使得采集到的數(shù)據(jù)繪制成振動(dòng)曲線時(shí)呈現(xiàn)許多毛刺，很不平滑。為了削弱干擾信號(hào)的影響，提高曲線光滑度，需要進(jìn)行平滑處理。本次數(shù)據(jù)處理采用了五點(diǎn)三次平滑法處理，該處理方法可以用作時(shí)域和頻域信號(hào)平滑處理，對(duì)于時(shí)域數(shù)據(jù)的作用是能夠減少混入振動(dòng)信號(hào)中的高頻隨機(jī)噪聲，而對(duì)于頻域數(shù)據(jù)的作用是能夠使譜曲線變得光滑以便得到較好的擬合效果。

（3）低通濾波。濾波的目的是從所采集到的離散信號(hào)中選取需要研究的一部分信號(hào)，由于人體能夠感知到的振動(dòng)頻率范圍是 1～1 000 Hz，所以對(duì)軸箱及客室振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 1 000 Hz 低通濾波。

2.1.2振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) GB 5599-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定對(duì)車體加速度頻譜進(jìn)行分析，以 2 s 為 1 段，每 1 段取 512 個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)每段的 512個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行快速富里葉變換（FFT）得頻譜，然后經(jīng)頻譜加權(quán)計(jì)算得到平穩(wěn)性指標(biāo) W。

地鐵車輛振動(dòng)平穩(wěn)性可以按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中，W 為平穩(wěn)性指標(biāo)； A 為振動(dòng)加速度，g；f 為振動(dòng)頻率，Hz；F（ f ）為頻率修正系數(shù)，見(jiàn)表1。

如果在一個(gè)振動(dòng)方向同時(shí)存在多種頻率成分時(shí)，那么該振動(dòng)方向上的平穩(wěn)性指標(biāo) W 可以按照公式（2）計(jì)算：

平穩(wěn)性的評(píng)價(jià)分為優(yōu)、良好、合格 3 個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)等級(jí)如表 2 所示。

表 1 頻率修正系數(shù)

表 2 客車平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)

2.2數(shù)據(jù)分析

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，整體上廣州地鐵 2 號(hào)線車輛軸箱振動(dòng)下行（嘉禾望崗站—廣州南站）比上行（廣州南站—嘉禾望崗站）要大一些，如圖 3、圖 4 所示，軸箱振動(dòng)最大的區(qū)間是廣州火車站—越秀公園站（圖 4 中“I”區(qū)間，279.2g）。而客室振動(dòng)上行和下行相比基本上相差不大，客室振動(dòng)最大的區(qū)間是紀(jì)念堂站—公園前站（圖 6 中“K”區(qū)間，2.97g）和三元里站—飛翔公園站（圖 5 中“G”區(qū)間，2.98g）。

（2）對(duì)比上行和下行軸箱左右兩側(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下行軸箱右側(cè)振動(dòng)要比左側(cè)大一些，而上行軸箱左側(cè)振動(dòng)要比右側(cè)大一些，這和廣州地鐵 2 號(hào)線的線路走向有關(guān)。廣州地鐵 2 號(hào)線整體為南北走向，從嘉禾望崗站—廣州南站的下行方向有比較多向右的彎道曲線，列車按照下行路線運(yùn)行時(shí)，彎道內(nèi)側(cè)的振動(dòng)會(huì)大一些。

（3）上行右側(cè)軸箱垂向振動(dòng)最大值為150.7g，發(fā)生在市二宮站—海珠廣場(chǎng)站區(qū)間（圖 3 中“M”區(qū)間），上行左側(cè)軸箱垂向振動(dòng)最大值為 167.4g，發(fā)生在石壁站—會(huì)江站區(qū)間（圖 3 中“V”區(qū)間）；下行右側(cè)軸箱垂向振動(dòng)最大值為 207.8g，發(fā)生在紀(jì)念堂站—公園前站區(qū)間（圖 4 中“K”區(qū)間），下行左側(cè)軸箱垂向振動(dòng)最大值為 148.6g，發(fā)生在白云公園站—飛翔公園站區(qū)間（圖 4 中“F”區(qū)間）；上行客室垂向振動(dòng)最大值為 2.97g，發(fā)生在三元里站—飛翔公園站區(qū)間（圖 5 中“G”區(qū)間），下行客室垂向振動(dòng)最大值為 2.98g，發(fā)生在紀(jì)念堂站—公園前站區(qū)間（圖 6 中“K”區(qū)間）。

（4）上行軸箱右側(cè)縱向振動(dòng)最大值為 52.46g，發(fā)生在江泰路站—昌崗站區(qū)間（圖 3 中“P”區(qū)間），上行左側(cè)軸箱縱向振動(dòng)最大值為 135.3g，發(fā)生在石壁站—會(huì)江站區(qū)間（圖 3 中“V”區(qū)間）；下行軸箱右側(cè)縱向振動(dòng)最大值為 143.3g，發(fā)生在廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間（圖 4 中“I”區(qū)間），下行軸箱左側(cè)縱向振動(dòng)最大值為 204g，發(fā)生在越秀公園站—紀(jì)念堂站區(qū)間（圖 4 中“J”區(qū)間）；上行客室縱向振動(dòng)最大值為 0.89g，發(fā)生在三元里站—飛翔公園站區(qū)間（圖 5 中“G”區(qū)間），下行客室縱向振動(dòng)最大值為 0.46g，發(fā)生在紀(jì)念堂站—公園前站區(qū)間（圖 6 中“K”區(qū)間）。

（5）上行軸箱右側(cè)橫向振動(dòng)最大值為 78.2g，發(fā)生在廣州火車站站—三元里站區(qū)間（圖 3 中“H”區(qū)間），上行左側(cè)軸箱橫向振動(dòng)最大值為169.3g，發(fā)生在石壁站—會(huì)江站區(qū)間（圖 3 中“V”區(qū)間）；下行軸箱右側(cè)橫向振動(dòng)最大值為 279.2g，發(fā)生在廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間（圖 4 中“I”區(qū)間），下行軸箱左側(cè)橫向振動(dòng)最大值為 172.3g，發(fā)生在越秀公園站—紀(jì)念堂站區(qū)間（圖 4 中“J”區(qū)間）；上行客室橫向振動(dòng)最大值為1.91g，發(fā)生在廣州南站站—石壁站區(qū)間（圖 5 中“W”區(qū)間），下行客室縱向振動(dòng)最大值為 1.46g，發(fā)生在南洲站—洛溪站區(qū)間（圖 6 中“S”區(qū)間）。

圖 3 上行軸箱振動(dòng)峰值

圖 4 下行軸箱振動(dòng)峰值

圖 5 上行客室振動(dòng)峰值

圖 6 下行客室振動(dòng)峰值

（6）上行和下行各方向上振動(dòng)最大值如表 3 所示。由表 3 可見(jiàn)，整個(gè)上行和下行區(qū)間振動(dòng)最大的是廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間軸箱右側(cè)垂向振動(dòng)，達(dá)到了 279.2g，當(dāng)時(shí)車輛的運(yùn)行速度為 61 km/h 左右。

（7）地鐵車輛通過(guò)廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間時(shí)垂向振動(dòng)的能量主要集中在150～180 Hz、330～350 Hz的頻帶上，縱向振動(dòng)的能量主要集中在頻率為330～380 Hz 的頻帶上，橫向振動(dòng)的能量主要集中在頻率為 330～380 Hz、459～675 Hz 的頻帶上，如圖 7所示。

（8）紀(jì)念堂站—公園前站和三元里站—飛翔公園站 2 個(gè)區(qū)間軸箱振動(dòng)不大，但是客室垂向振動(dòng)是最大的，在數(shù)據(jù)采集時(shí)能夠感受到 2 個(gè)區(qū)間振動(dòng)與噪聲較大。其中紀(jì)念堂站—公園前站振動(dòng)能量集中在頻率為160～210 Hz 左右的頻帶上，如圖 8 所示；三元里站—飛翔公園站振動(dòng)能量集中在頻率為 90～110 Hz的頻帶上，如圖 9 所示。

（9）根據(jù)車輛的運(yùn)行狀況（啟動(dòng)階段、停車階段、高速階段、變速階段、大振動(dòng)階段等），將每個(gè)區(qū)間的數(shù)據(jù)分段求出車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)，見(jiàn)表 4。表 4 數(shù)據(jù)表明，廣州地鐵 2 號(hào)線各區(qū)間車輛平穩(wěn)性指標(biāo)均小于 2.5，平穩(wěn)性等級(jí)均達(dá)到 1 級(jí)，處于優(yōu)等。

圖 7 廣州火車站—越秀公園站區(qū)間車輛振動(dòng)頻譜圖

圖 8 紀(jì)念堂站—公園前站區(qū)間客室垂向振動(dòng)頻譜圖

圖 9 三元里站—飛翔公園站區(qū)間客室垂向振動(dòng)頻譜圖

3　振動(dòng)原因分析及解決方法

3.1車輛方面的振動(dòng)原因

（1）一系、二系懸掛裝置。車輛的振動(dòng)加速度與所采用的一系、二系懸掛裝置的阻尼系數(shù)和剛度 2 個(gè)物理量有很大關(guān)系，因此，可以通過(guò)選用不同材質(zhì)的彈簧或者調(diào)整其結(jié)構(gòu)和尺寸等方式來(lái)改善一、二系懸掛裝置的剛度和阻尼系數(shù)，從而減小車輛振動(dòng)。然而一、二系彈簧的調(diào)整對(duì)于行車安全有很大的影響，調(diào)整需要進(jìn)行科學(xué)論證。

（2）車輛輪對(duì)橢圓偏心。列車在運(yùn)行過(guò)程中，輪對(duì)磨損不均勻，極容易出現(xiàn)輪對(duì)橢圓偏心的現(xiàn)象，這就要求在檢修過(guò)程中定期核查輪徑值，及時(shí)進(jìn)行輪對(duì)鏇修作業(yè)。

3.2線路方面的振動(dòng)原因

（1）鋼軌接頭。廣州地鐵 2 號(hào)線鋼軌施工采用的是隧道內(nèi)接觸焊的方式，由于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及焊接工藝方面的影響，導(dǎo)致鋼軌接頭焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)，使得車輛經(jīng)過(guò)這些位置時(shí)有比較大的沖擊力。為此，可以對(duì)鋼軌接頭進(jìn)行焊修焊補(bǔ)，改善接頭位置的軌道不平順情況。

表 3 上行和下行各方向上振動(dòng)最大值 g

表 4 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

（2）道岔縫隙。車輛經(jīng)過(guò)道岔區(qū)時(shí)由于岔心存在有害空間使得車輛振動(dòng)加劇，現(xiàn)在還沒(méi)有妥善的解決辦法，只能密切注意該區(qū)間道岔和軌道的磨耗情況，切實(shí)加強(qiáng)道岔區(qū)的維護(hù)保養(yǎng)工作。

（3）鋼軌波磨。鋼軌波磨是造成列車振動(dòng)的原因之一，針對(duì)這種情況，可以通過(guò)鋼軌打磨車進(jìn)行周期性打磨作業(yè)，消除鋼軌波磨對(duì)車輛振動(dòng)的影響，如果對(duì)鋼軌波磨不加以控制，鋼軌波磨情況將會(huì)急劇發(fā)展。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廣州地鐵 2 號(hào)線車輛振動(dòng)試驗(yàn)分析，可見(jiàn)廣州地鐵 2 號(hào)線各區(qū)間車輛平穩(wěn)性均達(dá)到優(yōu)等，但是部分區(qū)間車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)接近 2.5，可能會(huì)影響到乘客乘坐的舒適性。為防止振動(dòng)情況加劇，應(yīng)該從車輛和軌道兩方面入手，維護(hù)好車輛和軌道的狀態(tài)，提高地鐵車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。

［1］ 余楓，賈影. 地鐵振動(dòng)及其控制的研究［J］ . 都市快軌交通，2005，18（6）：61-64.

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［5］ GB5599-85 鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］. 1985.

責(zé)任編輯 朱開明

Vehicle Vibration Test and Analysis on Guangzhou Metro Line 2

Deng Feng， Zhang Sanduo

In view of big vibration and big noise caused by passing vehicles in some sections of Guangzhou metro line 2， this paper conducts some vehicle vibration tests，makes comparison on the vibration difference of different sections and evaluation on the stability of vehicle running performance. According to the vibration in each section，the cause of the train vibration is analyzed and the improvement measures are put forward.

metro， vehicle， vibration， stability，improvement measures

U270.1.1

2016-04-17

鄧鋒（1988—），男，碩士