地鐵車輛垂向運行平穩性測試與分析

劉 德 志

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610000)

0 引言

地鐵等城市軌道交通方式為各大城市人口流動的正常運轉發揮著舉足輕重的作用[1]，近年來，我國的城市軌道交通事業也邁上了新的臺階[2]。高速、安全和舒適是鐵路運輸得以實現的三大要素，三者之中，高速和安全是當今鐵路事業的競爭力和生命力；而舒適，也即是列車的平穩性則與此二者息息相關，互相影響[3]。人們在乘坐車輛時，振動往往會讓人感到不舒適，研究表明，車輛處于振動時，不僅會讓人感覺到疲倦，還會引發人體內部器官及全身組織與外界共振及諧振的可能[4]。

車輛運行平穩性通常用來表示車輛的振動性能，它是衡量車輛運行性能的一項重要技術指標。作為運輸工具的鐵道車輛，應該具有良好的運行平穩性。列車運行平穩性反映了車輛振動對于旅客舒適程度的影響，而旅客舒適度是在包括車輛振動在內的外界因素作用下于旅途中反映旅客疲勞程度的綜合性生理指標[5]。因此通過現場測試的方法對地鐵列車垂向振動進行深入的研究對改善列車運行平穩性具有重要意義。

本文為了獲取東莞地鐵R2線各區間車輛運行平穩性指標，評價各區間運行平穩性等級，特對東莞地鐵R2線各區間車輛的垂向振動進行測試，并基于隧道內鋪設有減振軌道、隧道內未鋪設減振軌道兩種典型工況下列車垂向運行平穩性數據，對比分析了這兩種工況下列車車體垂向振動的頻譜特性。

1 試驗概況

東莞城市快速交通R2線是一條北部到西南方向的市域快速干線，前期工程北起東莞火車站，終點為虎門火車站，線路全長37.788 km，其中隧道段33.73 km，高架線3.644 km。

本次列車運行平穩性試驗段也選擇為R2線隧道段，每兩個車站之間為一個分區段。分區段具體有：東茶區間、茶榴區間、榴下區間、下天區間、天東區間、東旗區間、旗鴻區間、鴻西區間、西蛤區間、蛤陳區間、陳寮區間、寮珊區間、珊展區間共計13個區間。

1.1 測試車輛

測試車輛介紹：R2線采用B型車，2.8 m車高，3.8 m車長，20 m(一節車廂)，車輛均采用6節編組。本次列車運行平穩性試驗采用的是布滿沙袋的模擬載重列車，這樣是為了更加真實的反映實際載客情況下的列車垂向振動特性，如圖1所示。

1.2 列車運行平穩性試驗測點布置

實驗所測量的測點一共為4個測點，如圖2所示。

其中，測點1位于車輛向前運行方向第二個車廂的Ⅰ位轉向架上方的車體地板上，見圖2中a 位置；測點2位于車輛向前運行方向第二個車廂的Ⅱ位轉向架上方的車體地板上，見圖2中b 位置；測點3位于車輛向前運行方向第三個車廂的Ⅰ位轉向架上方的車體地板上，見圖2中c 位置；測點4位于車輛向前運行方向第三個車廂的Ⅱ位轉向架上方的車體地板上，見圖2中d位置。

1.3 測試速度

速度等級：列車運行速度為80 km/h。

2 評價指標與相關規定

2.1 評價指標

運行平穩性試驗結果評定標準采用GB 5599—85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范的各項要求，按平穩性指標值作為評定參考[6]。

運行平穩性指標按式(1)計算：

(1)

其中，W為平穩性指標；A為振動加速度，g；f為振動頻率，Hz；F(f)為頻率修正系數，見表1。

表1 頻率修正系數表

2.2 相關規定

依平穩性指標可以確定列車運行平穩性的等級，各指標與與之相對應的評級見表2。

表2 運行平穩性等級表

振動加速度的測量、處理以及平穩性指標的計算和評定參照GB 5599—85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范的方法進行，車輛的平穩性等級要達到1級，即平穩性指標W<2.5。

3 測試數據分析

3.1 各區間列車垂向運行平穩性

表3 80 km/h下列車各測點垂向運行平穩性指標及評級

通過對各測點的振動加速度數據進行分析、處理及評級，列車以80 km/h速度通過各區段時，車內各測點垂向運行平穩性指標及評級見表3，圖3。

由表3,圖3可得，在全線所有區段，在列車速度為80 km/h下，各測點的列車垂向運行平穩性等級均為優，符合規范的要求，表明該條地鐵線路服役狀況良好，乘客乘坐具有較好的舒適性。同時可以發現茶榴區間與榴下區間的列車垂向運行平穩性指標要比其他區間大很多，究其原因，是因為這兩個區間減振要求高，鋪設有鋼彈簧浮置板軌道，而國內外既有研究表明[7]，橡膠減振墊、鋼彈簧浮置板等隔振措施，是通過在軌道層狀結構之間插入低剛度彈性元件，進而起到阻隔部分振動波由軌道結構向下傳遞到軌下基礎及環境土體的作用，然而被阻隔的振動波會反射到軌道板、鋼軌至車體上，故而相比其他區段，鋼彈簧浮置板軌道使茶榴區間與榴下區間被阻隔的振動波更多地反射到了車體上，由此造成這兩個區段的列車垂向運行平穩性指標要大于其他區段。

3.2 列車車體垂向振動頻譜特性分析

為了了解列車運行時車體垂向振動的頻譜特性，特選擇兩個典型區間繪制其頻譜特性曲線進行對比研究。兩個典型區間選擇茶榴區間與陳寮區間，這兩個區間分別對應于隧道內鋪設有減振軌道地段、隧道未鋪設減振軌道兩種工況，分析兩種工況下列車車體垂向振動的頻譜特性。兩個工況的Z計權總振級(0 Hz～80 Hz)見表4，頻譜特性如圖4所示。

表4 Z計權總振級

從表4中可以看出，在0 Hz～80 Hz范圍內，相比普通道床軌道地段，4個測點Z計權后的車體垂向振動總振級在減振軌道地段普遍放大3 dB，正如上文所述，這就是由于被減振軌道阻隔的振動波又反射回軌道板，鋼軌及車體而造成。

由于車體振動主要對人體的舒適性造成影響，故按照GB/T 13441—2007機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求的要求[8]，本文主要關注0 Hz～80 Hz內的車體振動，從圖4可以發現，在0 Hz～80 Hz范圍內，地鐵列車車體垂向振動主要集中在2 Hz及10 Hz附近，減振軌道地段的Z振級在1 Hz～4 Hz范圍內要大于普通道床地段，其他頻段的Z振級差異不大。

4 結論

由以上分析，可得出以下結論：

1)在80 km/h速度下，該條線路隧道段全線列車垂向運行平穩性等級均為優，符合規范的要求，表明該條地鐵線路服役狀況良好，乘客乘坐具有較好的舒適性；

2)在0 Hz～80 Hz范圍內，相比普通道床軌道地段，4個測點Z計權后的車體垂向振動總振級在減振軌道地段普遍放大3 dB，這是由于被減振軌道阻隔的振動波又反射回軌道板，鋼軌及車體而造成的振動放大現象；

3)在0 Hz～80 Hz范圍內，地鐵列車車體垂向振動主要集中在2 Hz及10 Hz附近，減振軌道地段的Z振級在1 Hz～4 Hz范圍內要大于普通道床地段，其他頻段的Z振級差異不大。

參考文獻:

[1] 劉英杰.地鐵車站噪聲測試與分析[J].鐵道標準設計，2009(8)：110-114.

[2] 王小寧,張 楠,孫 奇.城市軌道交通橋梁振動及噪聲輻射研究[J].鐵道建筑，2014(1)：11-15.

[3] 劉轉華.鐵道車輛運行平穩性評價方法研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[4] 仇飛劍.基于旅客舒適度的高速鐵路線路參數研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[5] 薛 玉.鐵路旅客列車振動舒適度評價分析研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[6] GB 5599—85，鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范[S].

[7] 梁上燕,肖安鑫,耿傳智.阻尼鋼彈簧浮置板軌道結構隔振性能分析[J].噪聲與振動控制，2013(1):136-139.

[8] GB/T 13441—2007，機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求[S].