探討地鐵車輛在軌道不平順狀態下的運行性能

【摘要】地鐵車輛在軌道不平順的狀態下會在瞬間產生強烈的振動、搖擺等不良響應，在以直線感應電機為驅動電機的地鐵車輛架構之中，途徑線路的隨意型不平順、高低不平順、交點及隆起不平順等狀態，會造成地鐵車輛的動力性能發生較大的改變，大幅降低地鐵車輛的運行穩定性。

【關鍵詞】地鐵車輛；軌道；不平順；運行性能

一、直線電機地鐵車輛及軌道不平順概述

直線電機地鐵車輛以扁平結構的感應電機為驅動，其轉向架結構采用架懸掛式、軸懸式和副構架式，它們表現出不同的特性，各有利弊。總體來說，直線電機地鐵車輛的優勢性能體現于以下方面：（1）良好的動力性能。直線電機地鐵車輛以直線感應電動機為牽引驅動，輪軌與電機間的垂向間隙處于1.0-1.2cm時可以較好地保證地鐵車輛的平穩運行。（2）實現徑向轉向架。直線電機地鐵車輛通過柔性定位的方式，縮減轉向架的軸距，降低徑向轉向架的橫向剛度，增強地鐵車輛的曲線通過能力，確保地鐵車輛運行的穩定性。（3）降低振動及噪聲干擾。直線電機地鐵車輛中沒有齒輪箱，有效減少和降低過曲線時輪軌的齒合振動及噪音。（4）良好穩定的運行適應性。直線電機地鐵車輛采用非粘著驅動方式，以直線電機替代旋轉電機，能夠良好地適應爬坡、加減速、曲線通過等不同狀態，具有極高的線路自由選擇度，體現出良好的運行適應性。

軌道不平順主要是鋼軌與軌道板在縱橫方向的振動變形狀態，如：垂直方向的位移、彎曲、翹曲等變形。其中：（1）軌道垂向不平順由軌面磨耗不均勻、接頭不平、路基及道床彈性不均而生成，引發地鐵車輛的垂向振動。（2）軌道水平不平順。這是由車輛左右兩軌的高差而引發的，導致地鐵車輛出現側滾的問題。（3）軌道方向不平順。軌道鋪設時的初始彎曲、養護使用的累積彎曲會導致軌道方向的不平順，引發地鐵車輛出現橫向搖擺或側滾振動。（4）軌距不平順。這是由左右兩軌的方向不平順而導致的，極大地影響了輪軌磨耗和運行穩定性。

二、地鐵車輛在軌道不平順狀態下的運行性能分析

（一）地鐵車輛的動力學參數分析

直線電機地鐵車輛轉向架在傳統軸箱軸承之中，新增兩個軸承及箱體，實現直線電機的縱橫向定位以及電機相對輪對應的垂向定位。其動力模型的主要內容包括以下方面：（1）軸箱定位。直線電機地鐵車輛軸箱兩側有一個橡膠金屬件，用于保證輪對的縱橫向定位剛度和垂向支承剛度。同時，在軸箱的正上方還有一個用于支承直線電機的均衡梁。（2）直線電機的懸掛定位。地鐵車輛的直線電機與架構之間設置具有一定長度的橫向牽引支承桿，懸吊于轉向架的前后兩根均衡梁上。（3）地鐵車輛的磁軌關系。直根據地鐵車輛承受直線電機作用力的不同，會產生不同的磁軌關系，直線電機與反力板之間會生成牽引力、垂向力和橫向力，其垂向電磁力并非處于均布荷載狀態，當磁軌氣隙發生變化時會發生變化，一般來說，直線電機與反力板之間的垂向電磁力與磁軌氣隙成反比例關系，可以通過二次曲線進行擬和，獲取相關函數。（4）地鐵車輛的輪軌關系。地鐵車輛子系統與軌道子系統在幾何相容條件和力平衡條件下進行耦合，在充分考慮鋼軌的垂向和橫向位移的條件下，利用迭代計算法獲取輪軌空間接觸幾何關系。

（二）地鐵車輛在軌道局部不平順狀態下的運行性能分析

1.隨機不平順狀態下的車輛運行性能分析

軌道隨機不平順狀態下的地鐵車輛會產生振動響應，并主要表現為車輪和軌道共同變形的耦合振動現象。當車輪與軌道共同變形的耦合振動處于中頻段的不平順狀態時，會產生極大的輪軌垂向力；當車輪與軌道共同變形的耦合振動處于低頻段的不平順狀態時，會產生極大的輪軌橫向力。

2.高低不平順狀態下的車輛運行性能分析

當地鐵車輛運行速度為90km/h、幅值低于1.0cm的條件下，車輛垂向振動加速度、輪軌垂向力都會發生較大的改變，并在不平順幅值增大的條件下相應增大。

3.交點及隆起不平順狀態下的車輛運行性能分析

交點型軌道局部不平順、隆起型不平順對地鐵車輛帶來極大的輪軌橫向力的瞬時響應，當地鐵車輛以50-80km/h的運行速度時，交點型軌道、隆起型軌道局部不平順尖峰附近的輪軌橫向力、垂向力最大。同時，在交點不平順、隆起型軌道局部不平順的狀態下，隨著地鐵車輛運行速度的增大，車輛的脫軌系數、輪重減載率、橫向振動加速度、垂向振動加速度也越大。

三、結語

綜上所述，地鐵車輛在軌道不平順的狀態下獲得車輛振動的外部激勵，引發地鐵車輛強烈的瞬時振動和響應，要全面分析和把握地鐵車輛的動力學相關模型和參數，獲悉軌道局部不平順狀態下的運行響應特性，分析地鐵車輛在速度逐漸增大條件下的動力學響應參數及運行性能。未來還要著眼于對其他不同的局部軌道不平順現象進行分析，并將研究視角拓寬到軌道不平順對地鐵車輛的敏感頻率、不利波長的影響，充分考慮直線電機法向力、啟動牽引及制動工況下的運行動力學性能。

參考文獻

[1]白雪.踏面形狀對地鐵車輛動力學性能及輪軌磨耗影響研究[D].成都：西南交通大學，2015.

[2]邱國棟.基于軌道隨機不平順的列車振動響應研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

作者簡介：張東輝（1989.02—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科，研究方向：地鐵生產制造。