城市軌道交通列車運行安全性和舒適性指標分析

吳 天 趙曉波

（重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司，重慶 401122）

隨著我國城市化建設速度的加快，城市人口也快速增長，城市軌道交通是解決市民出行，緩解交通擁堵最有效的方式。重慶作為西部率先建設和運營城市軌道交通的城市，在經過近二十年的發展研究，不斷探索如何確保城市軌道交通安全運營，如何提高乘客的舒適性，并先后開展了一系列列車-輪軌、車-橋耦合等方面的研究，牽頭編制了《跨座式單軌交通設計規范》和《城市軌道交通橋梁設計規范》等多部國家標準，為我國城市軌道交通建設和運營奠定了一定的理論和實踐基礎。

1 列車運行安全性和平穩性指標

列車運行的安全性和穩定性主要涉及車輛在橋上是否出現脫軌的問題。對于這一問題，通常采用脫軌系數Q/P、輪重豎向減載率△P/P、輪軌橫向水平力等參數加以限定。

1.1 臨界脫軌系數

脫軌系數是判定列車在行進過程中是否會脫離軌道的安全指標，脫軌分5種形式：滑動脫軌、爬升脫軌、跳躍脫軌、掉軌脫軌和傾覆脫軌。

關慶華[1]對Nadal 提出臨界脫軌系數計算公式進行了修正：根據車輪開始懸浮時輪軌一點接觸處法向力N及切向摩擦力T與車輪橫向力Q與垂向力P的關系 （見圖1），首次提出臨界脫軌系數計算公式：

式中：Q——軌道橫向壓力（kN）；P——軸重（kN）；α——輪緣角（°）；μ——摩擦系數。

在Nadal公式的基礎上，各國分別從實驗與計算等角度研究制定臨界脫軌系數限值。日本利用單輪對模型，假定一波形橫向力作用于輪對上，忽略鋼軌作用，計算出脫軌系數限值為0.8～1.0。我國 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》 （GB 5599—85）規定的脫軌系數安全標準是脫軌系數Q/P≤1.0為允許限度，Q/P≤1.2為危險限度[2]。

1.2 輪重減載率

如圖2所示，由于橫向力Py與力矩My的作用，使輪軌一點接觸處的輪重減少。輪重減載率為輪重減少量△P與車輪靜重P之比，輪重減少量△P=P-Pd，Pd為列車運行時輪重測定值，當△P/P越大，越容易脫軌。

圖2 單輪對模型

我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》[3]規定輪重減載率△P/P的允許限度為0.6，危險限度為0.65。由于軌縫、軌面不平順等因素，導致在實際車輛運行試驗中所測得的動態輪重減載率常常超過0.65，甚至達到1.0 （即車輪懸空），故在利用輪重減載率評判車輛運行的安全性時，有必要分穩態和動態兩種輪重減載率，并分別予以限定。

1.3 臨界脫軌評判準則

隨著各國的研究發現，利用Nadal公式計算的臨界脫軌系數過于保守。根據鐵道科學研究院對南津浦線、大秦線等貨物列車脫軌試驗結果表明：由于軌道不平順激起輪對的高頻振動，所引起輪軌豎向力甚至橫向力在短時間內迅速增大，從而導致脫軌系數大幅增大，甚至超過臨界值的數倍，并快速減小，但列車并無脫軌現象。因此不能僅利用Nadal公式計算的臨界脫軌系數作為列車脫軌的評判準則。

根據單輪對模型，綜合考慮輪緣貼靠車輪和未貼靠車輪兩種情況下，同軸兩側車輪橫向力Q和豎向力P之比Q/P絕對值之和不超過Nadal臨界值 （輪緣貼靠側車輪） 和輪軌摩擦系數μ （非輪緣貼靠側車輪） 之和[4]，即：

北美鐵道協會在《標準與推薦慣例手冊》中給出脫軌評判準則：

式中：t——橫向力的作用時間 （s）；λ——脫軌系數的目標值，λ=0.8～1.0。

向俊[5]計算出列車脫軌全過程振動響應，得到計算系統橫向振動極限抗力做功σc和系統橫向振動最大輸入能量σP，max及其增量的表達式，同時給出列車不脫軌的能量增量判別準則：

式中：△σcr——系統橫向振動極限抗力做功增量；△σpr——系統橫向振動最大輸入能量增量。

2 乘客乘車舒適性指標

2.1 ISO舒適性指標

該標準用疲勞時間T描述振動對人體的影響，從效能、健康和舒適度三個方面提出限值：首先，效能限值是以加速度和頻率為坐標描述效能下降曲線，然后將效能下降曲線的振動加速度放大2倍后就獲得承受限度曲線；若將效能下降曲線中的加速度除以3.15就能得到舒適度下降曲線。

按ISO舒適指標評價水平振動時，取最短時間為1 min的承受時間，若頻率在1～2 Hz，則舒適度下降曲線允許的加速度為0.063 g，當頻率提高到5 Hz時，則允許加速度就可以提高到0.159 g。

ISO舒適指標提出豎向振動頻率在4～8 Hz時，允許加速度可取0.095 g。

2.2 斯佩林舒適性指標

斯佩林舒適性指標（見表1）主要用于評定車輛運行的穩定性，與ISO舒適性標準比較發現：對于一個合格的客車，當斯佩林舒適性指標取3.0時，疲勞時間為5.6 h。

表1 斯佩林評價標準

2.3 實踐案例

參照ISO舒適性指標、UIC513和GB 5599—85標準，對重慶跨座式單軌交通車輛舒適性進行現場試驗和理論計算，獲得重慶跨座式單軌交通車輛的乘車舒適度和平穩性評定結果[8]（見表2和表3）。

表2 跨座式單軌列車平穩性測試機評定結果

表3 跨座式單軌列車乘坐舒適度測試及評定結果

3 結語

根據國內外對列車-軌道-橋梁系統的動力研究成果，結合重慶城市軌道交通建設和運行經驗，探討如何提高軌道交通列車運行安全平穩及乘客舒適性。