基于輪軌動態測試的地鐵列車運行平穩性異常問題分析*

王 進 李克飛 吳宗臻 王文斌

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，100068,北京；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，100068,北京；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心，100081,北京//第一作者,高級工程師)

近年來，多個城市地鐵線路開通運營后出現列車晃動及軌道病害等問題[1-3]，地鐵運營舒適性逐漸成為社會關注的焦點。以往的地鐵軌道工程驗收以靜態驗收為主，缺乏針對輪軌關系的相關動態測試工作。隨著乘客對列車運行舒適性要求的日益提升，借鑒高速鐵路聯調聯試[4-7]，北京地鐵率先開展了輪軌動態綜合檢測工作，為既有線輪軌病害診治提供數據支持，為新建線路安全、舒適開通運營提供技術保障。

2019年初，交通運輸部辦公廳印發的《城市軌道交通初期運營前安全評估技術規范 第1部分：地鐵和輕軌》[8]，要求對城市軌道交通開展關于輪軌、弓網關系的系統聯動測試，確定各系統之間的協同工作性能，以保障新建線路運營的安全性和舒適性。

某新建地鐵線路試運行階段開展了輪軌、弓網動態綜合測試工作，發現列車在某些區段存在平穩性異常問題。通過輪軌動態測試及現場調查等方式對列車平穩性問題進行分析，確定軌向異常是導致列車平穩性異常的原因，并對軌向進行針對性精調及整治。結果表明，列車運行平穩性復測結果滿足標準要求。本文系統闡述了列車平穩性異常問題發現、治理和驗證的過程，同時也說明了地鐵新線開通前開展輪軌動態測試的必要性。

1 列車運行平穩性的影響因素

車輛、線路及軌道等因素對列車運行平穩性均存在一定的影響。某運營線路地鐵列車平穩性存在異常，結合列車運行平穩性綜合分析曲線(見圖1)可以看出,道岔區、出入曲線段、軌道類型過渡段等位置，列車平穩性均存在突變。

圖1 列車運行平穩性綜合分析示意圖

此外，列車速度、車輛狀態、軌道不平順等因素對列車運行平穩性也存在一定的影響[9-10]。

2 列車運行平穩性異常問題分析及整治

某新建地鐵線路試運行階段開展了輪軌、弓網動態綜合測試工作，發現列車在某些區段存在平穩性異常問題。本文系統闡述了列車運行平穩性異常問題發現、治理和驗證的過程。

2.1 列車運行平穩性測試標準

地鐵列車運行平穩性的測試方法和評價標準按照GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》[11]執行。在Tc(帶司機室的拖車)和Mp(有受電弓的動力車)相應的測試位置安裝振動加速度傳感器，布置示意如圖2所示，現場安裝如圖3所示。

圖2 車輛運行平穩性測試測點位置

地鐵列車運行平穩性基于Sperling的平穩性指標進行評定，Sperling平穩性指標按式(1)計算：

(1)

式中：

W——平穩性指標；

A——振動加速度，以重力加速度g為單位；

f——振動頻率，Hz；

F(f)——頻率修正系數。

圖3 車體平穩性測點傳感器安裝圖

依據GB 5599—1985規定的方法，采用20 s數據通過頻譜平均得出的W來確定車輛運行平穩性的等級，如表1所示。其中，垂向和橫向平穩性采取相同的評定等級。

表1 車輛運行平穩性等級

2.2 列車運行平穩性測試分析

列車在ATO(列車自動運行)(最高運行速度為100 km/h)模式下的車輛運行平穩性指標，詳見表2。由表2可知，區間3中Tc車及Mp車的一位及二位橫向平穩性指標較大，最大值達到3.26，超出GB 5599—1985規定的合格要求，列車平穩性出現異常。

表2 各區間W最大值

針對區間3車輛運行中W超限問題，為了將W與行車速度及線路里程位置進行對應分析，對測試數據進行2 s時間計權的平穩性指標計算，計算結果如圖4所示。

由圖4可以看出，地鐵列車在區間3運行時，在K5+730—K5+870和K5+450—K5+630里程范圍，Tc車一位端及二位端橫向平穩性存在兩個較為明顯的峰值。

這兩個平穩性峰值區段對應的軌道形式和線路情況，如表3所示。

圖4 區間3列車運行平穩性曲線

表3 區間3平穩性峰值處的線路信息

2.3 軌道幾何狀態調查及整改

針對地鐵列車ATO運行模式下部分區段車輛運行平穩性異常的問題，對該區間軌道幾何狀態進行了進一步的現場調查。通過目視光帶發現光帶存在一定的異常，對異常區段進行10 m弦長和20 m弦長的軌向不平順進行測量，發現車輛運行平穩性指標超限里程處存在軌向不平順異常。測量結果表明，K5+730—K5+870直線區段的10 m弦長測量軌向不平順偏差值為5.5 mm，K5+450—K5+630曲線區段的20 m弦長測量軌向不平順偏差值為4.9 mm。

TB 10413—2018《鐵路軌道工程施工質量驗收標準》[12]規定，直線區段軌向不平順允許偏差為10 m弦長測量下的4 mm，R≤1 600 m曲線段軌向不平順允許偏差為20 m弦長測量下的4 mm。由此可知，車輛平穩性異常區段的軌向不平順偏差值均超出了標準限值。

針對軌向不平順超標的問題，對該區段軌向進行了精調，精調后K5+730—K5+870直線區段的10 m弦長測量軌向不平順偏差值降低為3.4 mm，K5+450—K5+630曲線區段的20 m弦長測量軌向不平順偏差值為3.6 mm。

2.4 列車平穩性復測

對軌向不平順進行整改后，進行ATO(列車最高運行速度為100 km/h)運行模式下的車輛運行平穩性復測，測試結果表明，區間3內列車運行平穩性均已滿足標準要求。

另外，對車輛平穩性進行2 s計權分析，詳見圖5。通過對比可以看出，平穩性異常區段K5+730—K5+870和K5+450—K5+630處的車輛運行平穩性指標明顯降低。

圖5 整治后區間3列車運行平穩性曲線

綜合以上針對列車運行平穩性異常問題發現、治理和驗證的過程，可以得出此區段車輛平穩性異常的原因是軌向不平順。

由此可以看出，針對與行車直接相關的軌道、車輛等系統的功能或性能進行動態綜合測試工作，可及早發現輪軌關系方面所存在匹配不良的問題，從而彌補靜態驗收的不足，保證輪軌更合理地匹配。

3 結語

在某新建地鐵線路試運行階段開展的輪軌動態綜合測試中，發現列車在某些區段存在平穩性異常問題。通過輪軌動態測試及現場調查等方式對列車平穩性問題進行分析，確定軌向異常是導致列車平穩性異常的原因，并對軌向進行針對性精調及整治，結果表明列車運行平穩性復測結果滿足標準要求。本文對列車平穩性異常問題發現、治理、驗證的過程進行了總結。

以往的工程驗收以靜態驗收為主，缺乏針對輪軌關系的相關動態測試工作。隨著乘客對列車運行舒適性要求的日益提升，通過對與行車直接相關的軌道、車輛等系統的功能或性能進行的輪軌動態綜合測試，可及早發現輪軌關系方面所存在的系統缺陷或匹配狀態不良等問題，為整改提供充分的時間，保證輪軌系統最終符合相關標準或設計要求；同時，最終測試數據也可直接為地鐵列車初期運營前的安全評估提供依據。