地鐵車輛動力學響應穩定性和平穩性測試方法

趙宗耀，羅曦春

（1.北京城建設計發展集團股份有限公司，云南昆明 650500；2.云南京建軌道交通投資建設有限公司，云南昆明 650500）

0 引言

根據交通運輸部2019 年第1 號文的要求，在城市軌道交通工程初期運營前需進行安全評估工作，其中車輛動力學響應測試是安全評估工作的重點，車輛動力學響應的測試結果將作為安全評估工作的重要依據。

車輛動力學響應測試又分為運行穩定性試驗和運行平穩性試驗，根據設計和相關技術標準在規定速度范圍內對系統功能、動態性能和系統狀態進行測試，驗證軌道、車輛等系統的功能或性能，檢查、復驗工程質量，指導軌道、車輛等相關子系統調整和優化，減少線路輪軌系統缺陷，保障新建線路運營安全性和舒適性。

1 車輛運行穩定性測試

1.1 測試內容

根據相關標準及文件要求，對車輛動力學響應—車輛運行穩定性進行測試，主要測試參數包含脫軌系數D、輪重減載率U、輪軸橫向力H 等，檢驗其結果是否滿足標準要求。

（1）脫軌系數D。車輛運行時，在線路狀況、運用條件、車輛結構參數和裝載等因素最不利的組合條件下可能導致車輪脫軌。評定防止車輪脫軌穩定性的指標用“脫軌系數”，為作用在車輪上的橫向力Q 和作用在車輪上的垂向力P 的比值。

在整條線路區段上劃分多個樣本區段，每個區段的長度為200 m，使用輪軌力檢測系統對每個樣本區段進行檢測，取每個區段的最大值作為該區段的脫軌系數值，整條線路區段的脫軌系數以散點圖的方式呈現，即可評估整條線路區段的質量情況。

（2）輪重減載率U。輪重減載率定義為減載側車輪的輪重減載量與減載和增載側車輪的平均靜輪重之比。車輛在高速運動過程中，車輪在振動過程上下運動，輪對間的輪重會發生增減變化，輪重減小一側即使橫向力很小（甚至沒有），也有可能與車輪發生橫向相對位移而發生脫軌，輪重減載率是判斷脫軌風險的另一個指標。

輪重減載率的檢測和輸出方式與脫軌系數相同，都可以評價車載在軌道上運行的穩定性。

（3）輪軸橫向力H。輪軸橫向力為左右兩側輪軌橫向力的矢量和，用于評定車輛在運行過程中是否會因為過大的橫向力而導致軌距擴寬或線路出現嚴重變形等。輪軸橫向力的大小與軌道的幾何尺寸狀態有密切關系。

1.2 測試方法及設備安裝方式

在Tc 車上安裝一條測力輪對。采用測力輪對方法，需對軸端和輻板進行加工，輪對與采集系統之間信號傳輸通過集流環完成（圖1、圖2）。

圖1 測力輪對

圖2 測試結構示意

測力輪對需要進行測力標定。根據GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》和TB/T 2360—1993《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》中的間斷測試標準。在標定臺上，利用仿軌面加力頭，在車輪踏面范圍，依次施加垂向與橫向力，統計測試結果，得到測力輪對的垂向力比例系數為Kpp、垂向力對橫向力橋的干擾系數為Kqp、橫向力比例系數為Kqq、橫向力對垂向力橋的干擾系數為Kpq，代入實測系數間斷點的計算方程，實現測試信號與輪軌接觸力的換算方法。

如圖3 所示，兩條測力輪對分別換裝在被試車輛Tc 和Mp的1 位軸位置，用于輪軌力的測量。

圖3 測力輪對位置

1.3 判定標準

車輛運行穩定性評判標準見表1。

表1 車輛運行穩定性評判標準

2 車輛運行平穩性測試

2.1 測試內容

測試車輛運行平穩性指標及轉向架構架、軸箱振動加速度，檢驗評估其指標是否符合標準的要求，驗證軌道狀態能否滿足乘客乘坐舒適性要求。

(1)提升新一代信息技術的集成應用水平 一方面，企業應加強管理創新，推動管理模式向流程化、網絡化、社會化轉變，為新一代信息技術的集成應用奠定良好基礎；另一方面，企業應面向虛擬工廠、設計與制造集成、管理與控制集成、智能經營決策等特定工業場景，加快研發和應用覆蓋組織、流程、技術、數據等全要素，囊括設備、軟件、網絡、平臺等的系統性解決方案。

使用加速度傳感器對車輛運行平穩性進行檢測，將線路總區段按每200 m 進行劃分，劃分為一個個的樣本檢測區段，計算出平穩性指標，以散點圖或數據表的形式輸出樣本報表，并可根據里程準確定位。

2.2 測試方法及設備安裝方式

按照GB 5599—2019《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，分別在電客車的Tc 和Mp 車轉向架上方一側1 m 的車體地板面上安裝共計4 只兩相加速度傳感器，具體安裝位置如圖4 所示。

圖4 加速度傳感器安裝位置

2.3 判定標準

垂向及橫向平穩性指標（W）按分類如下：

車輛懸掛系統正常下平穩性指標規定為：新造車（經5×103～8×103km 運用）運行平穩性指標W<2.5。

車輛平穩性指標按以下公式計算：

式中 W——平穩性指標

A——振動加速度，g

f——振動頻率，Hz

F（f）——頻率修正系數（表2）

表2 頻率修正系數

3 測試條件

（1）線路工程（包括線路、路基、隧道、橋梁、軌道等）、檢測車輛、供電、接觸網、通信、信號、環境保護等系統的工程及其配套工程（包括外部配套工程及設備安裝）已按設計文件建成，承包商或集成商對工程質量和系統功能自檢合格，具備運營車上線條件。

（2）試驗列車能提供機車數據（速度、里程等），用于試驗設備檢測定位。

（3）試驗設備安裝完成，完成動靜態通電通信測試，達到預期調試效果，具備上線正式試驗條件。

4 測試案例

使用本文的測試方法對昆明某地鐵線路上行進行了測試，該線路剛進行過初期運營前安全評估，通過了運行穩定性和平穩性測試。在被試車輛處于空車（AW0）載荷下、正常狀態下，在線路最高限速條件下進行試驗。被試車輛運行穩定性和平穩性指標最大值以及最大值出現時的速度見表3、表4。

表3 運行穩定性指標測試結果

表4 運行平穩性指標測試結果

由以上數據可知，運行穩定性和平穩性指標滿足評定標準要求，且與初期運營前安全評估時的數據基本一致。

5 結論

根據測試結果，所測試驗段車輛運行穩定性和平穩性指標符合交辦運［2019］17 號《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》要求，且測試數據與初期運營前安全評估時的數據基本一致，所以該方法能有效測試地鐵車輛運行穩定性和平穩性，并作為城市軌道交通初期運營前安全評估的依據。