某型地鐵車輛運行穩定性研究

黃楨國，李子嘉，鄔平波

(1. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2. 龍游縣公路港航與運輸管理中心，浙江 衢州 324400； 3. 中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

隨著城市人口的急劇增加，公共交通的發展越來越受到人們的重視。自從1863年倫敦大都會鐵路的開通運營將這種快速、安全的交通方式帶入人們的視野后，近些年中國的地鐵運營里程呈現爆發式地增長，但是一系列問題的出現諸如噪聲過大、車體晃動或抖動以及磨耗劇烈等問題成為地鐵這種新式交通方式發展中的隱患。為此，國內外許多學者針對地鐵列車運行安全性和平穩性做了很多研究。曾京等[1]建立了具有17自由度的車輛系統非線性數學模型，研究了車鉤力以及曲線半徑對車輛臨界速度的影響。石懷龍等[2]針對高速列車已有的行業標準進行總結和比對，從中得出適用于當下列車的動力學指標評價方法。池茂儒等[3]通過對存在輪徑差的轉向架進行受力分析, 把輪徑差對車輛系統穩定性的影響劃分成3個區域分別進行分析。路兵[4]分析了各個懸掛參數對車輛非線性臨界速度的影響，并詳述了臨界速度的仿真計算方法。蔡文鋒等[5]建立了考慮懸浮控制系統的車輛動力學模型，對列車在直線段快速運行時的動力學特性進行了分析研究。XING L L等[6]建立了CRH2C車輛模型并對名義等效錐度和Hopf分叉類型進行分析，得出了輪軌相互作用的非線性特征和列車非線性穩定性之間的關系。GONG C C等[7]建立一種分析及預測運營車發車密度過高引起的軌道橫向劣化的方法，并探討不同類型車輛、行車速度以及輪軌關系對軌道橫向劣化的影響。馬衛華等[8]通過輪軌非對稱接觸現象，研究其對機車運行平穩性以及曲線通過能力的影響。AUCIELLO J等[9]提出了一種新型的輪軌接觸點檢測的半解析方法，可以將復雜的輪軌關系簡化為一個標量方程，并可用數值方法求解。POLACH O[10]論證了接觸非線性對鐵路車輛穩定極限性能的影響，并用兩個參數描述了輪軌接觸幾何關系。徐士恒等[11]針對貨運動車組的特點在傳統多剛體模型的基礎上，考慮集裝器的結構、布置和安裝方式，在SIMPACK中建立更近實際的“車-貨”耦合動力學仿真模型。

本文通過型式試驗測得數據并進行處理分析，得到列車在實際線路上運行時的狀態參數。列車運行時的安全性指標包括脫軌系數、輪重減載率以及輪軸橫向力等，舒適性指標即車體sperling平穩性指數[12]，蛇行運動穩定性通過構架端部橫向加速度數據來判斷。優良的曲線通過性能以及直線運行穩定性是軌道車輛動力學發展永恒的目標，故所設置的工況應包括曲線以及直線，以便于對列車進行全方位的研究。

1 研究對象

所研究對象為一列六編組地鐵AH型車輛，采用四動兩拖的編組方式，頭尾為拖車，如圖1所示。該車輛設計最高運營速度80km/h，動力學試驗車輛為TC1車、MP1車，兩車1軸各加裝1條測力輪對來檢測輪軌力的數值變化。試驗前被試車輛完成了5420km的運行磨合，以保持最佳的輪軌接觸狀態。

圖1 被測車輛示意圖

2 研究內容

2.1 對列車運行安全性進行研究

試驗采用測力輪對法獲取輪軌橫向、垂向力，計算脫軌系數、輪重減載率等并進行脫軌安全性評估。輪軌力信號傳輸采用集流環裝置，實時數據通過線纜傳回數據采集器進行儲存以便后續進行統計分析。根據GB5599—1985[13]規定，相關參數計算采用以下公式。

脫軌系數：

Q/P≤0.8

式中:Q為輪軌橫向力，kN；P為輪軌垂向力，kN。

輪重減載率:

輪軸橫向力：

H≤α(10+P0/3),α=1

式中P0為凈軸重，kg。

1)試驗結果

表1、表2給出了被試車在空車(AW0)工況下直線和曲線的運行穩定性(安全性)評價指標最大值統計。試驗結果表明：被試TC1車及MP1車的脫軌系數最大值分別為0.79、0.79；輪重減載率最大值分別為0.38、0.40；輪軸橫向力最大值分別為22.36kN、23.14kN；構架橫向加速度最大值分別為3.05m/s2、3.22m/s2。

表1 直線工況運行穩定性(安全性)評價指標

表2 曲線工況運行穩定性(安全性)評價指標

TC1車與MP1車脫軌系數最大值出現在R525m曲線、R525m/R300m曲線；輪重減載率分別出現在R525m/R300m、R300m曲線；輪軸橫向力最大值均出現在R300m曲線；構架橫向加速度最大值出現在直線、R300m曲線，且動車的輪軸橫向力以及構架橫向加速度明顯大于拖車。

表3和表4分別給出了被試車超員(AW3)工況下直線和曲線的運行穩定性(安全性)評價指標最大值統計。試驗結果表明：被試TC1車及MP1車在空氣彈簧正常工況的脫軌系數最大值分別為0.65、0.70；輪重減載率最大值分別為0.38、0.35；輪軸橫向力最大值分別為26.47kN、29.19kN；構架橫向加速度最大值分別為3.86m/s2、3.81m/s2。

表3 直線工況運行穩定性(安全性)評價指標

表4 曲線工況運行穩定性(安全性)評價指標

TC1與MP1車脫軌系數最大值均出現在R300m曲線；輪重減載率最大值均出現在R300m曲線；輪軸橫向力最大值均出現在R300m曲線；構架橫向加速度最大值分別出現在直線和R525m曲線。

2) 脫軌系數速度級分析

對比AW0以及AW3兩種工況可得，列車在空車通過曲線時的脫軌系數數值最大，處于危險區域，故對該工況(曲線半徑300m)進行相應的速度級分析，可以得出圖2。

圖2 不同速度級下脫軌系數變化圖(AW0)

由圖2可知，各個速度級下的脫軌系數接近于上限0.8，較為危險。這種情況較容易出現在客流量較少的站間區段內。由曲線可以看出在速度低于60kmph時，拖車的脫軌系數要大于動車的；在70kmph時脫軌系數達到頂峰；隨著速度的繼續提高，脫軌系數又呈下降趨勢。總體上來說，在高速區段，動車的脫軌系數要高于拖車的。

結合實際情況分析，列車在客流量較多的區間運行時，運行工況可以達到AW2甚至AW3，那么就有必要對AW3情況下列車通過小曲線(曲線半徑300m)的工況進行速度級的分析，得到折線圖如圖3所示。

圖3 不同速度級下脫軌系數變化圖(AW3)

由圖3可得，兩種車型的脫軌系數隨著速度的增加是在遞減的。整體上看，在此種工況下動車的脫軌系數值大于拖車的。在列車以低于50kmph的速度運行時，脫軌系數值處在一個較高的范圍之內，最高達到了0.7，距離0.8的上限很近，比較危險。當速度處在50～60kmph時，脫軌系數達到了穩定，基本不隨著速度的改變而發生明顯的變化；在高于60kmph時，脫軌系數繼續下降，拖車的下降速度較動車來說更為劇烈一些。

綜合以上觀點可以得出結論，地鐵運營公司在試運行期間應做好市場調研，對不同人流量的站間區段進行劃分，在人流量較少的區段，可以采取以60kmph的最高運行時速來運行，在人流量較大的區域，則可以達到70kmph，這樣設計不僅可以降低列車脫軌風險，還可以在一定程度上降低運營成本。

2.2 對列車運行平穩性進行研究

運行平穩性測試在車體地板的振動加速度。參照執行標準分別計算橫、垂平穩性指標。車體振動加速度采用加速度傳感器測定，測點位于TC1與MP1車前后轉向架中心上方左側/右側1m處車體地板。表5為平穩性指標等級表。

表5 平穩性指標等級表

1) 列車運行平穩性試驗結果

表6和表7分別給出了被試車在空車(AW0)工況下直線和曲線的運行平穩性指標最大值統計。試驗結果表明：被試TC 1車及MP1 車在正常工況橫向平穩性指標最大值分別為2.43、2.48，均出現在R525m曲線中；垂向平穩性指標最大值分別為2.22、2.26，均出現在直線中。

表6 直線工況下運行平穩性試驗結果

表7 曲線工況下運行平穩性試驗結果

表8和表9分別給出了被試車在超員(AW3)工況下直線和曲線的運行平穩性指標最大值統計。試驗結果表明：被試TC1 車及MP1車在正常工況橫向平穩性指標最大值分別為2.31、2.28，均出現在R525m曲線中；垂向平穩性指標最大值分別為2.16、2.13，垂向平穩性指標最大值出現在直線、直線/R525m曲線中。

表8 直線工況運行平穩性指標

表9 曲線工況運行平穩性指標

2) 速度級分析

結合表5到表8的內容可以發現，在通過曲線工況下一位端處橫向平穩性是最差的，最高達到了2.48，故對其空、重車兩種工況進行速度級分析，得到結果如圖4、圖5所示。

由圖4-圖5可知，無論車體載質量如何，一位端橫向平穩性指標都是隨著速度的增加而逐漸變大的，可以說速度越高，帶來的必然結果就是平穩性的降低。但是不同載重下，動車和拖車的表現卻存在明顯的差異。在空車情況下動車的平穩性始終大于拖車，重車情況下結果卻恰好相反。從數值上來講，重車的平穩性要好于空車，所以在客流量較少的區域，列車運行要綜合考慮確定運行速度，以保證列車運行平穩舒適。

圖4 一位端橫向平穩性指標隨速度變化圖(AW0)

圖5 一位端橫向平穩性指標隨速度變化圖(AW3)

3 結語

安全性評估和平穩性評估決定著列車的運行質量。在空車(AW0)工況下通過小曲線時，列車的脫軌系數較大，處在限值邊緣，這種情況在動車上表現尤其明顯。運行平穩性方面，空車通過小曲線時的平穩性指標較大一些，這種情況出現在拖車上，重車工況時反而比動車的平穩性惡劣一些。地鐵公司為了給旅客提供舒適的服務，要綜合考慮客流因素，合理地確定列車運行時速，將旅客安全平穩地送往目的地。