城市軌道交通列車車載信號設備隔振方案研究

李東風

(上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上海∥高級工程師)

隨著我國內地城市基礎設施建設的不斷發展，城市軌道交通越來越普及，而城市軌道交通列車(以下簡為“城軌列車”)運營對信號控制系統的安全性、可靠性和智能化要求也逐步提高。城軌列車運行時難免產生振動和沖擊，這會對列車的車載信號設備造成損傷，甚至失效。因此，列車車載信號設備的隔振方案尤為重要。

1 背景介紹

1.1 隔振方案的應用現狀

行業內隔振方案多采用正向分析和反向應用測試兩種方式。正向分析是通過有限元等軟件進行模擬，設計出相應的隔振方案；反向應用測試則是預選隔振方案并應用，通過測試隔振效果來驗證方案的可行性。

目前,列車轉向架安裝的設備多采用剛性連接和彈性連接的方式。上海軌道交通9號線和11號線運營初期采用的是剛性連接信號設備，但隨著運營年限增加，剛性連接的信號設備出現故障后，通過反向應用測試，認為選擇鋼絲繩隔振方式的彈性連接方式的效果更好。

1.2 車載設備遇到的問題

在上海富欣智能交通控制有限公司(以下簡為“富欣智控”)實施的A項目中，城軌列車采用的是鋼輪鋼軌制式。富欣智控CBTC(基于通信的列車控制)系統中，列車的定位功能是通過車載信標天線與軌旁信標交互的方式來實現的，同時實現了列車的站臺停車定位功能。在項目開通運營后，本研究發現車輛有隨機丟失信標的情況，甚至會影響到信號系統的車輛定位功能。在排除了電纜連接、電磁干擾和軟件解析等方面的可能性故障后，車載信標天線就是最可疑的故障點了。

根據GB/T 21563—2018《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》(等效IEC 61373—2010)，車載信標天線安裝在列車轉向架的位置，屬于試驗等級中的2類。該位置僅經過車軸和轉向架之間的一系彈簧減振，屬于振動和沖擊較為強烈的位置。

在A項目中，信標天線通過6個M12螺栓、彈簧墊圈、平墊圈和螺母固定在車輛中心線位置的轉向架支架上，如圖1所示。

由圖1可知，這種安裝方式屬于剛性連接，當車輛運行時，轉向架上的振動和沖擊將直接或等效地傳遞到車載信標天線上。

1.3 信標天線的機械性能

A項目信號控制系統中，信標天線采用的是Transcore公司的強化重型軌道專用天線(AA3233-004型信標天線)，其參數如下：

1) 尺寸：68.8 cm×12.5 cm×28.8 cm。

2) 質量：7.64 kg。

3) 運行溫度：-40～50 °C。

4) 濕度：100%，凝露。

5) 振動極限：振動加速度的均方根值為4g(g為重力加速度),振動頻率為5～500 Hz。

6) 沖擊極限：振動加速度的峰值為30g，持續時間為2 ms。

根據GB/T 21563—2018，信標天線的振動極限指標滿足2類轉向架安裝ASD(加速度頻譜密度)，沖擊極限指標也高于沖擊試驗容差范圍。

將信標天線的機械參數和試驗標準進行對照，結果表明：信標天線的機械性能滿足機車轉向架安裝的試驗指標，信標天線可安裝在機車轉向架上。

2 隔振方案描述

城軌列車的實際運營情況表明，并非所有列車的振動情況都符合試驗標準的理想情況。根據道床類型、減振扣件形式和車輛本身的減振條件，車載環境的振動和沖擊的具體情況也各不相同。因此，選用合適的隔振方案，將有助于提高車載信號設備的可靠性，同時減少因振動和沖擊引起的設備故障。

2.1 隔振方案選擇

模態匹配最基本的原則是在設計上保證車體承載結構、局部結構不與吊裝設備激勵頻率發生共振，而車體彈性體及各子設備主要的振動頻率都在5～80 Hz以內。根據隔振理論和城市軌道交通車輛吊裝設備的振動特性，將轉向架至設備的振動傳遞設計為消極隔振。

1) 隔振方案選擇的原則。以隔振為主要目的并兼顧沖擊時，應在保證車載信號設備系統穩定性的前提下，盡量降低該系統振動或者沖擊的傳遞率，兼顧合理的能容要求，可選擇低頻隔振系統；以抗沖擊為主要目的時，根據隔振系統輸入環境要求的嚴酷程度，應確保該系統有足夠的“能容”，在此前提下兼顧車載信號設備的振動隔離效果。

2) 隔振方案選型。在A項目中，初步選用了哈金森公司的BARRY CONTROLS 44000系列產品中的44001-1型號的組合式隔振產品(見圖2)。其固有頻率為8～18 Hz，最大靜載荷為180 N，軸向靜剛度為210 N/mm，徑向靜剛度為50 N/mm，使用溫度范圍為-40～80 °C。該產品的橡膠墊圈采用的是氯丁橡膠或者天然橡膠材質，能適用于各種環境；對稱設計，能避免安裝錯誤；內部配備的支撐鋼管，在使用墊圈時可起到失效安全保護的功能；其軸向徑向剛度比為4∶1，堅固的低側結構能高效吸收振動和沖擊。

2.2 隔振方案理論假設

1) 被隔振的設備和安裝支架視為剛性體，其剛度相比隔振器的剛度足夠大。

2) 在被隔振設備安裝支架之間無任何剛性連接。

3) 認為在被隔振設備和安裝支架之間僅通過隔振器彈性連接，其他外部連接不予考慮。

隔振系統質量為8 kg(包含隔振套件和緊固件)；隔振套件數量為6個，平均承載13.3 N；設備質心位于幾何中心，隔振套件相對于質心對稱布置。

2.3 隔振效率計算

2.3.1 被隔振系統徑向固有頻率計算

該系統峰值響應頻率按照式(1)進行計算。

(1)

式中：

fn——隔振系統峰值響應頻率，Hz；

Ks——隔振系統靜態剛度，N/m；

m——隔振系統承載質量，kg。

由ΣKs=300 000 N/m、Σm=8 kg，可計算得出fn=30.8 Hz。

2.3.2 振動傳遞率的計算

振動傳遞率T的計算如下：

(2)

式中：

ξ——阻尼比，取0.15；

λ——隔振系統外激勵頻率與固有頻率之比。

2.3.3 沖擊校核

根據試驗標準，沖擊采用了30g量級，持續時間為18 ms(半正弦波)，計算得到其沖擊速度v為3.37 m/s。

最大沖擊變形可按照下式近似計算：

(3)

式中：

D——最大沖擊變形；

Kv——隔振系統沖擊剛度。

計算得出最大沖擊變形為13.0 mm，小于產品參數中的最大變形值，則滿足設計要求。

2.4 理論預期結果

采用專業軟件模擬，當隔振系統受到30g持續18 ms的半正弦沖擊波時，隔振系統理論最大響應加速度為45.83g，響應位移為2.32 mm，理論上是安全的。

3 隔振方案的實施

3.1 隔振套件安裝和調整

根據維護和安裝方案，將原來剛性安裝的信標天線取下，用6套隔振套件分別固定在信標天線的6個安裝孔，采用扭力扳手擰緊，并涂紅色防松標志。隔振套件安裝和調整后的狀態如圖3所示。

3.2 實際效果評估

隔振套件首先在3#列車上安裝并上線運行，根據運營日志，信標丟失現象有明顯的改善，從整改之前的信標丟失幾十次甚至上百次，降低到幾次和0次，使信號系統功能得以正常維持。根據項目維保單位的記錄數據，提取3#、4#、5#和6#列車隔振套件使用前后的信標丟失次數對比見表1。

表1 列車整改期間丟失信標數據對比

3.3 測試結果

本研究邀請具有專業資質的檢測單位SRCC(上海軌道交通檢測認證(集團)有限公司)對A項目的列車進行了隨機振動和沖擊情況的測試，獲取了車輛信標天線、轉向架和車軸處的實際運行振動數據，并對信標天線在增加隔振套件前后進行了對比測試。

測試過程中，SRCC采用了網絡分布式信號采集分析儀和3向加速度傳感器，在車輛的A端(安裝隔振套件)和B端(剛性連接)信標天線附近布置了加速度傳感器，測試點分別布置在信標天線、轉向架支架和車軸上。經過數據分析和整理，得出列車運行過程中振動的有效加速度曲線，如圖4所示。

從3個位置的加速度曲線可以看出，在使用了隔振套件后，信標天線位置處的振動加速度有明顯的下降，且曲線變得平滑，說明隔振套件隔離或吸收了來自車輛的振動和沖擊能量。

4 結語

隔振方案的設計和確定，需要根據振動條件、設備物理特性、隔振設備的指標來逐步分析和明確。

上述討論的隔振方案，能有效隔離或吸收車輛運行過程中產生的振動和沖擊，可保護車載信號設備(信標天線)在使用壽命內的可靠運行。

其他方式的隔振方案也可用于車載信號設備的防護，比如鋼絲繩隔振具有相對穩定的隔振效果，但需要根據設備形態定制，且成本較高。