跨座式單軌交通軌道梁剛度對(duì)乘坐舒適性影響研究

劉　國(guó)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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跨座式單軌交通軌道梁剛度對(duì)乘坐舒適性影響研究

劉國(guó)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

Study on the Influence of Track-beam Stiffness on Straddle Monorail Transit Ride Comfort

LIU Guo

摘要參考已有車橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)模型，研究某市跨座式單軌交通Z206-25梁，利用fortran90軟件編寫程序。參考高速鐵路評(píng)價(jià)方法，基于Sperling指標(biāo)和車體加速度值評(píng)價(jià)車輛乘坐舒適性，研究軌道梁豎向與橫向剛度的變化對(duì)車輛乘坐舒適性的影響。結(jié)果表明，軌道梁剛度對(duì)車輛乘坐舒適性影響很大，并且采用不同的評(píng)判準(zhǔn)則，軌道梁剛度與乘坐舒適性之間的關(guān)系不同，有必要進(jìn)一步研究軌道梁的剛度限值。

關(guān)鍵詞跨座式單軌交通車橋系統(tǒng)軌道梁剛度乘坐舒適性

跨座式單軌交通走行系統(tǒng)為膠輪-軌道梁形式，經(jīng)濟(jì)性好，能滿足不同地形要求，可適應(yīng)小曲線，使其可成為山區(qū)城市主要的交通形式之一[1]。2000年日本的單軌交通技術(shù)推廣到中國(guó)，目前在我國(guó)一些城市已得到了運(yùn)用與發(fā)展[2-3]。

目前對(duì)車輛乘坐舒適性的研究多集中在鐵路方面，文獻(xiàn)[4，5]比較系統(tǒng)地論述了鐵路列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性的控制因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)。已有的研究成果很少著重于跨座式單軌交通系統(tǒng)，文獻(xiàn)[6]以ISO2631為評(píng)判指標(biāo)，研究了車輛行駛于單軌組合梁上的乘坐舒適性；馬繼兵[7，8]以ISO2631、UIC513和GB5594—35為評(píng)判指標(biāo)，分別以平穩(wěn)性和舒適度評(píng)判跨座式單軌交通乘坐舒適性。

已有的車橋振動(dòng)成果表明，運(yùn)行在橋上的列車舒適性受橋梁剛度的影響很大[9]，而我國(guó)規(guī)范尚未確立跨座式單軌交通軌道梁剛度和舒適性的關(guān)系，為保證橋上列車旅客乘坐舒適性，有必要開展對(duì)兩者關(guān)系的研究，便于更深入的探討跨座式單軌交通軌道梁的剛度限值。參考高速鐵路車輛評(píng)判方式，采用車體加速度和Sperling值兩項(xiàng)指標(biāo)，研究軌道梁橫向剛度與豎向剛度的變化對(duì)車輛乘坐舒適性的影響。

1車輛-軌道梁空間耦合振動(dòng)

1.1車輛及橋梁模型

參考已有模型，車體和轉(zhuǎn)向架均為剛體，車輛等速運(yùn)行在軌道梁上，且軌道面與輪胎密貼，走形部阻尼為黏性阻尼，轉(zhuǎn)向架小位移運(yùn)動(dòng)于基本位置附近。軌道梁模型體系為簡(jiǎn)支梁，采用空間梁?jiǎn)卧獢M合。

1.2車橋耦合模型

輪胎小變形認(rèn)為是線性變化的，參考文獻(xiàn)[7]中建立輪胎模型的假設(shè)，根據(jù)彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變值原理及形成矩陣的“對(duì)號(hào)入座”法則，建立車橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)方程。

2乘坐舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)現(xiàn)行的高速鐵路豎向加速度不大于0.13g，水平加速度不大于0.10g，Sperling舒適度指標(biāo)采用表1中客車相關(guān)指標(biāo)。

3軌道梁剛度對(duì)乘坐舒適性的影響

參考已有車橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)模型，研究某市跨座式單軌交通Z206-25梁。車輛參數(shù)參考文獻(xiàn)[10]，軌道不平順采用文獻(xiàn)[10]中日本譜，利用fortran90自編程序進(jìn)行車輛-軌道梁動(dòng)力響應(yīng)分析。

表1　我國(guó)機(jī)車車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)Wz

為了討論軌道梁剛度變化對(duì)車輛乘坐舒適性的影響，首先需要探討Sperling指標(biāo)和車體加速度這兩種標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。在保持其他參數(shù)不變的條件下，分別選取不同的軌道梁橫向剛度和豎向剛度值的變化，研究其對(duì)車輛乘坐舒適性的影響。保持車輛速度為正常速度30 km/h，選取下列幾種不同剛度的軌道梁工況。

橫向剛度：軌道梁豎向剛度不變，橫向剛度由原軌道梁剛度值的0.5倍增加到2.0倍，共16種工況。

豎向剛度：軌道梁橫向剛度不變，豎向剛度由原軌道梁剛度值的0.5倍增加到2.0倍，共16種工況。

圖1　軌道梁剛度對(duì)Wz值的影響

圖2　軌道梁剛度對(duì)車體加速度值的影響

分別計(jì)算這幾種工況的車輛乘坐舒適性指標(biāo)Wz值和車體加速度值，如圖1和圖2所示。圖1、圖2分別為軌道梁橫向剛度，豎向剛度對(duì)車輛乘坐舒適性和車體加速度值的影響曲線。由圖1(a)可知，軌道梁橫向剛度的改變對(duì)車輛豎向乘坐舒適性無(wú)影響，對(duì)橫向乘坐舒適性則有顯著影響，且當(dāng)橫向剛度增加時(shí)，橫向乘坐Wz值并非完全增大；由圖2(a)可知，軌道梁橫向剛度的改變對(duì)車體豎向加速度值無(wú)影響，對(duì)橫向加速度值則有顯著影響。

由圖1(b)、圖2(b)可知，車輛橫向加速度值和乘坐舒適性不受軌道梁豎向剛度變化的影響，而軌道梁剛度對(duì)車輛豎向乘坐舒適性和豎向加速度值則有顯著影響，隨著剛度的增加，豎向乘坐Wz值減小，豎向加速度值變小。

對(duì)比圖1(a)與圖2(a)可知，在車速為30 km/h時(shí)，橫向剛度系數(shù)在0.7～1.1區(qū)間內(nèi)，軌道梁橫向剛度值的變化對(duì)車輛橫向乘坐舒適性指標(biāo)Wz值與對(duì)加速度值的影響不一致。這表明在分析軌道梁剛度對(duì)車輛乘坐舒適性的影響時(shí)，采用車輛加速度和Sperling評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。

為了進(jìn)一步對(duì)比分析車輛乘坐舒適性指標(biāo)Wz值和車輛加速度值兩種標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，現(xiàn)計(jì)算車速為60 km/h時(shí)，上述幾種不同軌道梁剛度下車輛乘坐舒適性指標(biāo)Wz值和車體加速度值隨剛度值變化的情況，如圖3和圖4所示。

圖3　60 km/h時(shí)軌道梁剛度對(duì)Wz的影響

圖4　60 km/h時(shí)軌道梁剛度對(duì)車體加速度值的影響

對(duì)比圖3(a)與圖1(a)、圖3(b)與圖1(b)可知，當(dāng)車速由30 km/h增加到60 km/h時(shí)，車輛乘坐Wz值隨著軌道梁剛度的改變變化更明顯；對(duì)比圖4(a)與圖2(a)、圖4(b)與圖2(b)可知，當(dāng)車速由30 km/h增加到60 km/h時(shí)，車輛加速度值隨著軌道梁剛度的改變，變化更明顯。由圖3(a)可知，在軌道梁橫向剛度系數(shù)為0.5、0.6時(shí)，車輛橫向乘坐舒適性指標(biāo)Wz值分別為2.306和2.198，按照Sperling評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)車輛乘坐舒適性為優(yōu)秀，而由圖4(a)可知，在軌道梁橫向剛度系數(shù)為0.5、0.6時(shí)，車輛橫向加速度值分別為1.334和1.027，已經(jīng)超過(guò)高速鐵路橫向加速限值0.10g的要求，即符合Sperling評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)而不符合高速鐵路加速度限值要求。

車輛時(shí)速為30 km的幾種工況結(jié)果表明，在探討軌道梁剛度對(duì)車輛乘坐舒適性的影響時(shí)，基于Sperling指標(biāo)和車體加速度標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別；由車輛時(shí)速60 km、橫向剛度系數(shù)為0.5、0.6時(shí)分析結(jié)果表明，舒適性指標(biāo)滿足Sperling指標(biāo)而無(wú)法滿足高速鐵路加速度限值要求。綜上可知，軌道梁剛度對(duì)車輛乘坐舒適性影響很大，并且采用不同的評(píng)判準(zhǔn)則，軌道梁剛度與乘坐舒適性之間的關(guān)系不同，有必要進(jìn)一步研究軌道梁的剛度限值。

4結(jié)論

(1)軌道梁橫向剛度變化時(shí)，車輛橫向乘坐舒適性變化很大，豎向舒適性變化很?。卉壍懒贺Q向剛度變化時(shí)，車輛豎向乘坐舒適性變化很大，橫向舒適性變化很小。

(2)由車輛時(shí)速60 km、軌道梁橫向剛度系數(shù)為0.5、0.6的分析結(jié)果表明，車輛橫向乘坐舒適性符合Sperling標(biāo)準(zhǔn)而不符合高速鐵路加速度限值要求。

(3)軌道梁剛度對(duì)車輛乘坐舒適性影響很大，并且采用不同的評(píng)判準(zhǔn)則，軌道梁剛度與乘坐舒適性之間的關(guān)系不一樣，有必要進(jìn)一步研究軌道梁的剛度限值。

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[10]Lee C H， Kawatani M， et al. Dynamic response of a monorail steel bridge under a moving train[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006，294:562-579

中圖分類號(hào)：U232； U260.11+1； U211

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0085-03

作者簡(jiǎn)介：劉國(guó)(1989—)，男，2014年畢業(yè)于中南大學(xué)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-11-23