地鐵隧道清洗車動力學(xué)性能研究

徐 凱， 李 芾， 安 琪

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

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地鐵隧道清洗車動力學(xué)性能研究

徐 凱， 李 芾， 安 琪

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

隨著地鐵的飛速發(fā)展，地鐵隧道清洗車在隧道清洗工作上起到了舉足輕重的作用。在對地鐵隧道清洗車進行設(shè)計時，通過SIMPACK多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件，對地鐵隧道清洗車進行了動力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，該地鐵隧道清洗車的蛇行臨界速度大于車輛的構(gòu)造速度80 km/h的要求，在美國V級譜激勵下，運行平穩(wěn)性滿足優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)，曲線通過性能滿足要求。

地鐵； 隧道清洗車； 動力學(xué)性能

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市交通的擁堵問題以及環(huán)境的保護逐漸成為了社會和人類關(guān)注的重點。相比于傳統(tǒng)的公共交通工具，地鐵最大化的利用了地下空間，在運量上遠(yuǎn)超過公交車，且能源消耗，污染等遠(yuǎn)低于公交車，這些特點使得地鐵成為了許多城市重點發(fā)展的公共交通工具。當(dāng)?shù)罔F隧道完成施工時，隧道內(nèi)各壁面、軌道以及路基等部位會殘留許多灰塵等污垢，隨著運營時間的推進，地鐵車輛運行時制動磨耗等因素產(chǎn)生的污垢都將停留在隧道中。這些污垢附著在軌道扣件以及電氣設(shè)備上，如果沒有對這些污垢進行及時處理，將會對電氣設(shè)備的正常運行造成影響，使其運行靈敏度下降，地鐵故障率和維修成本將大大增加，嚴(yán)重時還將造成事故的發(fā)生。因此，使用地鐵隧道清洗車對隧道進行定時清洗可以緩解上述問題，并美化地鐵環(huán)境。本文對地鐵隧道清洗車的動力學(xué)性能進行研究，以期對地鐵隧道清洗車的發(fā)展具有一些指導(dǎo)意義。

1 隧道清洗車的基本結(jié)構(gòu)

隧道清洗車的轉(zhuǎn)向架采用兩系彈簧懸掛的方式。輪對采用錐形橡膠堆彈簧定位方式，由錐形橡膠堆提供一系垂向剛度及車輛運行時所需要的縱向和橫向定位剛度。由于隧道清洗車和普通地鐵車輛不同，隧道清洗車載重較大且具有偏載等特性，因此轉(zhuǎn)向架的二系懸掛也與普通地鐵車輛有所不同，沒有采用成本較高和維護方面較難的空氣彈簧，改由橡膠堆、橫向液壓減振器等組成。車體和構(gòu)架之間采用Z字型拉桿完成牽引工作。車體和構(gòu)架之間設(shè)置彈性橫向止擋來抑制車體的大幅度橫向位移。根據(jù)最高運行速度和該車輛行駛時制動距離的要求，轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動裝置采用單側(cè)踏面制動方式。該地鐵隧道清洗車具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 地鐵隧道清洗車技術(shù)參數(shù)

2 動力學(xué)計算模型

運用SIMPACK多體動力學(xué)軟件對地鐵隧道清潔車進行動力學(xué)建模，考慮車體、構(gòu)架、輪對等部件為剛體，對其減振器和橫向止擋進行非線性建模，其非線性特性如圖1所示。

由于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中存在輪軌接觸等非線性因素，車輛的垂向運動和橫向運動耦合在一起，因此在計算模型中將橫向和垂向的運動綜合起來作為一個大系統(tǒng)考慮，系統(tǒng)橫向和垂向共有27個自由度，動力學(xué)計算模型如圖2所示。

3 動力學(xué)性能分析

根據(jù)運營要求，地鐵車輛的動力學(xué)性能應(yīng)符合GB- 5599-1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其與UIC 518(Testing and approval of railway vehicle from the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Ride quality)存在一定的異同，二者之間存在諸多相通之處，故同時采用上述兩個標(biāo)準(zhǔn)進行評定，主要動力學(xué)性能評定指標(biāo)為：車輛運行穩(wěn)定性，車輛運行平穩(wěn)性和曲線通過性能等。

圖1 減振器及橫向止擋非線性特性

圖2 動力學(xué)計算模型

3.1 車輛運行穩(wěn)定性分析

根據(jù)UIC 515規(guī)定，當(dāng)車輛以最高運行速度運行時，在4～8 Hz范圍內(nèi)，若連續(xù)出現(xiàn)6個大于8 m/s2的峰值，則認(rèn)為車輛運行失穩(wěn)。根據(jù)UIC 518規(guī)定，應(yīng)在100 m范圍內(nèi)，以10 m為窗口對構(gòu)架橫向振動加速度的均方根(RMS，Root Mean Square)值進行滑動平均，加速度最大值應(yīng)小于其限值。UIC 518規(guī)定，每根輪軸的輪軌導(dǎo)向力之和應(yīng)小于其限值。

根據(jù)上述判定方法，對地鐵隧道清洗車的車輛運行穩(wěn)定性進行分析計算，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 車輛運行穩(wěn)定性指標(biāo)

計算結(jié)果表明，地鐵隧道清洗車在空重車情況下的臨界速度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輛的構(gòu)造速度80 km/h；在車輛以90 km/h運行時，車輛的構(gòu)架橫向加速度RMS和輪軌導(dǎo)向力之和RMS均小于UIC 518中規(guī)定的限值，滿足地鐵隧道清洗車的運行穩(wěn)定性要求。

3.2 車輛運行平穩(wěn)性分析

車輛所受到的外力是由于軌道對輪對的強迫位移激振而引起的，此處采用美國V級軌道譜作為線路激擾。根據(jù)GB 5599-1985規(guī)定，客車運行平穩(wěn)性采用車體上心盤(轉(zhuǎn)向架中心)偏離橫向1 000 mm處地板面上的最大橫向加速度、最大垂向加速度、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)來表示。而UIC 518中規(guī)定加速度測量點則在轉(zhuǎn)向架中心銷上部，即不偏離1 000 mm，此處則按照GB 5599-1985的規(guī)定選取測量點，這種選取對于UIC 518來說是偏于危險的。

根據(jù)上述判定方法，對地鐵隧道清洗車的車輛運行平穩(wěn)性進行分析計算，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 車輛運動平穩(wěn)性指標(biāo)

計算結(jié)果表明，地鐵隧道清洗車空重車狀態(tài)下在美國ⅴ級線路上運行時，在90 km/h速度范圍內(nèi)，最大橫向加速度ay和最大垂向加速度az均小于UIC 518規(guī)定的限制值2.5 m/s2；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzz均達到GB 5599-1985的優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)，滿足運行要求。

3.3 曲線通過安全性分析

在計算曲線通過安全性時，將由直線段、緩和曲線和圓曲線3種曲線來組成。在車輛從直線段進入緩和曲線再進入圓曲線的過程中，會受到很多外界激擾因素的影響，且對車輛系統(tǒng)不同部位的作用各不相同，且隨著曲線距離而不斷變化。

在研究車輛曲線通過安全性時，考慮的內(nèi)容包括輪軌橫向力、輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率。計算方法為讓地鐵隧道清洗車空重車模型通過一段帶激勵的設(shè)置有直線、超高的緩和曲線和圓曲線組成的線路，根據(jù)獲取的輪軌間的作用力來評定各項曲線通過性能動力學(xué)指標(biāo)。

計算曲線通過時，根據(jù)實際使用情況下不同線路曲線半徑設(shè)置了不同的超高和緩和曲線，具體的線路條件如表2所示。根據(jù)地下鐵道設(shè)計規(guī)范相關(guān)規(guī)定，線路未平衡離心加速度不超過0.4 m/s2，故最大欠超高取60 mm。

地鐵隧道清洗車空重車的曲線通過安全性分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

表2 曲線通過線路設(shè)置

圖5 空車曲線通過安全性指標(biāo)

圖6 重車曲線通過安全性指標(biāo)

在半徑300,350,400,600 m和800 m曲線上，地鐵隧道清洗車空重車在以表2設(shè)置速度下運行，其輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、輪軌垂向力P、脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率△P/P都在GB 5599-1985的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，車輛曲線通過安全性滿足要求。

4 結(jié) 論

介紹了地鐵隧道清洗車的基本結(jié)構(gòu)，采用二系橡膠堆代替?zhèn)鹘y(tǒng)地鐵車輛的空氣彈簧，并通過SIMPACK多體動力學(xué)軟件對地鐵隧道清洗車進行了建模，并對其動力學(xué)性能進行仿真計算。計算結(jié)果表明，地鐵隧道清洗車空重車車輛在新輪新軌情況下，臨界速度均較高，能滿足運行要求；當(dāng)踏面等效錐度磨耗至0.2,0.25,0.3和0.35時，空重車車輛也均能滿足運行要求。地鐵隧道清洗車空重車車輛在美國V級線路上運行時，在90 km/h速度范圍內(nèi)，輪軸導(dǎo)向力RMS和構(gòu)架橫向振動加速度RMS均小于UIC 518的規(guī)定的限制值，在以90 km/h速度運行時，最大構(gòu)架橫向振動加速度在4～8 Hz頻率內(nèi)小于UIC 515的規(guī)定的限制值，滿足運行要求。地鐵隧道清洗車空重車車輛在美國V級線路上運行時，在90 km/h速度范圍內(nèi)，最大橫向加速度ay和最大垂向加速度az均小于UIC 518規(guī)定的限制值2.5 m/s2，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzz均達到GB 5599-1985的優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)。在半徑300 ,350,400,600 m和800 m曲線上，地鐵隧道清洗車輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率△P/P都在GB 5599-1985的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，車輛曲線通過安全性滿足要求。經(jīng)過線路試驗表明，該地鐵隧道清潔車所有動力學(xué)性能均與計算預(yù)測接近，滿足運行要求；在運營過程中，其性能優(yōu)良，運營狀況良好。因此，該地鐵隧道清洗車滿足運行動力學(xué)性能要求，在我國地鐵隧道清洗裝備發(fā)展中具備較好的應(yīng)用和發(fā)展前途。

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Research on Dynamic Performance of Subway Tunnel Cleaning Vehicle

XUKai，LIFu，ANQi

(Department of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

With the fast development of urban, the subway tunnel cleaning vehicle plays an important role in the tunnel cleaning. When designing the subway tunnel cleaning vehicle, the subway tunnel cleaning vehicle was simulated in SIMPACK to analyze the dynamic performance. The results showed that the critical speed of the subway tunnel cleaning vehicle was above the design speed 80km/h and that the running stability and the curve negotiation meted the requirement in American V excitation level.

subway；tunnel cleaning vehicle；dynamic performance

男，博士生(

2016-06-13)

1008-7842 (2016) 05-0130-05

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.30