地鐵車(chē)輛垂向運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試與分析

劉 德 志

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

0 引言

地鐵等城市軌道交通方式為各大城市人口流動(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]，近年來(lái)，我國(guó)的城市軌道交通事業(yè)也邁上了新的臺(tái)階[2]。高速、安全和舒適是鐵路運(yùn)輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)的三大要素，三者之中，高速和安全是當(dāng)今鐵路事業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和生命力；而舒適，也即是列車(chē)的平穩(wěn)性則與此二者息息相關(guān)，互相影響[3]。人們?cè)诔俗?chē)輛時(shí)，振動(dòng)往往會(huì)讓人感到不舒適，研究表明，車(chē)輛處于振動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)讓人感覺(jué)到疲倦，還會(huì)引發(fā)人體內(nèi)部器官及全身組織與外界共振及諧振的可能[4]。

車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性通常用來(lái)表示車(chē)輛的振動(dòng)性能，它是衡量車(chē)輛運(yùn)行性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。作為運(yùn)輸工具的鐵道車(chē)輛，應(yīng)該具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性。列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性反映了車(chē)輛振動(dòng)對(duì)于旅客舒適程度的影響，而旅客舒適度是在包括車(chē)輛振動(dòng)在內(nèi)的外界因素作用下于旅途中反映旅客疲勞程度的綜合性生理指標(biāo)[5]。因此通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)地鐵列車(chē)垂向振動(dòng)進(jìn)行深入的研究對(duì)改善列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性具有重要意義。

本文為了獲取東莞地鐵R2線各區(qū)間車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)，評(píng)價(jià)各區(qū)間運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)，特對(duì)東莞地鐵R2線各區(qū)間車(chē)輛的垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，并基于隧道內(nèi)鋪設(shè)有減振軌道、隧道內(nèi)未鋪設(shè)減振軌道兩種典型工況下列車(chē)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了這兩種工況下列車(chē)車(chē)體垂向振動(dòng)的頻譜特性。

1 試驗(yàn)概況

東莞城市快速交通R2線是一條北部到西南方向的市域快速干線，前期工程北起東莞火車(chē)站，終點(diǎn)為虎門(mén)火車(chē)站，線路全長(zhǎng)37.788 km，其中隧道段33.73 km，高架線3.644 km。

本次列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)段也選擇為R2線隧道段，每?jī)蓚€(gè)車(chē)站之間為一個(gè)分區(qū)段。分區(qū)段具體有：東茶區(qū)間、茶榴區(qū)間、榴下區(qū)間、下天區(qū)間、天東區(qū)間、東旗區(qū)間、旗鴻區(qū)間、鴻西區(qū)間、西蛤區(qū)間、蛤陳區(qū)間、陳寮區(qū)間、寮珊區(qū)間、珊展區(qū)間共計(jì)13個(gè)區(qū)間。

1.1 測(cè)試車(chē)輛

測(cè)試車(chē)輛介紹：R2線采用B型車(chē)，2.8 m車(chē)高，3.8 m車(chē)長(zhǎng)，20 m(一節(jié)車(chē)廂)，車(chē)輛均采用6節(jié)編組。本次列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)采用的是布滿沙袋的模擬載重列車(chē)，這樣是為了更加真實(shí)的反映實(shí)際載客情況下的列車(chē)垂向振動(dòng)特性，如圖1所示。

1.2 列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的測(cè)點(diǎn)一共為4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

其中，測(cè)點(diǎn)1位于車(chē)輛向前運(yùn)行方向第二個(gè)車(chē)廂的Ⅰ位轉(zhuǎn)向架上方的車(chē)體地板上，見(jiàn)圖2中a 位置；測(cè)點(diǎn)2位于車(chē)輛向前運(yùn)行方向第二個(gè)車(chē)廂的Ⅱ位轉(zhuǎn)向架上方的車(chē)體地板上，見(jiàn)圖2中b 位置；測(cè)點(diǎn)3位于車(chē)輛向前運(yùn)行方向第三個(gè)車(chē)廂的Ⅰ位轉(zhuǎn)向架上方的車(chē)體地板上，見(jiàn)圖2中c 位置；測(cè)點(diǎn)4位于車(chē)輛向前運(yùn)行方向第三個(gè)車(chē)廂的Ⅱ位轉(zhuǎn)向架上方的車(chē)體地板上，見(jiàn)圖2中d位置。

1.3 測(cè)試速度

速度等級(jí)：列車(chē)運(yùn)行速度為80 km/h。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與相關(guān)規(guī)定

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用GB 5599—85鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范的各項(xiàng)要求，按平穩(wěn)性指標(biāo)值作為評(píng)定參考[6]。

運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)按式(1)計(jì)算：

(1)

其中，W為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動(dòng)加速度，g；f為振動(dòng)頻率，Hz；F(f)為頻率修正系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 頻率修正系數(shù)表

2.2 相關(guān)規(guī)定

依平穩(wěn)性指標(biāo)可以確定列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性的等級(jí)，各指標(biāo)與與之相對(duì)應(yīng)的評(píng)級(jí)見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)表

振動(dòng)加速度的測(cè)量、處理以及平穩(wěn)性指標(biāo)的計(jì)算和評(píng)定參照GB 5599—85鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范的方法進(jìn)行，車(chē)輛的平穩(wěn)性等級(jí)要達(dá)到1級(jí)，即平穩(wěn)性指標(biāo)W<2.5。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1 各區(qū)間列車(chē)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性

表3 80 km/h下列車(chē)各測(cè)點(diǎn)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)及評(píng)級(jí)

通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及評(píng)級(jí)，列車(chē)以80 km/h速度通過(guò)各區(qū)段時(shí)，車(chē)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)及評(píng)級(jí)見(jiàn)表3，圖3。

由表3,圖3可得，在全線所有區(qū)段，在列車(chē)速度為80 km/h下，各測(cè)點(diǎn)的列車(chē)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)均為優(yōu)，符合規(guī)范的要求，表明該條地鐵線路服役狀況良好，乘客乘坐具有較好的舒適性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)茶榴區(qū)間與榴下區(qū)間的列車(chē)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)要比其他區(qū)間大很多，究其原因，是因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)間減振要求高，鋪設(shè)有鋼彈簧浮置板軌道，而國(guó)內(nèi)外既有研究表明[7]，橡膠減振墊、鋼彈簧浮置板等隔振措施，是通過(guò)在軌道層狀結(jié)構(gòu)之間插入低剛度彈性元件，進(jìn)而起到阻隔部分振動(dòng)波由軌道結(jié)構(gòu)向下傳遞到軌下基礎(chǔ)及環(huán)境土體的作用，然而被阻隔的振動(dòng)波會(huì)反射到軌道板、鋼軌至車(chē)體上，故而相比其他區(qū)段，鋼彈簧浮置板軌道使茶榴區(qū)間與榴下區(qū)間被阻隔的振動(dòng)波更多地反射到了車(chē)體上，由此造成這兩個(gè)區(qū)段的列車(chē)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)要大于其他區(qū)段。

3.2 列車(chē)車(chē)體垂向振動(dòng)頻譜特性分析

為了了解列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)體垂向振動(dòng)的頻譜特性，特選擇兩個(gè)典型區(qū)間繪制其頻譜特性曲線進(jìn)行對(duì)比研究。兩個(gè)典型區(qū)間選擇茶榴區(qū)間與陳寮區(qū)間，這兩個(gè)區(qū)間分別對(duì)應(yīng)于隧道內(nèi)鋪設(shè)有減振軌道地段、隧道未鋪設(shè)減振軌道兩種工況，分析兩種工況下列車(chē)車(chē)體垂向振動(dòng)的頻譜特性。兩個(gè)工況的Z計(jì)權(quán)總振級(jí)(0 Hz～80 Hz)見(jiàn)表4，頻譜特性如圖4所示。

表4 Z計(jì)權(quán)總振級(jí)

從表4中可以看出，在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，相比普通道床軌道地段，4個(gè)測(cè)點(diǎn)Z計(jì)權(quán)后的車(chē)體垂向振動(dòng)總振級(jí)在減振軌道地段普遍放大3 dB，正如上文所述，這就是由于被減振軌道阻隔的振動(dòng)波又反射回軌道板，鋼軌及車(chē)體而造成。

由于車(chē)體振動(dòng)主要對(duì)人體的舒適性造成影響，故按照GB/T 13441—2007機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1部分 一般要求的要求[8]，本文主要關(guān)注0 Hz～80 Hz內(nèi)的車(chē)體振動(dòng)，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，地鐵列車(chē)車(chē)體垂向振動(dòng)主要集中在2 Hz及10 Hz附近，減振軌道地段的Z振級(jí)在1 Hz～4 Hz范圍內(nèi)要大于普通道床地段，其他頻段的Z振級(jí)差異不大。

4 結(jié)論

由以上分析，可得出以下結(jié)論：

1)在80 km/h速度下，該條線路隧道段全線列車(chē)垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)均為優(yōu)，符合規(guī)范的要求，表明該條地鐵線路服役狀況良好，乘客乘坐具有較好的舒適性；

2)在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，相比普通道床軌道地段，4個(gè)測(cè)點(diǎn)Z計(jì)權(quán)后的車(chē)體垂向振動(dòng)總振級(jí)在減振軌道地段普遍放大3 dB，這是由于被減振軌道阻隔的振動(dòng)波又反射回軌道板，鋼軌及車(chē)體而造成的振動(dòng)放大現(xiàn)象；

3)在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，地鐵列車(chē)車(chē)體垂向振動(dòng)主要集中在2 Hz及10 Hz附近，減振軌道地段的Z振級(jí)在1 Hz～4 Hz范圍內(nèi)要大于普通道床地段，其他頻段的Z振級(jí)差異不大。

參考文獻(xiàn):

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[8] GB/T 13441—2007，機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1部分 一般要求[S].