探討地鐵車輛在軌道不平順狀態(tài)下的運行性能

【摘要】地鐵車輛在軌道不平順的狀態(tài)下會在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動、搖擺等不良響應(yīng)，在以直線感應(yīng)電機(jī)為驅(qū)動電機(jī)的地鐵車輛架構(gòu)之中，途徑線路的隨意型不平順、高低不平順、交點及隆起不平順等狀態(tài)，會造成地鐵車輛的動力性能發(fā)生較大的改變，大幅降低地鐵車輛的運行穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】地鐵車輛；軌道；不平順；運行性能

一、直線電機(jī)地鐵車輛及軌道不平順概述

直線電機(jī)地鐵車輛以扁平結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電機(jī)為驅(qū)動，其轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)采用架懸掛式、軸懸式和副構(gòu)架式，它們表現(xiàn)出不同的特性，各有利弊。總體來說，直線電機(jī)地鐵車輛的優(yōu)勢性能體現(xiàn)于以下方面：（1）良好的動力性能。直線電機(jī)地鐵車輛以直線感應(yīng)電動機(jī)為牽引驅(qū)動，輪軌與電機(jī)間的垂向間隙處于1.0-1.2cm時可以較好地保證地鐵車輛的平穩(wěn)運行。（2）實現(xiàn)徑向轉(zhuǎn)向架。直線電機(jī)地鐵車輛通過柔性定位的方式，縮減轉(zhuǎn)向架的軸距，降低徑向轉(zhuǎn)向架的橫向剛度，增強(qiáng)地鐵車輛的曲線通過能力，確保地鐵車輛運行的穩(wěn)定性。（3）降低振動及噪聲干擾。直線電機(jī)地鐵車輛中沒有齒輪箱，有效減少和降低過曲線時輪軌的齒合振動及噪音。（4）良好穩(wěn)定的運行適應(yīng)性。直線電機(jī)地鐵車輛采用非粘著驅(qū)動方式，以直線電機(jī)替代旋轉(zhuǎn)電機(jī)，能夠良好地適應(yīng)爬坡、加減速、曲線通過等不同狀態(tài)，具有極高的線路自由選擇度，體現(xiàn)出良好的運行適應(yīng)性。

軌道不平順主要是鋼軌與軌道板在縱橫方向的振動變形狀態(tài)，如：垂直方向的位移、彎曲、翹曲等變形。其中：（1）軌道垂向不平順由軌面磨耗不均勻、接頭不平、路基及道床彈性不均而生成，引發(fā)地鐵車輛的垂向振動。（2）軌道水平不平順。這是由車輛左右兩軌的高差而引發(fā)的，導(dǎo)致地鐵車輛出現(xiàn)側(cè)滾的問題。（3）軌道方向不平順。軌道鋪設(shè)時的初始彎曲、養(yǎng)護(hù)使用的累積彎曲會導(dǎo)致軌道方向的不平順，引發(fā)地鐵車輛出現(xiàn)橫向搖擺或側(cè)滾振動。（4）軌距不平順。這是由左右兩軌的方向不平順而導(dǎo)致的，極大地影響了輪軌磨耗和運行穩(wěn)定性。

二、地鐵車輛在軌道不平順狀態(tài)下的運行性能分析

（一）地鐵車輛的動力學(xué)參數(shù)分析

直線電機(jī)地鐵車輛轉(zhuǎn)向架在傳統(tǒng)軸箱軸承之中，新增兩個軸承及箱體，實現(xiàn)直線電機(jī)的縱橫向定位以及電機(jī)相對輪對應(yīng)的垂向定位。其動力模型的主要內(nèi)容包括以下方面：（1）軸箱定位。直線電機(jī)地鐵車輛軸箱兩側(cè)有一個橡膠金屬件，用于保證輪對的縱橫向定位剛度和垂向支承剛度。同時，在軸箱的正上方還有一個用于支承直線電機(jī)的均衡梁。（2）直線電機(jī)的懸掛定位。地鐵車輛的直線電機(jī)與架構(gòu)之間設(shè)置具有一定長度的橫向牽引支承桿，懸吊于轉(zhuǎn)向架的前后兩根均衡梁上。（3）地鐵車輛的磁軌關(guān)系。直根據(jù)地鐵車輛承受直線電機(jī)作用力的不同，會產(chǎn)生不同的磁軌關(guān)系，直線電機(jī)與反力板之間會生成牽引力、垂向力和橫向力，其垂向電磁力并非處于均布荷載狀態(tài)，當(dāng)磁軌氣隙發(fā)生變化時會發(fā)生變化，一般來說，直線電機(jī)與反力板之間的垂向電磁力與磁軌氣隙成反比例關(guān)系，可以通過二次曲線進(jìn)行擬和，獲取相關(guān)函數(shù)。（4）地鐵車輛的輪軌關(guān)系。地鐵車輛子系統(tǒng)與軌道子系統(tǒng)在幾何相容條件和力平衡條件下進(jìn)行耦合，在充分考慮鋼軌的垂向和橫向位移的條件下，利用迭代計算法獲取輪軌空間接觸幾何關(guān)系。

（二）地鐵車輛在軌道局部不平順狀態(tài)下的運行性能分析

1.隨機(jī)不平順狀態(tài)下的車輛運行性能分析

軌道隨機(jī)不平順狀態(tài)下的地鐵車輛會產(chǎn)生振動響應(yīng)，并主要表現(xiàn)為車輪和軌道共同變形的耦合振動現(xiàn)象。當(dāng)車輪與軌道共同變形的耦合振動處于中頻段的不平順狀態(tài)時，會產(chǎn)生極大的輪軌垂向力；當(dāng)車輪與軌道共同變形的耦合振動處于低頻段的不平順狀態(tài)時，會產(chǎn)生極大的輪軌橫向力。

2.高低不平順狀態(tài)下的車輛運行性能分析

當(dāng)?shù)罔F車輛運行速度為90km/h、幅值低于1.0cm的條件下，車輛垂向振動加速度、輪軌垂向力都會發(fā)生較大的改變，并在不平順幅值增大的條件下相應(yīng)增大。

3.交點及隆起不平順狀態(tài)下的車輛運行性能分析

交點型軌道局部不平順、隆起型不平順對地鐵車輛帶來極大的輪軌橫向力的瞬時響應(yīng)，當(dāng)?shù)罔F車輛以50-80km/h的運行速度時，交點型軌道、隆起型軌道局部不平順尖峰附近的輪軌橫向力、垂向力最大。同時，在交點不平順、隆起型軌道局部不平順的狀態(tài)下，隨著地鐵車輛運行速度的增大，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向振動加速度、垂向振動加速度也越大。

三、結(jié)語

綜上所述，地鐵車輛在軌道不平順的狀態(tài)下獲得車輛振動的外部激勵，引發(fā)地鐵車輛強(qiáng)烈的瞬時振動和響應(yīng)，要全面分析和把握地鐵車輛的動力學(xué)相關(guān)模型和參數(shù)，獲悉軌道局部不平順狀態(tài)下的運行響應(yīng)特性，分析地鐵車輛在速度逐漸增大條件下的動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)及運行性能。未來還要著眼于對其他不同的局部軌道不平順現(xiàn)象進(jìn)行分析，并將研究視角拓寬到軌道不平順對地鐵車輛的敏感頻率、不利波長的影響，充分考慮直線電機(jī)法向力、啟動牽引及制動工況下的運行動力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

[1]白雪.踏面形狀對地鐵車輛動力學(xué)性能及輪軌磨耗影響研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[2]邱國棟.基于軌道隨機(jī)不平順的列車振動響應(yīng)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

作者簡介：張東輝（1989.02—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科，研究方向：地鐵生產(chǎn)制造。