基于平穩(wěn)性的旅游軌道線路平面參數(shù)研究

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(西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710014)

0 引言

目前，我國旅游軌道所采用的線路主要為1 000 mm軌距線路。1 000 mm軌距旅游軌道的特點是投資低，運行有序安全可靠，對環(huán)境破壞小，與環(huán)境融合好，特別適合旅游觀光類運輸需求。其作為景區(qū)旅游交通體系可極好地串聯(lián)各個景點，同時解決景區(qū)日益嚴重的節(jié)假日交通擁堵問題，對提升景觀形象、提升景區(qū)通達、整合旅游資源、帶動周邊旅游等具有重要意義。隨著旅游經濟發(fā)展，必將形成新的旅游軌道交通產業(yè)鏈——勘察設計產業(yè)、設備研發(fā)制造產業(yè)、施工建設產業(yè)和運營服務產業(yè)等，成為帶動地方經濟增長的新引擎[1-2]。

旅游軌道目前已在國內旅游業(yè)中得到使用，并有加速發(fā)展之勢，很多管理部門、設計部門和技術研究單位在旅游軌道設計和運行管理中也積累了一定的經驗，但是目前國內尚缺乏可操作性的旅游軌道技術標準，用于指導旅游軌道的設計、建設和運行?？偨Y經驗，編制標準，對旅游軌道建設發(fā)展具有積極意義，也使旅游軌道建設全過程有一個技術標準進行控制，對保障旅游軌道建設質量、運行安全，以及主管部門有序監(jiān)督都具有重要意義。

1 線路參數(shù)和評價指標計算方法

1.1 圓曲線半徑

線路圓曲線半徑的設置，很多情況下是受所在地區(qū)自然條件的影響，而對于旅游軌道來說，曲線設置會更加頻繁，為了保護景區(qū)的自然環(huán)境，往往需要在線路上設置曲線。但是曲線的設置也需要滿足很多的條件，當曲線半徑設置較大時，車體運行平穩(wěn)性較好，但加大曲線半徑往往會耗費更多的工程造價。而曲線半徑設置較小時，不僅限制列車運行的速度，也給旅客的舒適性帶來很大的影響，因此，經濟合理地選擇曲線半徑是線路設計的一個重要課題。

1.1.1 外軌超高設計

(1)舒適性要求。列車在曲線上運行時會產生離心力，故需在外側鋼軌設置一定超高度，使車體產生向心力作用，以平衡離心力，防止車體向外側傾倒，保證列車運行的安全和平穩(wěn)[3-5]。根據陜西省旅游軌道交通米軌設計規(guī)范，要求該種軌距條件下，曲線地段的外軌超高應設在125～138 mm之間，當列車在該曲線超高情況下以速度為80 km/h和100 km/h的值運行時，產生的向心力基本可以平穩(wěn)離心力的影響，不會讓游客感到不適。

(2)安全性要求。當列車在曲線超高區(qū)段停車時，列車受到自身重力向內的傾斜分力，此時，當曲線外側受到的風力達到一定程度時，就有可能造成列車向曲線內側傾覆的風險。同理，當列車在曲線超高區(qū)段運行時，由于離心加速度和內側風力的作用，列車有向曲線外側傾覆的風險。

車體在線路上的傾覆力矩[6]

(1)

式中，A為車體側向面積;h為車體高度;ρ為空氣密度;CM為空氣動力學傾覆力矩系數(shù)。

根據旅游軌道車體的設計圖樣，在車體正向受到風力情況下，計算得出旅游軌道車體和車輛傾覆臨界風速的關系如表1所示。

表1 旅游軌道車體和車輛傾覆臨界風速的關系表

圖1 曲線上列車受力分析圖

1.1.2 車速與曲線半徑的關系

列車經過曲線地段的受力情況如圖1所示。

(2)

列車在曲線上運動時產生的向心力為

(3)

結合公式(2)、(3)得出列車在曲線上運行時車速與曲線半徑之間的關系為

(4)

根據旅游軌道交通設計規(guī)范，取L=1 000 mm，代入式(4)得

(5)

1.2 Sperling評價模型

1.2.1 評價原理

該評價方法規(guī)定的平穩(wěn)性指標用于評定車輛本身的運行品質和旅客乘坐的舒適度，并認為運行品質由車輛本身來衡量，而舒適度則還與乘客對振動環(huán)境的敏感度有關。平穩(wěn)性指標[5,7]

(6)

式中,a為列車加速度,其值為a=z0(2πf)2；z0為列車振蕩幅度;f為列車震蕩頻率;F(f)為頻率修正函數(shù)，對于橫向和豎向振動其值不同。

表2 橫向振動頻率與修正函數(shù)關系表

1.2.2 評價方法改進

將列車在運行過程類比為簡諧振動，其振動方程[8]為

x=Asin(wt+φ)

(7)

則列車在曲線半徑最大處的速度和加速度值可以表示為

v=Aw·cos(wt+φ)=2Aπf·cos(wt+φ)

(8)

a=-Aw2sin(wt+φ)=-4Aπ2f2sin(wt+φ)

(9)

結合式(8)、式(9)，根據列車在曲線上運動規(guī)律，得出列車在曲線上運動時的加速度、速度和列車振動頻率之間的關系為

(10)

Sperling平穩(wěn)性的評價原則是將反映沖動和反映振動動能兩項的乘積作為衡量標準來評定車輛運行品質，即

(11)

因此，通過簡諧振動的特點將Sperling評價方法改進成為速度和頻率對運行平穩(wěn)性影響的評價，即

(12)

式中，A為振幅;f為振動頻率;a為加速度。

2 運行舒適度對線路設計參數(shù)的影響分析

2.1 評價標準

車體振動加速度由機車車輛與軌道結構狀況決定,但從線路的幾何結構方面考慮，線路的平縱斷面情況，特別是列車通過平面曲線地段時因行車速度變化而產生的欠超高使得車輛產生未被平衡的橫向離心加速度，和通過變坡點處豎曲線時產生的垂向離心加速度，是影響舒適度的主要因素[1,9]。Sperling平穩(wěn)性指標W確定列車平穩(wěn)性等級見表3。

表3 Sperling平穩(wěn)性指標W確定列車平穩(wěn)性等級表

2.2 參數(shù)匹配

旅游軌道線路平面參數(shù)設計時選用曲線的半徑在有條件時應盡可能選用較大的值，這樣可以改善運營條件以及節(jié)省工程費用。最小圓曲線半徑與旅游軌道線路運行速度和運營模式有關，既要滿足游客乘坐的舒適度，又要滿足運行安全和工程費用等條件。

根據該旅游軌道交通設計規(guī)范，線路上運行的列車車速主要有兩種模式：80 km/h和100 km/h；在該種速度模式下行駛，曲線的最小半徑計算公式為[8]

(13)

圖2 曲線半徑和平穩(wěn)性之間的函數(shù)關系圖

根據式(13)計算出的最小曲線半徑推薦值如表4所示。

表4 最小曲線半徑推薦值表

曲線半徑和平穩(wěn)性之間的函數(shù)關系如圖2所示。

對上述最小曲線半徑進行擬取值并進行舒適度評價分析，得出不同設計速度條件下的不同工況下曲線半徑選取推薦值如表5所示。

表5 不同設計速度條件下的曲線半徑選取推薦值表

3 結論

受Sperling評價模型構建過程的啟發(fā)，認為旅游軌道列車在曲線上的運動類似為簡諧振動，在列車不考慮自身彈性振動的情況下，將列車在曲線上運動時的最大速度和曲線半徑與列車振動頻率之間的關系進行公式化，通過對該項目旅游軌道交通線路在設計速度情況下的曲線半徑進行振動平穩(wěn)性評價，得出結論如下：

(1)在運行速度為80 km/h的線路上，在地面條件允許時，曲線半徑R可設置大于410 m的值，此時的平穩(wěn)性值為0.92，列車在經過該曲線時平穩(wěn)性非常好；當?shù)孛鏃l件有限制時，線路曲線半徑可選擇370～410 m之間，此時列車在曲線上的平穩(wěn)性仍然為“優(yōu)”，但是平穩(wěn)性值在急劇增大；在地面條件較困難時，線路曲線半徑也可選擇330～370 m，此時的平穩(wěn)性值為2.67，列車在經過該曲線時平穩(wěn)性較好，仍能滿足列車安全性的設計要求，但是由于該列車的服務對象為游客，舒適性要求較高，一般不建議采用。

(2)在運行速度為100 km/h的線路上，在地面條件允許時，曲線半徑R宜設大于230 m的值，此時的平穩(wěn)性值為1.23；當?shù)孛鏃l件有限制時，線路曲線半徑可選擇230～215 m之間；在地面條件較困難時，線路曲線半徑也可選擇215～190 m，此時的平穩(wěn)性值為2.89，雖不影響列車運行安全，但考慮游客舒適性問題，一般不建議采用。