懸掛式單軌列車與軌道梁橋系統(tǒng)動力性能試驗研究

何慶烈，蔡成標(biāo)，翟婉明，朱勝陽，王明昃

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

面對我國大城市日益嚴(yán)峻的地面交通擁堵問題，大力發(fā)展城市軌道交通是緩解城市擁堵的最有效的手段[1-2]。相比傳統(tǒng)的地鐵、輕軌等軌道交通形式，懸掛式單軌交通系統(tǒng)能滿足短距離和中小客流量的運(yùn)輸任務(wù)，并且具有爬坡能力強(qiáng)、曲線通過半徑小、低成本、低噪聲、建設(shè)周期短、占地面積少等優(yōu)點。因此，懸掛式單軌交通系統(tǒng)不僅能作為大城市軌道交通的一個補(bǔ)充，也與地鐵、輕軌、汽車等交通工具共同構(gòu)建成為地下、地面、空中的立體化交通網(wǎng)絡(luò)。

列車與橋梁動力相互作用問題日益受到重視，一方面列車對橋梁會產(chǎn)生動力沖擊作用，直接影響橋梁的工作狀態(tài)和疲勞損傷，另一方面橋梁振動會對車輛運(yùn)行安全性和舒適性產(chǎn)生影響。因此，橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)和車輛動力設(shè)計參數(shù)匹配與否直接影響車橋動力相互作用。當(dāng)前，國內(nèi)外在研究車橋耦合振動特性時，均采用理論分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法[3-6]。與傳統(tǒng)鐵路輪軌交通系統(tǒng)相比，懸掛式單軌交通車輛和軌道梁橋均為新型結(jié)構(gòu)體系，其輪軌關(guān)系完全不同，鋪設(shè)線路條件及列車運(yùn)動狀態(tài)控制也有較大差別。國內(nèi)外學(xué)者對懸掛式單軌系統(tǒng)及其車橋動力學(xué)問題展開了研究工作。文獻(xiàn)[7]綜述了德國多特蒙德空軌系統(tǒng)的組成、運(yùn)行方式和主要特點。文獻(xiàn)[8-9]建立了懸掛式單軌車輛的4自由度模型，通過頻響分析和數(shù)值仿真研究了車體在直線上受到周期性軌道激勵下的動態(tài)響應(yīng)，研究認(rèn)為當(dāng)激勵頻率高于系統(tǒng)固有頻率時抗橫擺阻尼采用無阻尼方式更優(yōu)。文獻(xiàn)[10-11]簡述了懸掛式單軌的發(fā)展歷程，總結(jié)懸掛式單軌車的技術(shù)特點，并對比跨坐式單軌，分析了懸掛式單軌的優(yōu)缺點，展望了懸掛式單軌交通在我國的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[12-13]分別借鑒德國杜塞爾多夫機(jī)場線及日本千葉線懸掛式單軌系統(tǒng)車輛、軌道梁橋的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)參數(shù)，參考我國城市軌道交通、鐵路橋梁及橋梁鋼結(jié)構(gòu)等設(shè)計規(guī)范，嘗試設(shè)計了懸掛式單軌軌道梁橋截面結(jié)構(gòu)，并提出了軌道梁橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[14-15]基于ADAMS軟件從車輛通過直線型軌道梁橋和曲線型軌道梁橋兩個方面，分析了側(cè)風(fēng)對懸掛式單軌車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的影響，并制定了側(cè)風(fēng)情況下車輛運(yùn)行規(guī)則。文獻(xiàn)[16-17]對懸掛單軌交通限界計算方法進(jìn)行了研究，分別以偏移量方法和動力學(xué)仿真方法對懸掛式單軌交通和車輛限界進(jìn)行了計算分析。文獻(xiàn)[18]以日本千葉線為參考建立了懸掛式單軌橋梁模型，利用有限元軟件ANSYS獲取橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、模態(tài)及外形等信息，并將橋梁有限元模型導(dǎo)入到多體動力學(xué)軟件SIMPACK中，實現(xiàn)了車橋聯(lián)合動力仿真分析，研究了行車速度、軌道不平順和列車編組等因素對車輛和橋梁動力響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[19-23]基于傳統(tǒng)多剛體動力學(xué)軟件，建立了懸掛式單軌列車動力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了懸掛式單軌列車系統(tǒng)的動力特性，同時揭示了車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、懸掛參數(shù)、超高以及導(dǎo)向輪預(yù)壓力等重要參數(shù)對列車運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性和舒適性的影響規(guī)律。

目前國內(nèi)對懸掛式單軌交通系統(tǒng)以理論研究為主，且均為跟蹤研究，即以德國或日本的車輛及軌道梁橋為原型開展研究工作，由于沒有實際線路和運(yùn)營車輛，理論研究成果無法得到試驗驗證。為了掌握懸掛式單軌系統(tǒng)的動力性能，并為懸掛式單軌列車和軌道梁橋的科學(xué)設(shè)計、運(yùn)營管理、養(yǎng)護(hù)維修以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，西南交通大學(xué)與中唐空鐵集團(tuán)有限公司合作，在懸掛式單軌試驗線進(jìn)行了行車動力學(xué)試驗研究。

1 試驗線概況

懸掛式單軌試驗線由中唐空鐵集團(tuán)有限公司投資興建。線路采用U形布置，設(shè)車站一座，道岔1處，靜調(diào)庫1處，出入庫線通過道岔與正線連接。試驗線全長1.41 km，軌道梁和橋墩均采用鋼結(jié)構(gòu)，單線橋墩為倒L形，雙線橋墩為Y形，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。試驗線最小曲線半徑30 m，最大坡度60‰，最高運(yùn)行速度60 km/h。在試驗線上可以完成列車加減速、小曲線通過性能、爬坡能力、過岔能力、應(yīng)急救援等試驗，并且試驗線技術(shù)指標(biāo)完全適用于以后的實際商業(yè)運(yùn)營線。圖1為試驗線場址，其橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨距為25 m，軌道梁橫截面尺寸為0.780 m×1.100 m，軌道梁加強(qiáng)筋間距為1.6 m，橋墩高度為10.8 m。

圖1 懸掛式單軌試驗線

2 測試方法和測點布置

現(xiàn)場動力試驗包括橋梁自振特性的測試和列車在不同速度運(yùn)行條件下的車橋動力測試。

2.1 橋梁模態(tài)測試

橋梁自振特性采用德國m+p國際公司VibRunner數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行測試。其具體測試方式為，沿橋梁縱向布置好信號采集點和激振點，采用錘擊法給橋梁提供外界激勵，通過各激振點位置和信號采集點位置的傳遞函數(shù)，最終得到橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等參數(shù)。

2.2 橋梁動力測試

橋梁的動力測試主要包括橋梁位移和振動加速度。圖2為試驗梁跨的測點布置位置，其動態(tài)位移和加速度測試點均布置于墩頂截面和橋梁跨中截面。其中橋梁位移測試采用免標(biāo)靶橋梁撓度儀，該撓度儀是一個非接觸式測量撓度的電子設(shè)備，裝備有一個高清攝像機(jī)來捕捉測試目標(biāo)點的實時動態(tài)位移，該測試裝置可以單點或多點同時測量，并且可同時測試目標(biāo)點垂向和橫向的動態(tài)位移。試驗梁跨動態(tài)位移目標(biāo)點分別設(shè)置在墩頂位置和橋梁跨中截面外表面，在正常測試工況下，橋梁動態(tài)位移精確度可達(dá)0.02 mm，最高采樣頻率為117 Hz。橋梁加速度測點布置于墩頂上表面和跨中走行軌面下表面，加速度測量采用美國DYTRAN公司的3273A2型三向加速度傳感器，可同時測試測點垂向、橫向以及縱向的振動加速度信號，其量程為50g，靈敏度為105 mV/g。

圖2 橋梁測點布置(單位：mm)

2.3 車輛振動測試

試驗列車為中車南京浦鎮(zhèn)有限公司自行設(shè)計研發(fā)的基于鋰電池驅(qū)動的懸掛式單軌列車。列車采用兩節(jié)車編組形式(2節(jié)均為動車)，在單節(jié)車輛中，兩個轉(zhuǎn)向架之間安裝有一輛電池小車為列車提供動力，運(yùn)行最高速度60 km/h，其主要參數(shù)見表1。在橋梁動力測試中，列車運(yùn)行速度范圍為0～60 km/h，列車工況分別為空車和超載兩種工況。

表1 試驗列車主要技術(shù)參數(shù)

車輛垂向和橫向振動加速度測量采用三向加速度傳感器，并參照鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范[24]，測點布置于車體兩側(cè)地板面上，距轉(zhuǎn)向架中心1 m。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 橋梁自振特性

為了研究懸掛式單軌橋梁的自振特性，基于有限元ANSYS軟件，建立橋梁有限元模型，通過模態(tài)分析，得到橋梁垂向和橫向的前2階自振頻率，并利用實測結(jié)果進(jìn)行了驗證。鑒于懸掛式單軌橋梁由鋼板焊接而成，有限元模型中采用SHELL181殼單元模擬橋梁，軌道梁與橋墩間采用簡支約束，橋墩底部固定約束。圖3～圖6僅給出了橋梁的垂向一階和橫向一階振型的計算結(jié)果和實測結(jié)果，軌道梁前兩階模態(tài)的具體計算結(jié)果見表2。

圖3 橋梁垂向一階模態(tài)仿真結(jié)果

圖4 橋梁橫向一階模態(tài)仿真結(jié)果

圖5 橋梁垂向一階模態(tài)振型實測結(jié)果

圖6 橋梁橫向一階模態(tài)振型

模態(tài)振型計算值/Hz實測值/Hz阻尼比實測值箱梁垂向一階彎曲5.365.600.017箱梁橫向一階彎曲2.332.270.020箱梁垂向二階彎曲14.8815.19—箱梁橫向二階彎曲9.269.55—橋墩縱向一階彎曲2.88——橋墩橫向一階彎曲3.60——

由表2可知，橋梁垂向和橫向一階自振頻率的實測值分別為5.60和2.27 Hz，橋梁前兩階自振頻率計算值與實測值基本相符，由于軌道梁下部開口，其橫向基頻小于傳統(tǒng)鐵路橋梁檢定規(guī)范通用限值。實測橋跨結(jié)構(gòu)垂向和橫向一階阻尼比為0.017和0.020，基本符合鋼橋結(jié)構(gòu)實際情況。

3.2 橋梁動力響應(yīng)

3.2.1 橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)位移

圖7、圖8給出了列車空載并以速度50 km/h通過橋梁時，跨中和墩頂?shù)拇瓜蚺c橫向動態(tài)位移的時程曲線。

圖7 橋梁跨中動態(tài)位移時程曲線

圖8 墩頂動態(tài)位移時程曲線

為了進(jìn)一步揭示行車速度對橋梁動態(tài)位移的影響，測試列車空載并以不同速度通過橋梁時，橋梁的動態(tài)位移隨行車速度變化規(guī)律，結(jié)果如圖9、圖10所示。此外，將列車超載并以不同速度通過橋梁時的橋梁位移測試結(jié)果匯總于表3。

圖9 橋梁跨中位移與車速關(guān)系

圖10 墩頂位移與車速關(guān)系

速度/(km·h-1)橋梁位移橋梁加速度跨中位移/mm墩頂位移/mm垂向橫向垂向橫向沖擊系數(shù)跨中加速度/g墩頂加速度/g垂向橫向垂向橫向1026.517.714.728.61.040.0750.0300.0630.0472026.617.514.729.31.040.0980.0370.0460.0523026.317.615.130.11.030.1450.0780.0730.0774027.617.215.329.61.080.1780.0960.0820.0815027.217.915.629.91.070.1900.0910.1430.101

由圖9、圖10和表3可知，隨著行車速度的增加，橋梁跨中和墩頂?shù)膭討B(tài)位移變化不明顯，表明列車對橋梁的動力沖擊作用受速度影響較小。列車超載工況下的橋梁動態(tài)位移也有類似規(guī)律。

此外，各種工況下，橋梁跨中截面最大垂向位移和橫向位移幅值分別為27.6和17.9 mm，橋墩最大垂向位移和橫向位移幅值分別為15.6 mm和30.1mm。經(jīng)計算分析可知，所有測試工況下，橋梁結(jié)構(gòu)撓跨比小于1/1 100，動力沖擊系數(shù)小于1.10，橋梁梁端最大豎向和水平轉(zhuǎn)角分別約1.8‰和1‰。以上動力指標(biāo)均滿足鐵路橋梁檢定規(guī)范相關(guān)限值要求[25]，表明試驗線橋梁具有足夠的垂向剛度。橋梁墩頂橫向位移明顯大于其垂向位移，這可能是由于橋墩高度較高，且為空心截面，導(dǎo)致其橫向彎曲較大。此外，懸掛式單軌列車對橋梁的動力沖擊系數(shù)較小，這可能是由于空載列車行車速度相對較低，并且采用橡膠輪走行，從而降低了對橋梁的動力沖擊。

3.2.2 橋梁振動加速度

圖11～圖13給出了列車空載以50 km/h速度通過橋梁時，橋梁跨中振動加速度時程曲線以及空載列車以不同速度通過軌道梁時的橋梁跨中加速度測試結(jié)果。另外，將超載列車作用下的橋梁加速度測試結(jié)果列于表3中。

圖11 橋梁跨中垂向加速度

圖12 橋梁跨中橫向加速度

圖13 橋梁跨中加速度與車速關(guān)系

由圖11～圖13和表3可知，橋梁跨中垂向和橫向加速度均隨著行車速度增加而逐漸增大。此外，除個別行車速度外，列車在超載工況下的橋梁跨中垂向加速度和橫向加速度較列車空載工況下大，表明超載列車對橋梁的動力作用更大。在所有測試工況中，橋梁跨中最大垂向和橫向加速度分別為0.19g和0.11g，滿足文獻(xiàn)[25]相關(guān)限值，表明試驗線橋梁動力性能滿足行車要求。

3.3 車輛振動加速度

列車空載以40 km/h通過直線橋梁時，列車垂向和橫向加速度時程曲線如圖14、圖15所示。

圖14 車體垂向加速度時程曲線

圖15 車體橫向加速度時程曲線

為了分析車速對車體振動特性的影響，圖16、圖17分別給出了車體振動加速度和Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)隨行車速度的變化規(guī)律。各工況具體測試結(jié)果見表4。

圖16 車體振動加速度與車速關(guān)系

圖17 車體平穩(wěn)性指標(biāo)隨行車速度變化規(guī)律

運(yùn)行速度/(km·h-1)車體振動加速度/g垂向橫向Sperling指標(biāo)垂向橫向100.0410.0381.351.48200.0820.0761.812.10300.1120.1002.012.25400.1410.1312.122.30500.1820.1442.302.48600.2000.1782.702.74

由圖16可知，車體垂向加速度和橫向加速均隨著行車速度的增加而增大，在列車60 km/h時車體垂向和橫向加速度達(dá)到最大值，分別為0.200g和0.178g。

由圖17可知，列車垂向平穩(wěn)性和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均隨著行車速度的增加而增大，表明列車平穩(wěn)性隨著車速增加而逐漸降低。在每個速度工況下，懸掛式單軌列車橫向平穩(wěn)性較垂向平穩(wěn)性差，這可能是由懸掛式單軌列車系統(tǒng)特殊的結(jié)構(gòu)形式造成的。

由表4可知，當(dāng)列車速度為60 km/h時，車體垂向和橫向平穩(wěn)性Sperling指標(biāo)最大值分別為2.70和2.74，兩者均小于2.75；當(dāng)列車速度在0～50 km/h范圍運(yùn)行時，列車垂向和橫向平穩(wěn)性Sperling指標(biāo)均小于2.5。結(jié)果表明，懸掛式單軌列車運(yùn)行平穩(wěn)性優(yōu)良。

4 結(jié)論

針對我國第一條懸掛式單軌交通試驗線進(jìn)行不同工況的行車動力學(xué)試驗，得到以下結(jié)論：

(1)試驗線軌道梁橋垂向和橫向一階自振頻率分別為5.60、2.27 Hz，滿足行車對橋梁的剛度要求。

(2)軌道梁橋垂、橫動態(tài)位移隨著行車速度的增加而無明顯變化，表明列車動載荷對橋梁結(jié)構(gòu)的動力沖擊作用受車速影響較小。在所有測試工況中，軌道梁橋動力沖擊系數(shù)小于1.1，撓跨比小于1/1 100，梁端垂向和橫向轉(zhuǎn)角分別小于1.8‰和1‰。

(3)軌道梁橋振動加速度有隨著車速增加而逐漸增大的趨勢，其中軌道梁橋跨中垂向和橫向加速度最大值分別為0.19g和0.11g，滿足鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范限制要求。

(4)列車速度在0～50 km/h時，列車垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，列車速度為60 km/h時，列車垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.75，表明運(yùn)行列車具有優(yōu)良的平穩(wěn)性。

懸掛式單軌交通試驗線開展行車動力學(xué)試驗在國內(nèi)尚屬首次，動力性能試驗評定缺乏相關(guān)規(guī)范，本文研究成果可為懸掛式單軌系統(tǒng)研究提供一定的參考。并有利于進(jìn)一步在國內(nèi)推廣應(yīng)用該交通制式。