基于輪軌動(dòng)態(tài)測(cè)試的地鐵列車運(yùn)行平穩(wěn)性異常問題分析*

王 進(jìn) 李克飛 吳宗臻 王文斌

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，100068,北京；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100068,北京；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，100081,北京//第一作者,高級(jí)工程師)

近年來，多個(gè)城市地鐵線路開通運(yùn)營后出現(xiàn)列車晃動(dòng)及軌道病害等問題[1-3]，地鐵運(yùn)營舒適性逐漸成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。以往的地鐵軌道工程驗(yàn)收以靜態(tài)驗(yàn)收為主，缺乏針對(duì)輪軌關(guān)系的相關(guān)動(dòng)態(tài)測(cè)試工作。隨著乘客對(duì)列車運(yùn)行舒適性要求的日益提升，借鑒高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試[4-7]，北京地鐵率先開展了輪軌動(dòng)態(tài)綜合檢測(cè)工作，為既有線輪軌病害診治提供數(shù)據(jù)支持，為新建線路安全、舒適開通運(yùn)營提供技術(shù)保障。

2019年初，交通運(yùn)輸部辦公廳印發(fā)的《城市軌道交通初期運(yùn)營前安全評(píng)估技術(shù)規(guī)范 第1部分：地鐵和輕軌》[8]，要求對(duì)城市軌道交通開展關(guān)于輪軌、弓網(wǎng)關(guān)系的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試，確定各系統(tǒng)之間的協(xié)同工作性能，以保障新建線路運(yùn)營的安全性和舒適性。

某新建地鐵線路試運(yùn)行階段開展了輪軌、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)綜合測(cè)試工作，發(fā)現(xiàn)列車在某些區(qū)段存在平穩(wěn)性異常問題。通過輪軌動(dòng)態(tài)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等方式對(duì)列車平穩(wěn)性問題進(jìn)行分析，確定軌向異常是導(dǎo)致列車平穩(wěn)性異常的原因，并對(duì)軌向進(jìn)行針對(duì)性精調(diào)及整治。結(jié)果表明，列車運(yùn)行平穩(wěn)性復(fù)測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本文系統(tǒng)闡述了列車平穩(wěn)性異常問題發(fā)現(xiàn)、治理和驗(yàn)證的過程，同時(shí)也說明了地鐵新線開通前開展輪軌動(dòng)態(tài)測(cè)試的必要性。

1 列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響因素

車輛、線路及軌道等因素對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性均存在一定的影響。某運(yùn)營線路地鐵列車平穩(wěn)性存在異常，結(jié)合列車運(yùn)行平穩(wěn)性綜合分析曲線(見圖1)可以看出,道岔區(qū)、出入曲線段、軌道類型過渡段等位置，列車平穩(wěn)性均存在突變。

圖1 列車運(yùn)行平穩(wěn)性綜合分析示意圖

此外，列車速度、車輛狀態(tài)、軌道不平順等因素對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性也存在一定的影響[9-10]。

2 列車運(yùn)行平穩(wěn)性異常問題分析及整治

某新建地鐵線路試運(yùn)行階段開展了輪軌、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)綜合測(cè)試工作，發(fā)現(xiàn)列車在某些區(qū)段存在平穩(wěn)性異常問題。本文系統(tǒng)闡述了列車運(yùn)行平穩(wěn)性異常問題發(fā)現(xiàn)、治理和驗(yàn)證的過程。

2.1 列車運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

地鐵列車運(yùn)行平穩(wěn)性的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照GB 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[11]執(zhí)行。在Tc(帶司機(jī)室的拖車)和Mp(有受電弓的動(dòng)力車)相應(yīng)的測(cè)試位置安裝振動(dòng)加速度傳感器，布置示意如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖3所示。

圖2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試測(cè)點(diǎn)位置

地鐵列車運(yùn)行平穩(wěn)性基于Sperling的平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

W——平穩(wěn)性指標(biāo)；

A——振動(dòng)加速度，以重力加速度g為單位；

f——振動(dòng)頻率，Hz；

F(f)——頻率修正系數(shù)。

圖3 車體平穩(wěn)性測(cè)點(diǎn)傳感器安裝圖

依據(jù)GB 5599—1985規(guī)定的方法，采用20 s數(shù)據(jù)通過頻譜平均得出的W來確定車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的等級(jí)，如表1所示。其中，垂向和橫向平穩(wěn)性采取相同的評(píng)定等級(jí)。

表1 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)

2.2 列車運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試分析

列車在ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)(最高運(yùn)行速度為100 km/h)模式下的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)，詳見表2。由表2可知，區(qū)間3中Tc車及Mp車的一位及二位橫向平穩(wěn)性指標(biāo)較大，最大值達(dá)到3.26，超出GB 5599—1985規(guī)定的合格要求，列車平穩(wěn)性出現(xiàn)異常。

表2 各區(qū)間W最大值

針對(duì)區(qū)間3車輛運(yùn)行中W超限問題，為了將W與行車速度及線路里程位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行2 s時(shí)間計(jì)權(quán)的平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，地鐵列車在區(qū)間3運(yùn)行時(shí)，在K5+730—K5+870和K5+450—K5+630里程范圍，Tc車一位端及二位端橫向平穩(wěn)性存在兩個(gè)較為明顯的峰值。

這兩個(gè)平穩(wěn)性峰值區(qū)段對(duì)應(yīng)的軌道形式和線路情況，如表3所示。

圖4 區(qū)間3列車運(yùn)行平穩(wěn)性曲線

表3 區(qū)間3平穩(wěn)性峰值處的線路信息

2.3 軌道幾何狀態(tài)調(diào)查及整改

針對(duì)地鐵列車ATO運(yùn)行模式下部分區(qū)段車輛運(yùn)行平穩(wěn)性異常的問題，對(duì)該區(qū)間軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行了進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。通過目視光帶發(fā)現(xiàn)光帶存在一定的異常，對(duì)異常區(qū)段進(jìn)行10 m弦長和20 m弦長的軌向不平順進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)超限里程處存在軌向不平順異常。測(cè)量結(jié)果表明，K5+730—K5+870直線區(qū)段的10 m弦長測(cè)量軌向不平順偏差值為5.5 mm，K5+450—K5+630曲線區(qū)段的20 m弦長測(cè)量軌向不平順偏差值為4.9 mm。

TB 10413—2018《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[12]規(guī)定，直線區(qū)段軌向不平順允許偏差為10 m弦長測(cè)量下的4 mm，R≤1 600 m曲線段軌向不平順允許偏差為20 m弦長測(cè)量下的4 mm。由此可知，車輛平穩(wěn)性異常區(qū)段的軌向不平順偏差值均超出了標(biāo)準(zhǔn)限值。

針對(duì)軌向不平順超標(biāo)的問題，對(duì)該區(qū)段軌向進(jìn)行了精調(diào)，精調(diào)后K5+730—K5+870直線區(qū)段的10 m弦長測(cè)量軌向不平順偏差值降低為3.4 mm，K5+450—K5+630曲線區(qū)段的20 m弦長測(cè)量軌向不平順偏差值為3.6 mm。

2.4 列車平穩(wěn)性復(fù)測(cè)

對(duì)軌向不平順進(jìn)行整改后，進(jìn)行ATO(列車最高運(yùn)行速度為100 km/h)運(yùn)行模式下的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性復(fù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，區(qū)間3內(nèi)列車運(yùn)行平穩(wěn)性均已滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，對(duì)車輛平穩(wěn)性進(jìn)行2 s計(jì)權(quán)分析，詳見圖5。通過對(duì)比可以看出，平穩(wěn)性異常區(qū)段K5+730—K5+870和K5+450—K5+630處的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)明顯降低。

圖5 整治后區(qū)間3列車運(yùn)行平穩(wěn)性曲線

綜合以上針對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性異常問題發(fā)現(xiàn)、治理和驗(yàn)證的過程，可以得出此區(qū)段車輛平穩(wěn)性異常的原因是軌向不平順。

由此可以看出，針對(duì)與行車直接相關(guān)的軌道、車輛等系統(tǒng)的功能或性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)綜合測(cè)試工作，可及早發(fā)現(xiàn)輪軌關(guān)系方面所存在匹配不良的問題，從而彌補(bǔ)靜態(tài)驗(yàn)收的不足，保證輪軌更合理地匹配。

3 結(jié)語

在某新建地鐵線路試運(yùn)行階段開展的輪軌動(dòng)態(tài)綜合測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)列車在某些區(qū)段存在平穩(wěn)性異常問題。通過輪軌動(dòng)態(tài)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等方式對(duì)列車平穩(wěn)性問題進(jìn)行分析，確定軌向異常是導(dǎo)致列車平穩(wěn)性異常的原因，并對(duì)軌向進(jìn)行針對(duì)性精調(diào)及整治，結(jié)果表明列車運(yùn)行平穩(wěn)性復(fù)測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本文對(duì)列車平穩(wěn)性異常問題發(fā)現(xiàn)、治理、驗(yàn)證的過程進(jìn)行了總結(jié)。

以往的工程驗(yàn)收以靜態(tài)驗(yàn)收為主，缺乏針對(duì)輪軌關(guān)系的相關(guān)動(dòng)態(tài)測(cè)試工作。隨著乘客對(duì)列車運(yùn)行舒適性要求的日益提升，通過對(duì)與行車直接相關(guān)的軌道、車輛等系統(tǒng)的功能或性能進(jìn)行的輪軌動(dòng)態(tài)綜合測(cè)試，可及早發(fā)現(xiàn)輪軌關(guān)系方面所存在的系統(tǒng)缺陷或匹配狀態(tài)不良等問題，為整改提供充分的時(shí)間，保證輪軌系統(tǒng)最終符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，最終測(cè)試數(shù)據(jù)也可直接為地鐵列車初期運(yùn)營前的安全評(píng)估提供依據(jù)。