地鐵小半徑曲線對軌道狀態(tài)及車體振動影響研究

吳晨愷　程志全

摘 要：地鐵小半徑曲線與車體振動、舒適度及軌道狀態(tài)關(guān)系密切，文章通過對廣州地鐵各曲線進行長期試驗研究，分析小半徑曲線與軌道狀態(tài)、車體振動、行車舒適度的關(guān)系以及演變規(guī)律。研究結(jié)果表明，車輛通過小半徑曲線時，行車速度越大，車體橫向加速度越大，乘客舒適度越差;曲線半徑越小，乘客舒適度越差;通過小半徑曲線與其他曲線、直線的軌道質(zhì)量指數(shù)（ TQI ）對比發(fā)現(xiàn)，曲線的半徑越小， TQI越大，軌道狀態(tài)、輪軌接觸關(guān)系越差。最后提出通過小曲線的速度建議。

關(guān)鍵詞：地鐵;小半徑曲線;軌道狀態(tài);車體振動;舒適度

中圖分類號：U211.8

0 引言

地鐵作為大中城市公共交通的骨干，承擔大量客運任務(wù)，隨著近年地鐵線網(wǎng)的擴張，小半徑曲線在線路規(guī)劃設(shè)計中運用的更為廣泛。曲線、道岔、鋼軌接頭為線路三大薄弱環(huán)節(jié)，而小半徑曲線又是曲線中危害最大、維護最難的最薄弱一環(huán)，大量的小半徑曲線對于地鐵的軌道養(yǎng)護維修、行車舒適度、車輛運行速度以及運營成本等都有很大影響。

根據(jù)廣州地鐵各線路晃車情況長期跟蹤研究報告及乘客乘車舒適度、滿意度調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在列車通過小半徑曲線區(qū)段，晃車和噪聲現(xiàn)象嚴重。為此，本文選擇廣州地鐵2條典型線路的小半徑曲線進行試驗研究，分析在地鐵中以不同速度通過小半徑曲線及不同半徑曲線對車體振動、行車舒適度的影響，并通過小半徑曲線與直線、正常半徑曲線的軌道狀態(tài)對比，研究小半徑曲線對軌道質(zhì)量和車體振動、舒適度的影響程度，為地鐵運營的行車維護保養(yǎng)提供參考。

1 評價指標及試驗方法

1.1 舒適度評價指標

行車舒適度指地鐵車輛運行時產(chǎn)生的振動對乘客的影響，即振動舒適度或運行平穩(wěn)性。我國早期舒適度采用最一般的評價指標 —— 車體振動加速度進行評價。隨著研究深入，我國已編制GB 5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，并參考歐洲鐵路聯(lián)盟的UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動舒適性評價準則》進行綜合評價。

根據(jù)廣州地鐵乘客舒適度情況反饋及長期車體振動數(shù)據(jù)分析，行車過程中主要為橫向晃動，垂向加速度影響較小。因此，本文直接采用車體橫向加速度作為舒適度評價指標。

1.2 軌道狀態(tài)評價指標

軌道狀態(tài)決定車輛運行的安全性和舒適性，而軌道幾何尺寸是軌道狀態(tài)的直接體現(xiàn)。軌道幾何尺寸檢測項目主要含軌距、軌向、高低、水平、三角坑5項，考慮到列車運行時對軌道幾何尺寸的綜合影響，本文采用軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI）指標來評價軌道動態(tài)不平順。

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運[2006]146號）規(guī)定，線路動態(tài)不平順是指線路不平順的動態(tài)質(zhì)量反映，主要通過軌道檢查車進行檢測。軌道檢查車對軌道動態(tài)局部不平順（峰值管理）檢查的項目為軌距、水平、高低、軌向、三角坑、車體垂向加速度和橫向加速度7 項。各項管理等級劃分為4級：Ⅰ級為保養(yǎng)標準，Ⅱ 級為舒適度標準，Ⅲ級為臨時補修標準，Ⅳ級為限速標準。

軌道檢查車檢查線路區(qū)段整體不平順（均值管理）的動態(tài)質(zhì)量用TQI評定，TQI管理值包括左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑7項，《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運[2006]146號）對于V <160 km/h線路等級允許的TQI值為不超過15。

1.3 試驗方法

本文采用網(wǎng)軌檢測車對軌道狀態(tài)等進行長期綜合性檢測，檢測內(nèi)容及數(shù)據(jù)包括軌道幾何尺寸、車體橫向加速度、車體垂向加速度、鋼軌磨耗、TQI、軌道缺陷巡檢等。

通過長期跟蹤試驗及對各項數(shù)據(jù)的深入分析，并結(jié)合所有線路小半徑曲線狀況、晃車地段報告，開展小半徑曲線對軌道狀態(tài)及車體振動的影響研究。

2 小半徑曲線對車體振動、舒適度影響

2.1 不同速度下車體橫向加速度

2.1.1 試驗區(qū)段及條件

廣州地鐵3號線全長70 km，其中在支線3 km范圍內(nèi)存在多條小半徑曲線，根據(jù)線路情況反饋，該區(qū)段軌道狀態(tài)較差。因此，本節(jié)選擇位于廣州地鐵3號線支線上行線上的小半徑曲線A，曲線A半徑350 m，曲線長度915 m。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運[2006]146號）規(guī)定，車體橫向加速度管理值Ⅰ級（保養(yǎng)標準）為0.06 g，Ⅱ級（舒適度標準）為0.1 g。

2.1.2 試驗分析

在對軌道狀態(tài)進行長期跟蹤所獲得的試驗數(shù)據(jù)中，本節(jié)只給出2次典型試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如圖1、圖2所示。由圖1、圖2分析如下：

（1）在小半徑曲線上，車體橫向加速度隨著速度的增大而增大;橫向加速度在速度為53 km/h時開始明顯增大;較大的橫向加速度值基本分布在速度較高的速度段上;之后橫向加速度隨速度非線性遞增。

（2）第1次試驗車體橫向加速度最大值為0.083 g，第2次試驗車體橫向加速度最大值為0.084 g，超過保養(yǎng)標準，但未超過舒適度標準，滿足舒適度要求。其中，較大及最大橫向加速度出現(xiàn)在行車速度高于62 km/h時。

2.2 不同曲線半徑下車體橫向加速度

2.2.1 試驗區(qū)段及條件

本節(jié)選擇的第1條小半徑曲線仍為位于廣州地鐵3 號線支線上行線上的半徑350 m、長915 m的曲線A，選擇的第2條為臨近曲線A的半徑1 000 m、長653 m的曲線B。

2.2.2 試驗分析

同2.1.2節(jié)，在對軌道狀態(tài)進行長期跟蹤所獲得的試驗數(shù)據(jù)中，本節(jié)只給出2次典型試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4分析如下：

（1）車體橫向加速度隨著曲線半徑的減小而增大，曲線半徑越小，對車體振動、舒適度的影響越大。

（2）第3次試驗曲線A車體橫向加速度最大值為0.102 g，曲線B車體橫向加速度最大值為0.065 g;第 4 次試驗曲線A車體橫向加速度最大值為0.096 g，曲線B車體橫向加速度最大值為0.066 g。

3 小半徑曲線對 TQI的影響

3.1 小半徑曲線與直線 TQI對比分析

3.1.1 試驗區(qū)段及條件

廣州地鐵7號線全長38 km，其中的小半徑曲線區(qū)段存在晃車現(xiàn)象，并且乘客乘車舒適度較差。因此，本節(jié)選擇廣州地鐵7號線下行小半徑曲線C，其半徑為350m，長度為660 m，TQI統(tǒng)計里程為K17～K17.8，單元區(qū)段200 m;對比的直線區(qū)段D長度1000m，TQI統(tǒng)計里程為K18～K19，單元區(qū)段200 m。

3.1.2 試驗分析

表1給出了小半徑曲線C與直線D經(jīng)過10次試驗得到的TQI最大值及10次平均值對比分析結(jié)果，由表1可見，小半徑曲線C的TQI最大值為8.7，10次TQI最大值的平均值為8.43，該區(qū)段高低最大值為6.37 mm，軌向最大值為6.56 mm;直線D的TQI最大值為5.67，10次TQI最大值的平均值為5.3，該區(qū)段高低最大值為5.22 mm，軌向最大值為5.07 mm。

圖5給出了小半徑曲線C和直線D的TQI分布對比，由圖5可見，小半徑曲線C在列車速度40～55km/h區(qū)段，TQI分布在4.4～8.7之間;直線D在列車速度55 ～75 km/h區(qū)段，TQI分布在4.4～5.7之間;小半徑曲線C的TQI值明顯較直線D的TQI值大，表明小半徑曲線C軌道狀態(tài)較直線D差，同時表現(xiàn)出小半徑曲線C軌道狀態(tài)對列車振動影響較直線D大。

3.2 小半徑曲線與正常曲線TQI對比分析

3.2.1 試驗區(qū)段及條件

本節(jié)選擇的線路與2.2.1節(jié)相同，小半徑曲線A，半徑350 m、長915 m，TQI統(tǒng)計里程為K6～K7.4，單元區(qū)段200 m;正常半徑曲線B，半徑1 000 m、長653m，TQI統(tǒng)計里程為K1～K3，單元區(qū)段200 m。

3.2.2 試驗分析

表2給出了小半徑曲線A與正常半徑曲線B經(jīng)過10次試驗得到的TQI最大值及10次平均值對比分析結(jié)果，由表2可見，小半徑曲線A段TQI最大值為13.85，10 次 TQI最大值的平均值為12.97，該區(qū)段高低最大值為-7.55 mm，軌向最大值為6.96 mm;正常半徑曲線B的TQI最大值為11.28，10 次TQI最大值的平均值為10.73，該區(qū)段高低最大值為-6.39 mm，軌向最大值為-6.36 mm。

圖6給出了小半徑曲線A和正常半徑曲線B的TQI分布對比，由圖6可見，小半徑曲線A在列車速度35～65 km/h區(qū)段，TQI分布在5.4～13.85之間;正常半徑曲線B在列車速度45～75 km/h區(qū)段，TQI分布在5.4～11.28之間;小半徑曲線A的TQI值明顯較正常半徑曲線B的TQI值大，表明隨著曲線半徑減小TQI值增大，同時表現(xiàn)出小半徑曲線A軌道狀態(tài)對列車振動影響較正常半徑曲線B大。

4 結(jié)論

本文選擇廣州地鐵3號線支線和7號線為研究對象，對該線路進行長期檢測跟蹤試驗。根據(jù)不同速度下車體振動加速度、不同曲線半徑下車體振動加速度，及小半徑曲線與直線、正常半徑曲線的TQI對比結(jié)果，得出以下結(jié)論。

（1）在小半徑曲線上，車體橫向加速度隨著速度的增大而增大，在速度為53 km/h時有明顯增大，最大值基本集中分布在較高的速度區(qū)段上，表明列車通過小曲線時，速度越大，行車舒適度越差。

（2）在小半徑曲線上，車體橫向加速度隨著曲線半徑的減小而增大，即曲線半徑越小，對舒適度的影響越大，行車舒適度越差。

（3）通過小半徑曲線與直線的TQI對比可知，小半徑曲線軌道狀態(tài)較直線明顯較差，其軌道幾何尺寸亦較大。

（4）通過小半徑曲線與正常半徑曲線的TQI對比可得知，隨著曲線半徑減小，TQI值增大，軌道狀態(tài)變差，其軌道幾何尺寸亦較大。

（5）根據(jù)以上結(jié)論，建議列車通過小半徑曲線時，速度應(yīng)控制在50km/h以下。

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收稿日期 2019-03-26

責任編輯 朱開明

Study on influence of metro small radius curve on track state and vehicle body vibration

Wu Chenkai， Cheng Zhiquan

Abstract： The small radius curve of metro is closely related to the car body vibration， riding comfort and track state. Through the long-term test and research on the curves of Guangzhou metro， this paper studies and analyzes the relationship and evolution pattern between the small radius curve and track state， car body vibration and riding comfort. The research results show that when the vehicle negotiates a small radius curve， the greater the running speed， the greater the lateral acceleration of the vehicle body， and the worse the passenger riding comfort. While the smaller the curve radius， the worse the passenger riding comfort. Through the comparison of the small radius curve with the track quality index TQI of other curves and straight lines， it is identified that the smaller the curve radius， the greater the TQI， the worse the track status and the wheel rail contact interface. It is recommended to negotiate the small radius curves at proposed speeds for different curves.

Keywords： subway， small radius curve， track state， vehicle body vibration， riding comfort

作者簡介：吳晨愷（1992—），男，碩士