輪胎式高速鐵路隧道檢測(cè)車車輛穩(wěn)定性分析

王鵬 高春雷 徐濟(jì)松 張世紅 何國(guó)華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，中國(guó)在建高速鐵路隧道1 331座，累計(jì)長(zhǎng)度約2 560 km；規(guī)劃高速鐵路隧道3 208 座，累計(jì)長(zhǎng)度約7 975 km［1］。高速鐵路隧道襯砌施工質(zhì)量的檢測(cè)面臨繁重的任務(wù)和迫切的需求。

輪胎式高速鐵路隧道檢測(cè)車可通過車載地質(zhì)雷達(dá)、圖像識(shí)別等檢測(cè)手段，在竣工驗(yàn)收期檢測(cè)隧道襯砌和底部結(jié)構(gòu)存在的內(nèi)部空洞、不密實(shí)和襯砌表觀裂縫等質(zhì)量缺陷［2-4］。新建高速鐵路隧道竣工驗(yàn)收一般在隧道貫通、襯砌與填充層施工完成后，道床施工前進(jìn)行［5］。檢測(cè)車現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面臨著幾大問題：①新建隧道空間大，拱頂檢測(cè)高度離地將近10 m，使得機(jī)械臂伸展后檢測(cè)車重心位置高；②檢測(cè)車機(jī)械臂托舉地質(zhì)雷達(dá)采用非接觸式檢測(cè)，雷達(dá)天線與襯砌表面間距要求保持在（10±2）cm，而隧道處于建設(shè)期，地面往往不平順；③在新建隧道間轉(zhuǎn)場(chǎng)，檢測(cè)車需要在惡劣路況和大坡道上行駛。因此，輪胎式隧道檢測(cè)車的穩(wěn)定性關(guān)系著車輛運(yùn)行的安全和襯砌檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

1 車輛運(yùn)行工況

輪胎式高速鐵路隧道檢測(cè)車（圖1），由輪胎式移動(dòng)車體、檢測(cè)作業(yè)平臺(tái)、機(jī)器人自動(dòng)追蹤系統(tǒng)、襯砌檢測(cè)系統(tǒng)等組成［6］。其中檢測(cè)作業(yè)平臺(tái)分為動(dòng)力間、作業(yè)區(qū)和控制室3部分。作業(yè)區(qū)依次布置3套機(jī)械臂。

圖1 輪胎式高速鐵路隧道檢測(cè)車

檢測(cè)車運(yùn)行最高速度80 km/h，檢測(cè)作業(yè)速度3～10 km/h。根據(jù)車輛狀態(tài)和運(yùn)行速度的不同，設(shè)定3 種分析工況，見表1。

表1 分析工況

隧道檢測(cè)車總質(zhì)量26 t。3 種工況下3 套機(jī)械臂的位置和姿態(tài)都不一樣，整車重心位置將發(fā)生變化。以檢測(cè)車前輪與地面接觸中心為原點(diǎn)，寬度方向?yàn)閤軸，高度方向?yàn)閥軸，長(zhǎng)度方向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系，由此可得3種工況整車重心位置，見表2。

表2 檢測(cè)車3種工況整車重心位置 mm

2 不同工況穩(wěn)定性分析

2.1 側(cè)翻穩(wěn)定角

無論檢測(cè)車是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)行狀態(tài)，要想穩(wěn)定，必須滿足一個(gè)條件：整車前后軸的車輪與地面的接觸力不為0，即此時(shí)車輛前后軸的車輪都與地面接觸，且前后軸輪胎的載荷分配合理［7］。按前述坐標(biāo)系，建立隧道檢測(cè)車側(cè)翻計(jì)算模型，如圖2 所示。其中：x0為水平狀態(tài)x向整車重心偏移量；α為路面的橫向坡角；H為整車重心高度；B為輪距；Fy0，F(xiàn)y1為彎道內(nèi)側(cè)、外側(cè)垂直車輪載荷；ax為側(cè)向加速度。

圖2 隧道檢測(cè)車側(cè)翻計(jì)算模型

作業(yè)過程中隧道檢測(cè)車的穩(wěn)定性受多種因素影響，如橫向坡角、懸架剛度、輪胎剛度等［8-10］。由于機(jī)械臂舉升高度的變化，整車重心位置隨之變化，這些因素相互影響。因此檢測(cè)車作業(yè)過程是一個(gè)時(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)過程。要使檢測(cè)車不側(cè)翻，應(yīng)滿足［11］

式中：M為整車總質(zhì)量；g為重力加速度。

為保證車輛運(yùn)行安全，α應(yīng)小于側(cè)翻穩(wěn)定角αmax，即

計(jì)算可得隧道檢測(cè)車不同工況下側(cè)翻穩(wěn)定角，見表3。

表3 檢測(cè)車不同工況下側(cè)翻穩(wěn)定角

2.2 側(cè)翻安全閾值

實(shí)際作業(yè)時(shí)，檢測(cè)車側(cè)翻因素還應(yīng)考慮由于側(cè)風(fēng)、路面不平順、橫向坡角變化以及檢測(cè)車作業(yè)時(shí)機(jī)械臂姿態(tài)調(diào)整等產(chǎn)生的側(cè)向加速度ax。為防止檢測(cè)車發(fā)生側(cè)翻，須滿足［12-13］

定義檢測(cè)車發(fā)生側(cè)翻時(shí)其重心位置的側(cè)向加速度axmax為檢測(cè)車側(cè)翻安全閾值。其計(jì)算公式為

由式（4）計(jì)算可得隧道檢測(cè)車各工況在不同橫向坡角下的側(cè)翻安全閾值，見表4。側(cè)翻安全閾值可作為檢測(cè)車運(yùn)行穩(wěn)定性的評(píng)判依據(jù)。

表4 側(cè)翻安全閾值

2.3 上下坡傾覆臨界角

隧道檢測(cè)車上坡如圖3（a）所示。其中：β1為上坡路面坡角；L為車輛Ⅰ軸和Ⅲ軸之間的距離；z0為水平狀態(tài)z向整車重心偏移量。

圖3 隧道檢測(cè)車上下坡示意

在滿足驅(qū)動(dòng)功率情況下，為防止檢測(cè)車因重心偏移引起后翻傾覆，應(yīng)滿足

β1應(yīng)小于或等于上坡傾覆臨界角β1max，即

隧道檢測(cè)車下坡如圖3（b）所示。其中：β2為下坡路面坡角。為防止檢測(cè)車因重心偏移引起前翻傾覆，應(yīng)滿足

β2應(yīng)小于或等于下坡傾覆臨界角β2max，即

由式（6）、式（8）計(jì)算可得不同工況隧道檢測(cè)車上下坡傾覆臨界角，見表5。

表5 不同工況隧道檢測(cè)車上下坡傾覆臨界角

3 穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1 側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)

GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》［14］中規(guī)定，應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)車側(cè)翻穩(wěn)定性是否滿足要求。根據(jù)GB/T 14172—2009《汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)方法》［15］在武漢中國(guó)汽車技術(shù)研究中心進(jìn)行試驗(yàn)。隧道檢測(cè)車靜止于商用車側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)，側(cè)翻試驗(yàn)角度逐步加大到28°，檢測(cè)車在該位置靜置10 min，穩(wěn)定無異常。

3.2 側(cè)向加速度測(cè)試

檢測(cè)車側(cè)翻不僅受到橫向坡角和重心偏移的影響，還會(huì)受到側(cè)向加速度的影響。在有側(cè)向加速度的情況下側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)將加劇。在車體重心位置安裝加速度傳感器，在橫向坡角基本為0°的路況測(cè)試3 種工況檢測(cè)車重心位置的側(cè)向加速度。測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 側(cè)向加速度測(cè)試結(jié)果

由圖4可知：3種工況側(cè)向加速度曲線均呈振動(dòng)波形。其中工況1、工況2、工況3 最大側(cè)向加速度分別為0.13g，0.06g，0.11g。測(cè)試結(jié)果均在檢測(cè)車側(cè)翻安全閾值以內(nèi)。

4 結(jié)論

1）根據(jù)車輛狀態(tài)和運(yùn)行速度的不同，設(shè)計(jì)收車高速運(yùn)行、拱頂檢測(cè)、拱腰和邊墻檢測(cè)3種工況分析了檢測(cè)車的重心位置。

2）通過建立隧道檢測(cè)車側(cè)翻計(jì)算模型，計(jì)算得到車輛3種工況下側(cè)翻穩(wěn)定角和上下坡傾覆臨界角。通過實(shí)車側(cè)翻試驗(yàn)驗(yàn)證，收車位在側(cè)翻角28°時(shí)車體仍然安全穩(wěn)定。

3）提出側(cè)向加速度側(cè)翻安全閾值的概念，可作為檢測(cè)車運(yùn)行穩(wěn)定性的評(píng)判依據(jù)。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，3 種工況側(cè)向加速度均在檢測(cè)車側(cè)翻安全閾值以內(nèi)。