徐 凱， 李 芾， 安 琪

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

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地鐵隧道清洗車(chē)動(dòng)力學(xué)性能研究

徐 凱， 李 芾， 安 琪

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

隨著地鐵的飛速發(fā)展，地鐵隧道清洗車(chē)在隧道清洗工作上起到了舉足輕重的作用。在對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)SIMPACK多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，該地鐵隧道清洗車(chē)的蛇行臨界速度大于車(chē)輛的構(gòu)造速度80 km/h的要求，在美國(guó)V級(jí)譜激勵(lì)下，運(yùn)行平穩(wěn)性滿足優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，曲線通過(guò)性能滿足要求。

地鐵； 隧道清洗車(chē)； 動(dòng)力學(xué)性能

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市交通的擁堵問(wèn)題以及環(huán)境的保護(hù)逐漸成為了社會(huì)和人類關(guān)注的重點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的公共交通工具，地鐵最大化的利用了地下空間，在運(yùn)量上遠(yuǎn)超過(guò)公交車(chē)，且能源消耗，污染等遠(yuǎn)低于公交車(chē)，這些特點(diǎn)使得地鐵成為了許多城市重點(diǎn)發(fā)展的公共交通工具。當(dāng)?shù)罔F隧道完成施工時(shí)，隧道內(nèi)各壁面、軌道以及路基等部位會(huì)殘留許多灰塵等污垢，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推進(jìn)，地鐵車(chē)輛運(yùn)行時(shí)制動(dòng)磨耗等因素產(chǎn)生的污垢都將停留在隧道中。這些污垢附著在軌道扣件以及電氣設(shè)備上，如果沒(méi)有對(duì)這些污垢進(jìn)行及時(shí)處理，將會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響，使其運(yùn)行靈敏度下降，地鐵故障率和維修成本將大大增加，嚴(yán)重時(shí)還將造成事故的發(fā)生。因此，使用地鐵隧道清洗車(chē)對(duì)隧道進(jìn)行定時(shí)清洗可以緩解上述問(wèn)題，并美化地鐵環(huán)境。本文對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究，以期對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)的發(fā)展具有一些指導(dǎo)意義。

1 隧道清洗車(chē)的基本結(jié)構(gòu)

隧道清洗車(chē)的轉(zhuǎn)向架采用兩系彈簧懸掛的方式。輪對(duì)采用錐形橡膠堆彈簧定位方式，由錐形橡膠堆提供一系垂向剛度及車(chē)輛運(yùn)行時(shí)所需要的縱向和橫向定位剛度。由于隧道清洗車(chē)和普通地鐵車(chē)輛不同，隧道清洗車(chē)載重較大且具有偏載等特性，因此轉(zhuǎn)向架的二系懸掛也與普通地鐵車(chē)輛有所不同，沒(méi)有采用成本較高和維護(hù)方面較難的空氣彈簧，改由橡膠堆、橫向液壓減振器等組成。車(chē)體和構(gòu)架之間采用Z字型拉桿完成牽引工作。車(chē)體和構(gòu)架之間設(shè)置彈性橫向止擋來(lái)抑制車(chē)體的大幅度橫向位移。根據(jù)最高運(yùn)行速度和該車(chē)輛行駛時(shí)制動(dòng)距離的要求，轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用單側(cè)踏面制動(dòng)方式。該地鐵隧道清洗車(chē)具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 地鐵隧道清洗車(chē)技術(shù)參數(shù)

2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

運(yùn)用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)地鐵隧道清潔車(chē)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，考慮車(chē)體、構(gòu)架、輪對(duì)等部件為剛體，對(duì)其減振器和橫向止擋進(jìn)行非線性建模，其非線性特性如圖1所示。

由于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中存在輪軌接觸等非線性因素，車(chē)輛的垂向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)耦合在一起，因此在計(jì)算模型中將橫向和垂向的運(yùn)動(dòng)綜合起來(lái)作為一個(gè)大系統(tǒng)考慮，系統(tǒng)橫向和垂向共有27個(gè)自由度，動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型如圖2所示。

3 動(dòng)力學(xué)性能分析

根據(jù)運(yùn)營(yíng)要求，地鐵車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能應(yīng)符合GB- 5599-1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其與UIC 518(Testing and approval of railway vehicle from the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Ride quality)存在一定的異同，二者之間存在諸多相通之處，故同時(shí)采用上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，主要?jiǎng)恿W(xué)性能評(píng)定指標(biāo)為：車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性，車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)性能等。

圖1 減振器及橫向止擋非線性特性

圖2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

3.1 車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性分析

根據(jù)UIC 515規(guī)定，當(dāng)車(chē)輛以最高運(yùn)行速度運(yùn)行時(shí)，在4～8 Hz范圍內(nèi)，若連續(xù)出現(xiàn)6個(gè)大于8 m/s2的峰值，則認(rèn)為車(chē)輛運(yùn)行失穩(wěn)。根據(jù)UIC 518規(guī)定，應(yīng)在100 m范圍內(nèi)，以10 m為窗口對(duì)構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度的均方根(RMS，Root Mean Square)值進(jìn)行滑動(dòng)平均，加速度最大值應(yīng)小于其限值。UIC 518規(guī)定，每根輪軸的輪軌導(dǎo)向力之和應(yīng)小于其限值。

根據(jù)上述判定方法，對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)的車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)

計(jì)算結(jié)果表明，地鐵隧道清洗車(chē)在空重車(chē)情況下的臨界速度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車(chē)輛的構(gòu)造速度80 km/h；在車(chē)輛以90 km/h運(yùn)行時(shí)，車(chē)輛的構(gòu)架橫向加速度RMS和輪軌導(dǎo)向力之和RMS均小于UIC 518中規(guī)定的限值，滿足地鐵隧道清洗車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性要求。

3.2 車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性分析

車(chē)輛所受到的外力是由于軌道對(duì)輪對(duì)的強(qiáng)迫位移激振而引起的，此處采用美國(guó)V級(jí)軌道譜作為線路激擾。根據(jù)GB 5599-1985規(guī)定，客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性采用車(chē)體上心盤(pán)(轉(zhuǎn)向架中心)偏離橫向1 000 mm處地板面上的最大橫向加速度、最大垂向加速度、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)表示。而UIC 518中規(guī)定加速度測(cè)量點(diǎn)則在轉(zhuǎn)向架中心銷(xiāo)上部，即不偏離1 000 mm，此處則按照GB 5599-1985的規(guī)定選取測(cè)量點(diǎn)，這種選取對(duì)于UIC 518來(lái)說(shuō)是偏于危險(xiǎn)的。

根據(jù)上述判定方法，對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)的車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 車(chē)輛運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性指標(biāo)

計(jì)算結(jié)果表明，地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)狀態(tài)下在美國(guó)ⅴ級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，在90 km/h速度范圍內(nèi)，最大橫向加速度ay和最大垂向加速度az均小于UIC 518規(guī)定的限制值2.5 m/s2；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzz均達(dá)到GB 5599-1985的優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，滿足運(yùn)行要求。

3.3 曲線通過(guò)安全性分析

在計(jì)算曲線通過(guò)安全性時(shí)，將由直線段、緩和曲線和圓曲線3種曲線來(lái)組成。在車(chē)輛從直線段進(jìn)入緩和曲線再進(jìn)入圓曲線的過(guò)程中，會(huì)受到很多外界激擾因素的影響，且對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)不同部位的作用各不相同，且隨著曲線距離而不斷變化。

在研究車(chē)輛曲線通過(guò)安全性時(shí)，考慮的內(nèi)容包括輪軌橫向力、輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率。計(jì)算方法為讓地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)模型通過(guò)一段帶激勵(lì)的設(shè)置有直線、超高的緩和曲線和圓曲線組成的線路，根據(jù)獲取的輪軌間的作用力來(lái)評(píng)定各項(xiàng)曲線通過(guò)性能動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。

計(jì)算曲線通過(guò)時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用情況下不同線路曲線半徑設(shè)置了不同的超高和緩和曲線，具體的線路條件如表2所示。根據(jù)地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，線路未平衡離心加速度不超過(guò)0.4 m/s2，故最大欠超高取60 mm。

地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)的曲線通過(guò)安全性分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

表2 曲線通過(guò)線路設(shè)置

圖5 空車(chē)曲線通過(guò)安全性指標(biāo)

圖6 重車(chē)曲線通過(guò)安全性指標(biāo)

在半徑300,350,400,600 m和800 m曲線上，地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)在以表2設(shè)置速度下運(yùn)行，其輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、輪軌垂向力P、脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率△P/P都在GB 5599-1985的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，車(chē)輛曲線通過(guò)安全性滿足要求。

4 結(jié) 論

介紹了地鐵隧道清洗車(chē)的基本結(jié)構(gòu)，采用二系橡膠堆代替?zhèn)鹘y(tǒng)地鐵車(chē)輛的空氣彈簧，并通過(guò)SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)地鐵隧道清洗車(chē)進(jìn)行了建模，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)車(chē)輛在新輪新軌情況下，臨界速度均較高，能滿足運(yùn)行要求；當(dāng)踏面等效錐度磨耗至0.2,0.25,0.3和0.35時(shí)，空重車(chē)車(chē)輛也均能滿足運(yùn)行要求。地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)車(chē)輛在美國(guó)V級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，在90 km/h速度范圍內(nèi)，輪軸導(dǎo)向力RMS和構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度RMS均小于UIC 518的規(guī)定的限制值，在以90 km/h速度運(yùn)行時(shí)，最大構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度在4～8 Hz頻率內(nèi)小于UIC 515的規(guī)定的限制值，滿足運(yùn)行要求。地鐵隧道清洗車(chē)空重車(chē)車(chē)輛在美國(guó)V級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，在90 km/h速度范圍內(nèi)，最大橫向加速度ay和最大垂向加速度az均小于UIC 518規(guī)定的限制值2.5 m/s2，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzz均達(dá)到GB 5599-1985的優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在半徑300 ,350,400,600 m和800 m曲線上，地鐵隧道清洗車(chē)輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率△P/P都在GB 5599-1985的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，車(chē)輛曲線通過(guò)安全性滿足要求。經(jīng)過(guò)線路試驗(yàn)表明，該地鐵隧道清潔車(chē)所有動(dòng)力學(xué)性能均與計(jì)算預(yù)測(cè)接近，滿足運(yùn)行要求；在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，其性能優(yōu)良，運(yùn)營(yíng)狀況良好。因此，該地鐵隧道清洗車(chē)滿足運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能要求，在我國(guó)地鐵隧道清洗裝備發(fā)展中具備較好的應(yīng)用和發(fā)展前途。

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Research on Dynamic Performance of Subway Tunnel Cleaning Vehicle

XUKai，LIFu，ANQi

(Department of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

With the fast development of urban, the subway tunnel cleaning vehicle plays an important role in the tunnel cleaning. When designing the subway tunnel cleaning vehicle, the subway tunnel cleaning vehicle was simulated in SIMPACK to analyze the dynamic performance. The results showed that the critical speed of the subway tunnel cleaning vehicle was above the design speed 80km/h and that the running stability and the curve negotiation meted the requirement in American V excitation level.

subway；tunnel cleaning vehicle；dynamic performance

男，博士生(

2016-06-13)

1008-7842 (2016) 05-0130-05

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.30